Педаль-регулятор на акселерометре

Автор: eufs, eufs@email.ua
Опубликовано 18.04.2017
Создано при помощи КотоРед.

     Бывает, иной раз, что нужно иметь обе свободные руки при некоторых видах деятельности. Для таких случаев лучше умы человечества придумали ножные устройства управления, такие как педали. За примером далеко ходить не надо - автомобиль. Для случаев применения электроинструмента это приобрело вид педалей- регуляторов. Применение их тоже довольно распространено. Простой пример - регуляторы швейных машин.

     Хотя электрические педали-регуляторы изобретены были давно, принцип действия их менялся с эволюцией технических средств. Самые первые - на основе угольных шайб. Позже появились регуляторы на основе переменных резисторов и тиристорных регуляторов. И как самое экзотическое,которое попадалось - на основе пленки с градиентом прозрачности и оптопары.

     Во всех случаях сама конструкция педали предусматривала механическую часть, передающую усилие ноги на управляющий электрический орган. Она хоть и не замысловатая, но тяжело реализуемая в простой мастерской или в домашних условиях при изготовлении с нуля.

     Мне (похоже что) удалось продвинутся в этом вопросе немного дальше. 
Применение современного микромеханического датчика-акселерометра может существенно упростить механическое устройство педали-регулятора. По сути оно сведется до качающегося подвеса платформы с закрепленным датчиком и возвратной пружины.

Угол наклона платформы можно получить от акселерометра. Он будет в абсолютной величине по отношению к центру земли, но это ничего не портит, потому как полы, на которые устанавливаются подобные педали, обычно (хотя бы должны) делаются по уровню. Существует и второй недостаток - чувствительность к вибрациям, но он достаточно легко преодолим высокочастотной фильтрацией значений углов, которые возвращает датчик.
Таким, достаточно простым, способом, получив угол наклона платформы, уже дело электронной техники применить его в качестве задатчика регулятора напряжения. Разумеется, что необходимо будет откалибровать положения минимума и максимума для привязки углов наклона к регулятору напряжения.
Этим и занимается устройство, схема которого приведена.

Так как изготавливлось оно для себя (ну почти), поэтому применяется схема питания посредством сетевого трансформатора и полная гальваническая развязка
управляющих и силовых цепей. Конструктивно устройство выполнено в виде двух блоков. Силовая часть и блок питания на одной плате и плата датчика с контроллером. Связаны они гибким кабелем с четырьмя проводами.

     Сетевое напряжение поступает на три узла схемы - схему питания на упомянутом трансформаторе, узел синхронизации системы фазового управления и силовую часть на симисторе. Последний управляется через импульсный трансформатор.
Синхронизация в виде импульсов положительной полярности поступает по гибкому кабелю на плату датчика и приходит на вывод микроконтроллера. Программа, после цифровой фильтрации помех, обеспечивает 64 угла фазового управления и формирует управляющие импульсы на симистор через транзисторный ключ и импульсный транформатор. От фазового момента управления и до конца полупериода выполняется заполнение импульсами, что позволяет подключать нагрузку разных типов. Программа вполне может быть доработана на случай необходимого нелинейного закона регулирования, например косинусного, который позволяет ленейно изменять напряжение на нагрузке.

     Информация с микромеханического датчика считывается в нулях сетевого напряжения раз в полупериод по шине I2C и преобразуется в несколько этапов
до фазового угла управления. В первую очередь цифровые значения углов проходят через оконный фильтр с 8 элементами, что снижает дрожание выходного напряжения от возможных вибрации и шума самого датчика. Второй этап сводится к математическому повороту оси значений приблизительно на 10 градусов по ходу движения педали, потому как сектор движения  смещен относительно вертикали и теоретически может находится в максимальном положении педали за пределами 90 градусов.

Третий этап заключается в совмещении фазового угла регулирования напряжения с углом перемещения педали.
Чтобы правильно совместить углы нужно после изготовления механики педали произвести калибровку минимального и максимального значения. Эти два параметра сохраняются в энергонезависимой памяти контроллера и могут быть легко изменены в любое время, потому как процедура перекалибровки не предусматривает разборку для доступа к электронике. Сама калибровка проходит в несколько этапов, на каждом проверяются полученные значения, поэтому случайно нарушить калибровку нельзя.

     Микроконтроллер прменен как один из дешевых и доступных. Микромеханический датчик LIS331DLH - тоже вполне дешевый и доступный для приобретения. К тому же он применялся в Iphone4 и Iphone 4s, поэтому его можно найти на платах с разборки (маркировка 33DH во втрой строчке). В составе телефона они практически не выходят из строя и легко демонтируются феном. Две оптопары в узле синхронизации можно заменить одной со встречными светодиодами PC814 или COSMO 3010, но они реже встречаются. Транзистор можно любой КТ817,940 или импортные аналоги. Фильтр в цепи общего провода (серый элемент, похожий на резистор, звонится почти накоротко) можно добыть на материнских платах в районе выходных разъемов задней панели. В крайнем случае сгодится резистор 5-10 ом.
     Несколько слов по монтажу датчика. Это, мягко говоря, достаточно мелкая деталь 3х3 мм в корпусе LGA16. Самый простой способ - термовоздушной станцией.
Если ее нет, можно его припаять, если осторожно, чтобы не присмолить стеклотекстолит платы, с большого расстояния прогревать плату снизу пламенем газовой горелки, медленно сокращая расстояние. В некоторый момент припой расплавится и микросхема сама сориентируется по печатным проводникам поверхностным натяжением жидкого припоя. Важно это увидеть. Если предусматривается такой способ, то лучше плату датчика сделать с припуском миллиметра по 3 со всех сторон, а после монтажа обрезать, потому как края начинают гореть первыми. Лучше этого не допускать, но все же. В любом случае надо аккуратно и обильно облудить хорошим припоем печатные проводники и выводы самой микросхемы. Сориентировав площадку и микросхему, перед пайкой залить флюсом. Конечно флюс желательно более продвинутый, чем спиртоканифоль. Например RMA223 или RN559. Припаивать датчик надо в первую очередь. После монтажа надо проверить качество тестером в режиме измерения полупроводников в обратной полярности (положительный щуп на общий провод) всех выводов.

     Можно вообще купить готовую плату с уже припаяным таким датчиком. Но это уже дороже и потребует переделки платы с контроллером, который целесообразно
в таком случае вообще перенести на плату с источником питания и силовой частью.
     Платы изготовлены ЛУТом. При должном навыке и материалах платы получаются без особенных усилий, несмотря на тонкие дорожки. Только перед травлением желательно удалить остатки коалина от бумаги на поверхности дорожек какой-либо кислотой. Я пользуюсь ортофорсфорной- 20% растовор в воде. Подходит лимонная. Файлы прилагаются. В новом МК при прошивке надо распрограммировать фуз: СKDIV=1, больше ничего менять не надо.

 Крупное фото платы датчика. Есть место для светодиода с выводами, но там припаян SMD.

Описание калибровки есть в схеме по ссылке внизу. Отвечу на вопросы в форуме.

Файлы:
схема с описанием калибровки
прошивка
платы lay6
документация к датчику

Все вопросы в Форум.