Messbereich: 700 UPM ... 87 000 UPM Auflösung der Anzeige: 100 UPM (10 UPM) interner Messfehler < 0,7 % Luftschraubentyp: 2-Blatt-Luftschraube Messzeit: < 0,2 s Das Ziel war die Entwicklung eines einfachen Drehzahlmessers für die Luftschraube von Modellflugzeugen. Die Messung selbst erfolgt optisch, die Anzeige erledigt ein 3-stelliges LED-Display.

• Als Sensor dient ein Fototransistor, der vor die Luftschraube gehalten wird. Dort misst er die Helligkeitsschwankungen, die durch die vorbeilaufenden Luftschraubenblätter hervorgerufen werden. Ein nachfolgender Verstärker erzeugt TTL-Pulse, die an den PIC weitergeleitet werden. Diese Schaltung habe ich aus dem Logger von D. Meissner entliehen.

 
• Der PIC nimmt die Impulse am Pin RB3 entgegen. Das ist der Eingang des Capture-Moduls.

 
• Der Wert der Widerstände R9..R11 ist unkritisch und darf im Bereich von 1k bis 4,7k liegen.

 
• R1..R8 bestimmen die Helligkeit der Anzeige. Sie sind so zu wählen, das der Strom durch einen dieser Widerstände 25 mA nicht übersteigt.

 
• Als LED-Anzeige kann jede 7-Segment-LED-Anzeige mit gemeinsamer Anode verwendet werden. Ich benutze eine TOT-4301FE-1N, die es bei Pollin für ein paar Cent gab. Die Zuordnung der Segmente zu den Buchstaben A..H (und damit zu den PIC-Pins) ist für Unkundige im Assemblerquelltext beschrieben.

 
• Als Treibertransistoren kommen alle pnp-Typen in Frage, die 200 mA treiben können, z.B. der BC328.

 
• Als Taktquelle für den PIC empfehle ich einen 12-MHz-Keramikresonator.Die Verwendung anderer Taktfrequenzen führt zu Messfehlern!

 
• An die Stabilität der Betriebsspannungen werden keine großen Ansprüche gestellt (+5V,  +/- 20%).

Eine Siebung der Betriebsspannung mit einem Elko (ca. 100µF) und einem Keramikkondensator (100nF) ist selbstverständlich, und deshalb im Srtomlaufplan nicht enthalten. Ohne diese Siebung, können Spannungsschwankungen vom Sensorverstärker als Helligkeitsschwankungen interpretiert werden. Das würde zu Messfehlern führen.
Die Stromaufnahme der Schaltung wird durch den Stromverbrauch der LED-Anzeige bestimmt, und schwankt zwischen 20 mA und 150 mA

Bei einer Drehzahl von 2000 rpm misst man an der Zweiblattluftschraube eine Frequenz von 66.66 Hz. Der Zählfrequenzmesser würde eine Zählzeit von 1 Sekunde benötigen, um diese Frequenz auf 1 Hz genau zu bestimmen. Zählt man die Luftschraubenimpulse nur über 0,1 Sekunde, so ist das Ergebnis 6 oder 7. Bei einer Messauflösung von 10 Hz (1 / 0,1Sekunde = 10 Hz) Misst man also 60 Hz oder 70 Hz , Zwischenwerte sind nicht möglich. 60 Hz entspräche1800 rpm, 70 Hz entspräche aber schon 2100 rpm. Der Grundmessfehler beträgt also schon 300  rpm. bzw. 15%.  Die Anzeige eines Zählfrequenz-Drehzahlmessers mit 0,1s Zählzeit würde also zwischen diesen beiden Werten schwanken.

Bei der hier eingesetzten Periodenmessung, messe ich die Dauer von 2 aufeinanderfolgenden Schraubendrehungen mit einer Auflösung von 2,66 µs. (Die Dauer einer Drehung wird also mit einer Genauigkeit von 1,33 µs bestimmt.) Bei einer Drehzahl von 2000 rpm dauern 2 Propellerdrehungen 60 ms. Die Periodendauermessung wird 22500 x 2,66µs = 60 ms messen. Weicht der Messwert um 1 Takt ( also um 2,66µs) ab, dann beträgt der daraus entstehende Messfehler 2000rpm / 22500 = 0,08 rpm =0,004%. Dieser Messfehler ist vernachlässigbar. Die Messgenauigkeit wird also nicht durch das Messverfahren, sondern duch den Taktgenerator des PIC  bestimmt. Der hier eingesetzte Keramikresonator hat einen Frequenzfehler von maximal 0,5%, wodurch der Gesamtmessfehler unter 0,6% bleibt.
 

Mit steigender Drehzahl wird die Periodenmessung ungenauer und die Frequenzmessung genauer. Aber auch bei 88000 rpm beträgt der prinzipielle Messfehler  der Periodenmessung nur 0,2% und der der Frequenzmessung noch 0,34%. Folglich ist die Periodenmessung im gesamten Messbereich des Drehzahlmessers das überlegene Verfahren, der  Gesamtmessfehler (einschließlich der Ungenauigkeit des Keramikresonators) liegt im gesamten Messbereich bei 0,5%..0,7%.  In nebenstehender Grafik ist der vom Keramikresonator verursachte Fehler schon berücksichtigt. ohne Messbereichsumschaltung Mit einer dreistelligen Anzeige lässt sich diese Genauigkeit leider nicht ausnutzen. Bei 2000 rpm liegt der Anzeigefehler (durch die fehlenden Zehner- und Einer-Stellen) bei 5%. Ab 10000rpm liegt der Anzeigefehler aber unter 1%.  Ab 18000 rpm überschreitet die Anzeigegenauigkeit die Messgenauigkeit.

mit Messbereichsumschaltung Das sieht ganz anders aus, wenn man bei niedrigen Drehzahlen auf eine Anzeige mit 10-Hz-Auflösung umschaltet. Im nebenstehenden Beispiel schaltet der Drehzahlmesser bei Drehzahlen unter 5500 rpm von der Anzeige '  5.5' auf  '5.48' um. Damit ist die Anzeigegenauigkeit bei niedrigen Drehzahlen 10-fach genauer und der Gesamtfehler des Drehzahlmessers (Periodenmessfehler + Anzeigefehler + Keramikresonatorfehler) liegt immer unter 2%. Erkannt wird dieser Mode am leuchtenden Dezimalpunkt hinter der ersten Anzeigestelle. Der Dezimalpunkt hinter der 2. Stelle zeigt weiterhin mit seinem Flackern an, dass das Gerät misst.

Zur Messung der Periodendauer verwende ich das Capture-Modul. Es besteht im Wesentlichen aus dem Timer1, der mit 375 kHz getaktet wird. Dieser Takt wird aus dem 12-MHz-PIC-Takt gewonnen, indem er erst durch 4 (Zyklustakt) und dann durch 8 (Vorteiler des Timer1) geteilt wird. Beim Eintreffen eines Pulses von der Luftschraube wird der Timer1 per Software auf 0 gesetzt. Dann zählt er mit 375 kHz. Alle 2,66 Mikrosekunden erhöht sich der Wert des Timers um 1.

Um ein stabiles Messergebnis  zu erhalten, wird nicht der Abstand zweier benachbarter Luftschrauben-Impulse gemessen, sondern die  Gesamtdauer von 4 Perioden. Das erreicht man durch die Verwendung des 4:1-Vorteilers des Capture-Einganges. Nach 4 Eingangsimpulsen wird der Timer1 (via Capture Modul) ausgelesen. Das erfolgt also nach 2 Schraubenumdrehungen (Zweiblattluftschraube).

Um aus diesem Messwert die Drehzahl in UPM (Umdrehungen pro Minute) zu berechnen, muss der Reziprokwert des Zählergebnisses berechnet werden, und dieser Wert mit 45000000 multipliziert werden (1 Minute / 2,66 µs * 2 = 45000000). Da aber eine Anzeige in 100-UPM-Schritten geplant ist, wird der Reziprokwert nur mit 450000 multipliziert.

Eigentlich ist es also völlig ausreichend, den Wert 450000 durch den Messwert zu dividieren. Dass kann durch wiederholte Subtraktion des Messwertes von 450000 erfolgen, bis 0 erreicht wird. Dafür benötigt man nur eine 24-Bit-Subtraktion. (Dieses Verfahren funktioniert zwar, ist aber leider recht langsam. Für unsere Zwecke mag es genügen.)

Beispiel:
Die Drehzahl sei 30000 rpm. Der Pulsabstand beträgt bei einer Zweiblattluftschraube folglich  1 / (2 x 30000) Minute = 1 ms. Vier Pulse benötigen folglich 4 ms.
Das Capture-Modul zählt mit seinem 2,66 µs-Takt in diesen 4 ms bis zum Wert 1500. (4000µs / 2,66µs = 1500)
Wird 450000 durch 1500 dividiert, erhält man 300. Dieser Wert wird angezeigt (Anzeige: '30.0'), er entspricht der Drehzahl in 100 UPM.
 

Die niedrigste messbare Drehzahl ist 686 rpm. Bei kleineren Drehzahlen läuft der 16-bittige Timer1 während der Messsung über. Die dreistellige Anzeige begrenzt die darstellbare Drehzahl nach oben auf 99900 rpm. Da im Modellbau in der Regel nur Drehzahlen von 2000 rpm bis zu 40000 rpm interessant sind, verzichte ich auf Maßnahmen zur Messbereichserweiterung. Die maximale Drehzahl schränke ich (aus Gründen der Bequemlichkeit) auf 87890 rpm ein.
 

Drehzahl:	600 rpm	686 rpm	700 rpm	1 000 rpm	3 000 rpm	10 000 rpm	30 000 rpm	60 000 rpm	87 890 rpm	100 000 rpm
Messzeit:	200 ms	174,76 ms	171,43 ms	120 ms	40 ms	12 ms	4 ms	2 ms	1,365 ms	1,2 ms
Messwert:	(9464)	65 535	64 286	45 000	15 000	4 500	1 500	750	512	450
Anzeige:	--	00.6 0.69	00.7 0.70	01.0 1.00	03.0 3.00	10.0	30.0	60.0	87.9	--.-

1. mit Capture-Modul im 2,66-µs-Takt zählen, bis von Luftschraube 4 Impulse kamen (Interrupt),

während dieser Zeit letztes Messergebnis an LED-Display anzeigen
2. Timer1 auf 0 zurücksetzen
3. falls Timer1 übergelaufen ist, dann zurück zum Punkt 1 (Drehzahl zu klein)
4. 16-Bit-Zählwert des Capture-Moduls auslesen
5. falls Zählwert kleiner als 512 ist, dann zurück zum Punkt 1 (Drehzahl zu hoch)
6. 450000 mit halben Zählwert addieren und dann ganzzahlig durch den Zählwert teilen (24-Bit integer-Addition und -Subtraktion)
7. Divisionsergebnis in BCD wandeln (3-stellig)
8. BCD-Wert an Anzeigeroutine übergeben
9. zurück zum Punkt 1

Die Anzeige erfolgt multiplex mit 4 Takten (3 Anzeigetakte und 1 Rechentakt). Jeder Takt ist ca. 2,72 ms lang, um eine flimmerfreie Anzeige zu gewärleisten (91 Hz). Das Umschalten von Takt zu Takt wird mit einem Timer realisiert. Dazu wird der Timer0 mit dem PIC-Zyklustakt (12MHz / 4 = 3MHz) über den internen 32:1 Vorteiler gespeist. Immer nach 256 x 32 Zyklen (2,72 ms) läuft der Timer0 über, und setzt das T0IF-Flag. Das wird vom Hauptprogramm durch Polling erkannt, und zur nächsten Anzeige-Stelle weitergeschaltet.
Nach 3 Anzeigetakten (für die drei Stellen) wird in einem 4. Takt die Drehzahl neu berechnet, falls inzwischen ein neuer Messwert eingetroffen ist.

Nach dem Einschalten bleibt das Display zunächst dunkel, es wird nur der hinterste Dezimalpunkt eingeschaltet (sozusagen als Lebenszeichen). Nach dem Eintreffen der ersten Impulse vom Sensor schaltet die Anzeige zur normalen Betriebsart um, und der hinterste Dezimalpunkt verlischt.

Hinter der tausender-rpm-Stelle (also der mittleren LED-Stelle) wird der Dezimalpunkt eingeschaltet, wenn Messwerte vom Sensor eintreffen. Dieser Dezimalpunkt flackert also normalerweise. Bei sehr hohen Drehzahlen (>40000 rpm) leuchtet der Punkt dauerhaft. Falls keine Messung erfolgt, oder die Eingangsfrequenz zu niedrig ist, bleibt der Punkt dunkel.
Überschreitet die gemessene Drehzahl das obere Limit von 87890 rpm, dann zeigt das Display '--.-' an.
Unterhalb von 700 rpm zeigt das Display '  --' an, Der Dezimalpunkt ist dann also aus.

Eine Null an der Zehntausender-Stelle wird nicht angezeigt. Bei einer Drehzahl von 6000 rpm wird also anstelle von '06.0' lediglich '  6.0' angezeigt.

• PIC Pin RB3 vom OPV trennen und mit Vss verbinden, Schaltung an 5V anschließen.

Am Display muss nun nur der letzte Dezimalpunkt leuchten: '   .'
Die Stromaufnahme der Schaltung sollte 25 mA nicht überschreiten.
Ist das der Fall, ist der PIC korrekt programmiert,  die PIC-Takt-Erzeugung und wichtige Teile der Anzeige funktionieren.
 
• PIC Pin RB3 von Vss trennen, und mit der Hand berühren oder

PIC Pin RB3 von Vss trennen, und über einen 100-kOhm-Widerstand mit 9VAC verbinden.
Das Display sollte etwa '1.50' bzw ' 1.5' anzeigen.
Ist das der Fall, funktionieren PIC und Anzeige korrekt.
 
• 5V abschalten, RB3 wieder mit dem OPV verbinden.

Den Fototransistor sicher von jeglichem Kunstlicht (Glühbirne, Monitor, Leuchtstofflampe, Fernseher) abschirmen.
5V einschalten. Die Anzeige muss '   .' anzeigen.
Sollte der Drehzahlmesser auch ohne Lichtflackern am Fototransistor eine Drehzahl messen (z.B. einen Phantasiewert von etwa '33.0 ', so kann das an einer nicht ordentlich gesiebten Betriebsspannung liegen. Durch die Displayansteuerung verursachte Lastschwankungen wirken dann auf den Speisestrom des Fototransistors ein. Das lässt sich abstellen, wenn der 15-kOhm-Vorwiderstand des Fototransistors durch eine Reihenschaltung zweier Widerstände (jeweils 8,2 kOhm) ersetzt wird, und zwischen dem Mittelpunkt der Wiederstände und dem Emitter des Fototransistors (Vss) ein 100µF ELKO eingesetzt wird.
 
• Fototransistor mit Leuchtstofflampenlicht (oder notfalls Glühlampenlicht) beleuchten.

Die Anzeige muss '  3.0' oder etwa '3.00' anzeigen.
Im Fehlerfall ist die Sensorschaltung (Fototransistor, OPV) fehlerhaft.
Sollte (mit Messbereichsumschaltung) die Anzeige '2.98' oder '2.99' oder '3.01' oder '3.02' lauten, dann kann der Tausch des Keramikresonators helfen, wenn es denn so genau sein muss.

• der Assemblerquelltext zusammen mit dem fertig assemblierten HEX-File (5 kByte) ohne Messbereichsumschaltung
• der Assemblerquelltext zusammen mit dem fertig assemblierten HEX-File (5 kByte) mit Messbereichsumschaltung

Wem 100 UPM zu ungenau ist, der kann eine zusätzlich 10er-Stelle anschließen, deren Anode mit RA5 angesteuert wird. Dann wird nicht 450000 durch den Zählwert dividiert, sondern 4500000, um ein 4-stelliges BCD-Ergebnis zu bekommen. Auf eine Messbereichsumschaltung kann dann verzichtet werden.

Drehzahlen unterhalb von 700 rpm führen zu einem Überlaufen des Timer1 während des Capturens. Wer niedrigere Drehzahlen (bis 350 rpm) messen will, kann mit einem langsameren PIC-Takt von nur 4 MHz arbeiten, und in der Drehzahlberechnung nicht 450000 sondern 150000 durch den Messwert dividieren. Bei hohen Drehzahlen (>60 000 rpm) fängt dann die Anzeige aber zu flackern an, da die Rechenzeit zur Drehzahlberechnung stark zunimmt. Eine schnellere Divisionsroutine kann hier Abhilfe schaffen.

Wer einen Drehzahlmesser für langsamere Drehzahlen (also nicht für Propeller) sucht, kann den PIC-Takt auf 1 MHz verringern, und den Vorteiler des Capture-Modules auf 1:1 einstellen. Dann sind Messzeiten bis zu 2 Sekunden realisierbar. Wenn der Drehzahlsensor nur 1 Impuls pro Drehung abgibt, können Drehzahlen bis hinab zu 30 rpm gemessen werden. Dafür sind natürlich einige Softwareanpassungen nötig.

Als Eingangsschaltung könnte auch ein Transimpedanzverstärker verwendet werden.