Публикации сообщества

Максим Пхидо • 7 января 2021

Микроконтроллерное кунг-фу: базовая защита входов

Я решил начать статью о защите микроконтроллера от внешних угроз с ответов на комментарии Ольги Тузовой в предыдущей статье "Микро:бит Знатока не обидит".

 

На первый вопрос Ольги: как электромотор может выдать высокое напряжение? я ответил прямо в комментариях, вспомнив одну кружковскую историю. Приведу ее здесь практически полностью. Дело значит было так.

Собирали мы, как-то одну поделку и был у меня для нее электромоторчик переменного тока от микроволновки, который вращает внутри поддон с продуктами. И вот кручу-верчу я в руках этот электромоторчик, а мальчик по прозвищу Ураган подходит ко мне со словами: - Ой, что это у вас тут такое интересное, Максим Михайлович? - и круть со всей дури за маховик. В результате я полетел в один угол комнаты, а моторчик в другой. Мы потом напряжение измерили - чуть-чуть до 300в не дотянули)) В счетчике Гейгера с ручным подзарядом его потом использовали.


Как видите даже маленький электромоторчик может оказаться вполне серьезным и опасным девайсом в умелых руках.

Поэтому возникает закономерный вопрос:

Как бы заранее узнать, представляет датчик угрозу для входов микроконтроллера или нет?

 

опасность

 

 

Напомню, что входы Микро:бита не являются токовыми (ток практически не потребляют и не отдают), а предназначены для восприятия входных напряжений в диапазоне от 0 до 3.3 вольт положительной относительно общего провода полярности.

И второй вопрос, закономерно вытекающий из первого:
Как грамотно организовать защиту входов микроконтроллеров от всяких возможных неприятностей?

Ответ на второй вопрос необычайно прост. Надо неприятности из разряда возможных перевести в разряд невозможных.

А разобраться как это сделать поможет нам электронный конструктор Знаток.

Для начала рассмотрим, можно ли использовать электромоторчик из набора Знатока в качестве датчика для микроконтроллера. Для удобства быстрого вращения вала электромотора я использовал лук из веточки и суровой нитки.

 

моторчик


 

Петля из тетивы накидывается на вал и далее последовательные движения лука легко превращаются во вращательные вала.

Теперь выберем подходящие светодиоды для опыта.

 

светодиоды

 

Я выбрал зеленые, потому что они без защитного токоограничительного резистора. И собрал такую схему.

 

 

провал

 

 

Вообще по стилю кунг-фу Знатоку больше всего подходит стиль обезьяны из известной басни Крылова "Мартышка и очки". Мартышечный стиль как нельзя лучше соответствует неугомонному характеру неутомимых начинающих экспериментаторов.

Как быстро я не раскручивал луком вал электромотора добиться свечения светодиодов мне не удалось. Есть ли вообще хоть какое-то напряжение на выводах электромотора?

В составе одного из моих Знатоков есть стрелочный гальванометр.

 

гальванометр

 

 

Немедленно подключаю его к двигателю.

 

двигатель

 

 

Стрелка реагирует на мои трудовые потуги, дергаясь то в одну, то в другую сторону.
Это уже хорошо.

Как бы теперь поточнее измерить амплитуду напряжения, которую вырабатывает двигатель?
Я знаю.
Нужен ловец амплитудных пиков!

В составе Знатока есть "плохая" батарейка, которая называется конденсатор. Он способен улавливать и накапливать в себе небольшие порции электричества, а потом отдавать их по требованию.
Собираю такую схему для демонстрации перекачки электрического заряда от батарейки к конденсатору.

 

перекачка

 

 

Нажимаю левую кнопку, заряд перетекает от батарейки и накапливается в конденсаторе.

 

1

 

 

Отпускаю левую и нажимаю правую кнопку. Конденсатор разряжается через светодиод, о чем свидетельствует вспышка света.

 

2

 

 

Так, теперь надо придумать, как бы сделать так, чтобы схема работала, но при этом не нужно было нажимать кнопки. Для этого в моем Знатоке оказался целый один (!!! неслыханная щедрость!!!) диод. Не успел я подумать, что диод работает как клапан, т.е. пропускает ток только в одном направление, как руки уже собрали схему ловца.
 

 

ловец

 

 

Для точных измерений мне понадобится цифровой тестер. Подключаю подопытный моторчик и тестер к ловцу.

 

тестер

 

 

Очень не хватает третьей руки для фото и видео, но мне удалось при помощи ловца поймать какое максимальное напряжение выдает знатоковский мотор.

 

мото

 

 

Всего чуть больше чем 0.3 вольта. Негусто.

Но это ведь и хорошо. Такой электромотор можно подключать в качестве датчика непосредственно ко входам микроконтроллера.

В комментарии Ольга давала ссылку и на другой электромотор.

У меня есть похожий. Он живет в приводе лотка дисковода оптических дисков.

 

привод

 

привод 2

 

 

Там он работает в паре с повышающим редуктором, как раз то что нужно.
Для начала проверим его работу на пару встречно-параллельных светодиодов.
Я делал уже такое в одной из своих статей.

