Бортовой компьютер на AVR микроконтроллере
В данной статье я опишу создание мною простого бортового компьютера для автомобиля или мотоцикла. Никаких экзотических функций устройство не содержит, но зато в нём есть часы, термометр и вольтметр. Основа, это AVR микроконтроллер ATmega8 с восьми килобайтами флеш память, этого нам как раз достаточно. Часы реализованы на специальной микросхеме (часов реального времени RTC) DS1307, это позволяет идти часам очень точно довольно длительное время, даже тогда когда устройство выключено. Но конечно для работы микросхемы DS1307 требуется дополнительное питание 3 вольта, например батарейка CR2032. Датчик для термометра взял DS1820 работающий по интерфейсу 1-Wire. Все данные выводятся на ЖК индикатор WH1602 на контроллере HD44780. Итак, для сборки устройства понадобятся следующие радиодетали:
1. Микроконтроллер Atmega8 — 1шт.
2. Микросхема DS1307 — 1шт.
3. Датчик DS1820 — 1шт.
4. Панелька DIP-8 — 1шт.
5. Панелька DIP-28 — 1шт.
6. Микросхема LM7805 — 1шт.
7. Микросхема LM7809 — 1шт.
8. Тактовые кнопки — 4шт.
9. Кнопки с фиксацией положения — 2шт.
10. Кварц 14.3 МГц — 1шт.
11. Кварц часовой 32768 Гц — 1шт.
12. Конденсатор керамический 22 пф — 2шт.
13. Конденсатор керамический 100 нф — 4шт.
14. Транзистор КТ315 — 2шт.
15. Конденсатор электролитический 100 мкф — 1шт.
16. Конденсатор электролитический 47 мкф — 2шт.
17. Диод 1N4001 — 1шт.
18. Подстроечный резистор 20 кОм — 2шт.
19. Резистор 1 кОм — 2шт.
20. Резистор 10 кОм — 2шт.
21. Резистор 4,7 кОм — 3шт.
22. Резистор 100 кОм — 1шт.
23. Резистор 20 Ом — 1шт.
24. Резистор 68 Ом — 1шт.
25. Динамик 0.2 Вт — 1шт.
26. ЖК индикатор WH1602 (на контроллере HD44780 или совместимом) — 1шт.
27. Текстолит — 1шт.
28. Корпус пластиковый — 1шт.
29. Отсек для батареек 2xAA — 1шт.
30. Батарея 1.5v AA — 2шт.
Принципиальная схема устройства:
Подстроечный резистор R4 устанавливает контрастность ЖК индикатора, а R12 подстраивает вольтметр до точного значения. Кварц Z2 на 14.3 МГц, его можно найти на старых материнских платах. Кнопка S1 — «Отмена», S2 — «Вниз», S3 — «Ок», S4 — «Вверх». Резистор R3 подтягивает Reset микроконтроллера к плюсу питания чтобы предотвратить случайный сброс. Резисторы R1, R2 и R7 также подтягивают порты микроконтроллера к плюсу питания. Керамические конденсаторы C1 и C2 нужны для стабильной работы кварца Z2. Я собрал устройство на двух печатных платах, на одной содержатся микросхемы LM7805 и LM7809, на другой, всё остальное. Платы рисовал в программе SprintLayout 4.0 и изготавливал с помощью ЛУТ. Вот готовая плата покрытая сплавом розе:
Плата с запаянными на ней деталями:
С обратной стороны:
Все потроха собрал в корпус, в итоге получилось красиво и компактно.
Фото готового бортового компьютера (вид спереди):
Фото готового бортового компьютера (вид сзади):
Для удобства, спереди я разместил только ЖК индикатор и кнопки управления S1, S2, S3 и S4. Разъём, кнопки включения устройства и выключения звука, подстроечный резистор R12 я разместил сзади корпуса. Прошивку для микроконтроллера писал в среде BASCOM-AVR (исходник прилагается), микроконтроллер прошивал программатором USBtiny с помощью программы SinaProg. После прошивки микроконтроллера нужно установить следующие фьюз-биты:
Правильно собранное и прошитое устройство запускается сразу, и не требует настройки, разве что, точной подстройки вольтметра и настройки часов. Из дополнительный функций присутствует регулировка яркости ЖКИ и часовой бипер (часы подают сигнал в начале каждого часа). При включении устройства на ЖКИ появляется заставка и плавно загорается подсветка индикатора, потом появляется главный экран, где отображается время, дата, температура и напряжение. Если в это время нажать кнопку S3 то вы войдёте в меню настройки времени, S2 — в информационную вкладку, где написана информация о версии устройства и его авторе, S4 — в меню настройки яркости ЖКИ и управления часовым бипером. Кнопка S1 возвращает обратно, на главный экран. Наглядно посмотреть, как управлять устройством вы можете на видео:
В файлах к статье есть исходники программы, прошивка, проект в программе Proteus.
Потери мощности в лодочном электромоторе
Ротор, щеточный узел и щетки лодочного электромотора. Щетки и кольца служат источником потерь и снижают надежность электромотора. В мощных лодочных электромоторах двигатели постоянного тока не используют
Общая эффективность силовой установке на лодке с двигателем внутреннего сгорания около 15%. Для судна с электромотором такой показатель – непозволительная роскошь. Считается, что лодочный электродвигатель работает эффективно, если с учетом потерь на винте его КПД около 50 %. При этом КПД электромотора должен быть не менее 80%, а винта не мене 63%.
Потери мощности пропорциональны сопротивлению проводника и квадрату протекающего через него тока. Если ток возрастает вдвое, потери возрастают в четыре раза. Если ток растет в десять раз, потери увеличиваются в сто. Уменьшить ток и потери можно, если повысить напряжение в цепи.
Общепринятое на сегодня напряжение мощных лодочных электромоторов 48 вольт, но для небольших лодок подходят и 24-вольтовые модели. При силе тока 50 А максимальная мощность электромотора в 12-вольтовой системе составит 600 Ватт, а в 24 Вольтовой – 1200 Ватт
Второй способ снизить потери в цепи постоянного тока – это увеличить сечение кабеля. Правильно подобранный кабель повышает эффективность и безопасность электрической системы, устраняет локальный перегрев и снижает потери энергии.
Высокий КПД имеет винт с большим диаметром, шагом и низкой скоростью вращения. Однако с таким винтом может работать только мотор, развивающий высокий крутящий момент.
Редуктор служит источником дополнительного шума и потерь. В профессиональных электромоторах их стараются не использовать
Большинство гребных винтов для подвесных моторов небольших лодок созданы на основе испытаний проведенных еще в 1940–1960-х годах прошлого века. Общие принципы проектирования, появившиеся тогда, систематизированы в виде таблиц и графиков и используются изготовителями до сих пор.
При разработке современных винтов используют другой подход. Сначала на компьютере создают трехмерную модель, а затем шаг и кривизну профиля винта оптимизируют для каждого сечения с учетом изменяющихся вдоль диаметра условий обтекания потоком воды. Винты этого типа называют винтами с переменным шагом. Их потери меньше, а КПД выше.
Бортовой компьютер
Чесались руки сделать что-то для свежекупленного автомобиля, остановился на полезной вещи – бортовой компьютер. Автомобиль Nissan Almera N15 1.6SR, двигатель GA16DE. Лепил из того что было, и хотелось поскорее, так что за конструкторскую проработку не пинайте.
В передней панели, под магнитолой имеется небольшое углубление, для хранения всякой мелочи, я решил в нем разместить БК.
Место не самое удобное для бардачка и для БК, но ничего более подходящего не нашел. Корпус БК – сам бардачок, передняя панель – кусок обычного фольгированного текстолита с наклеенной черной пластиковой самоклеящейся пленкой (такой холодильники обклеивают).
После перелопачивания определенного количества материала на тему БК, пришел к выводу, что самый правильный подход реализован вот тут http://multi-set.ru/. Только дисплей все же у них слишком аскетичный. Поэтому и решил делать БК в том же русле, весь теоретический материал есть на их сайте. Брать поток данных с БУ двигателя не хотелось, т.к. в нем не все есть, что надо, и это привязывает БК к конкретной марке автомобиля. Перегружать БК огромным количеством функций тоже считаю не нужным, только то, что нужно мне, но одновременно. С другой стороны исходники открыты и хорошо комментированы, ног свободных в контроллере много – дописывайте сами все что хотите. (Извините за работу со знакогенератором индикатора через ж, вверх ногами ставил дисплей, для лучших углов видимости сверху).
Кнопка, индикатор и его подсветка размещены на передней панели. Печатная плата под устройство не разрабатывалась, все спаяно на обычной макетке. Дополнительное гнездо прикуривателя с огромным конденсатором – не силовое, а для питания, чтобы при старте двигателя не перезагружался FM-MP3-трансмиттер, или навигатор.
Уличный термодатчик лучше всего выносить внутрь бокового зеркала, но тащить провода в дверь очень неудобно. У меня он расположен в самой левой передней части бампера, достаточно низко, подальше от противотуманки и радиаторов. Непосредственно на ножках датчика припаяны конденсаторы по 0.1 мкф. Необходимо обеспечить герметичность датчика термоусадкой, эпоксидкой или другим способом. Внутренний термодатчик расположен прямо на передней панели. Можно попытаться найти для него лучшее место, но меня устраивает и так.
МК PIC18F258 или PIC18F252 в DIP корпусе, установлен в панельке. Термодатчик TMP36 – заменим на микрочиповский MCP9700. MCP1525 – источник опорного напряжения +2.5 В, заменим на TL431 + резистор 680 Ом к +3.3 В. Индикатор TIC-120 и LED подсветку к нему TB1084 можно купить в Тритоне или Гамме, там же можно купить МК, опорник и термодатчик. Можно использовать и другие индикаторы 64х32 точки на контроллере PCF8531. LP2950-3.3 – стабилизатор питания на 3.3 В, можно применить LM1117-3.3, или какой-нибудь регулируемый. Хотя, по большому счету, тут надо использовать специализированый стабилизатор для автомобильного применения. На все детальки даташиты без труда можно найти гуглем. Дополнительный прикуриватель – от какой-то нашемарки.
Подключение. Все подписано на схеме, добавлю только, по цепи «+12v»ON»3» – провод, на котором появляется +12 В только при 3 положении ключа зажигания. Все цепи не силовые, и по автомобильным меркам ничего не потребляют, кроме цепи «Масса» и «+12V Accu», их нужно подключить толстым проводом. К форсунке в автомобиле подходят два провода: +12 В и сигнальный, к БК нужно подключить сигнальный.
Внешний вид экрана (в дежурном режиме и при включенном зажигании):
На первой строке отображается температура в салоне автомобиля (символ «мордочка») и на улице («солнышко»).
На второй строке отображается скорость вращения двигателя (обороты в минуту) и разница в процентах от скорости вращения, которое было запомнено по длительному нажатию кнопки.
Коротким нажатием на кнопку сбрасывается счетчик израсходованного топлива. Одновременно с ним можно сбросить штатный счетчик километража, тогда можно будет видеть количество топлива потраченного в пути.
На третьей строке отображается мгновенный расход топлива – это скорость расходования топлива при текущем положении педали газа в текущем режиме работы двигателя. Т.е. количество топлива проходящее через инжектор за единицу времени, в пересчете к литрам в час. Сначала был сделан еще и прогресбар этой величины, (графическое отображение) но пришел к выводу, что это интересно только первые дни использования БК.
В дежурном режиме, и первые 10 секунд после старта на месте мгновенного расхода отображается напряжение бортсети автомобиля. Остальное время оно в общем не нужно, если не будет заряда при работе двигателя – загорится сигнальная лампа на приборной панели.
Длительным нажатием на кнопку, текущее значение параметра «F» принимается за 0% и запоминается. Параметр «F» – это усредненное значение времени на которое открывается форсунка за один цикл работы двигателя.
На четвертой строке отображается количество израсходованного топлива и параметр «dF».
Блок управления двигателем во время работы на основе сигнала с датчика кислорода (лямда-зонда) непрерывно корректирует время, в течении которого открыта форсунка. Параметр «dF» – это разница(разброс) между максимальным и минимальным значением времени на которое блок управления открывает форсунку в течении 10 циклов работы двигателя. Параметр «dF» отображается в микросекундах. Его увеличение говорит о разбалансировке системы например в следствии плохой свечи, или не качественной работе одного из клапанов.
При отображении всех величин, если это необходимо, автоматически передвигаются десятичные запятые, гасятся незначащие нули и отбрасываются не несущие информации младшие значащие цифры.
Кнопка активна только при включенном зажигании. Простое нажатие – сброс счетчика накопленного расхода топлива, сопровождается кратковременной надписью «Reset» в нижней строке индикатора. Длительное нажатие – запоминание значений оборотов и времени открытого состояния форсунки. Сопровождается надписью «Save» в третьей строке.
На основе показаний параметров «F» и «dF» можно судить о качестве работы различных систем (впускная, зажигания, питания) и датчиков (воздуха, положения дроссельной заслонки). Величины ухода параметров можно получить, если заранее сымитировать каждую из этих неисправностей.
Использование параметра «F»:
- На холостых оборотах прогретого двигателя блок управления подает через форсунки определенную порцию топлива в цилиндры (параметр «F»), длительным нажатием на кнопку принимаем величину этой порции за начальную точку отсчета – 0%.
- Теперь при последующей эксплуатации автомобиля, выведя двигатель на холостые обороты всегда можно будет увидеть на сколько изменилось это значение, по отношению к запомненному. Его увеличение означает, что для того же режима работы, двигателю требуется больше топлива, а значит времени для впрыска, например из-за засорения инжектора, или было заправлено не качественное топливо. Уменьшение будет наблюдаться наоборот, при заправке более качественным топливом, после чистки инжектора, или после правильных регулировок различных систем двигателя. А чтобы увидеть, что на эту величину повлияли изменившиеся холостые обороты – их отклонение в процентах так же отображается.
- Резко, до пола, нажать на одну секунду педаль газа и тут же отпустить. Число до которого увеличится параметр «F» – это «приемистость» двигателя. По сравнению с холостыми оборотами, объем топлива должен возрасти примерно в 3 раза, т.е. до 300%. Через короткое время после этого параметр «F» должен уменьшиться примерно до 100% – это работа экономайзера, который уменьшает подачу топлива. Для правильной работы экономайзера необходимо правильно выставленное начальное положение датчика дроссельной заслонки.
- Плавно нажать на педаль газа и придержать 3000 об/мин. Параметр «F» должен показать некоторое уменьшение объема топлива на один цикл, т.к. на таких оборотах возрастает КПД двигателя. В идеальном случае – 20%, т