 

ген

 

 

Кто хочет посмотреть видео, может собрать схему самостоятельно и насладиться ее работой.
Для нас же важен результат. Этот электромотор легко поочередно зажигает светодиоды. Какое же напряжение он при этом вырабатывает?
Напускаем на него нашего ловца.

 

9в

 

Мне удалось его раскочегарить аж до 9.4в!

Не сомневаюсь что в детских руках и этот рекорд будет побит. Поэтому такой электромотор в качестве датчика напрямую ко входам микроконтроллера подключать опасно. В качестве защиты можно использовать делитель напряжения из резисторов.

 

делитель

 

 

Или (и) ограничитель. Что это такое можно вспомнить на примере того же диода. У диода нет сопротивления, у него есть ВАХ (вольт-амперная характеристика). Ее проще показывать на графике. И она не линейна, а нелинейна.

 

вах

 

 

На графике виден потенциальный барьер в 0.7в по напряжению. Т.е. на каждом кремниевом диоде в открытом состоянии будет падать не меньше 0.7в. А иначе он не откроется.
В телефонии широко использовалось такое устройство, подключенное к телефонному капсюлю из двух встречно-параллельно включенных диодов. Оно не позволяет сигналу выходить за пределы плюс-минус в обе стороны 0.7в и называется фриттер или ограничитель.

 

тф

 

Признаться, я был в ужасе, когда понял, что знатоковцы в очередной раз пожадничали и не поставили такую защиту в свой нежный гальванометр.

 

гальванометр

 

Я взял в руки паяльник и немедленно исправил это безобразие.

 

фритт

 

 

Дополнительно добавив кроме диодов еще и тонкий волосок-предохранитель.

 

клей

 

 

Болтающийся корпус скрепил термоклеем. Надеюсь так гальванометр прослужит дольше.

 

напряжение

 

 

Напряжение полного отклонения стрелки гальванометра примерно 0.3в, у фриттера же ограничение 0.7в. Поэтому фриттер не должен оказывать на его  работу особого влияния.
Для некоторых схем можно использовать и его, но чаще применяют другую хитрую схему диодной защиты.

 

защита

 

 

Она состоит из двух последовательно соединенных диодов, один из которых подключен на землю, а второй на шину питания. В среднюю точку подается питание. В рабочем диапазоне напряжение сигнала от 0 до напряжения питания диоды закрыты. и сигнал проходит на вход микроконтроллера без проблем. В случае превышения сигналом напряжения питания он уходит в шину питания, а в случае сигнала отрицательной полярности в шину земли.

Любящие свои контроллеры производители снабжают свои детища такой защитой на самом кристалле. Но надо помнить, что встроенная защита справляется со своими задачами до определенного уровня. Поэтому иногда ей приходят на помощь и дополнительно устраивают такие внешние защитные цепи.

Иногда схему упрощают и оставляют только защиту от отрицательных выбросов входного сигнала.

 

диод

 

 

Особенно часто это используется в случае электромагнитных датчиков: электромоторов, реле и т.п.

На том сегодняшние занятия по микроконтроллерному кунг-фу предлагаю закончить.

Продолжение следует.

До встречи на Новаторе!

©, 2021г.

________________________________________________________________________

Другие статьи автора:

1. В хоккей играют настоящие мужчины.

2. Ай  хэв э дрим.

3. Волшебная лампа мейкера Ала-Джина. 

4. Вау, шарик! Вау, цезарь!

5. Приходите тараканы, я вас чаем угощу.

6. Волноватор на Новаторе. 

7. Дао Робин Гуда. 

8. По следам одного школьного проекта.

9. Digital Society. Отчет.

10. Десакрализация гаджета или вскрытие покажет. 

11. Принтерино vs Ардуино. 

12. "Карантин-ТВ" за работой. 

13. Угольный микрофон или усилитель из резистора. 

14. Угольный микрофон для ленивых. Часть 2. 

15. Айда к нам!)

16. Курс в курсе. 

17. А что это вы тут делаете?

18. Отчет по курсу "Кухня непрофессионала". 

19. Создание мультов в Power Point. 

20. О бедном герконе замолвите слово.

21. Вечный тормоз.

22. Как мы учили собаку лаять. 

23. Знатокам о "Знатоке".

24. Клуб ЖелДорМод.

25. Правильная Таблица Умножения. 

26. Компьютер, который всегда с собой.

27. Время наводить мосты.

28. Мой номер телефона 32-8 легко запомнить. 

29. Домашнее компьютеростроение. 

30. По горячим абачьим следам. 

31. Мешок STEM-подарков.

32. Триггер Бонч-Бруевича. 

33. Две приблуды для Знатока. 

34. Микро:бит Знатока не обидит. 

35. Русские счеты программиста. 

36. Чужая свадьба или подарок под Рождество. 

Кол-во комментариев: (2)

Ольга Елисеева
Прочитала,с интересом,спасибо! Микроконтроллерное кунг-фу всегда пригодится) На днях устроила своему микро:биту нелегкие выходные. Тестировала сервоприводы "по полной"😁Попробовала разные варианты подключения,в том числе и с 2мя сервоприводами. Спас переделанный блок питания от старого кнопочного телефона. Надеюсь, что доделаю проект на следующий недели. Заранее прошу прокомментировать!)
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии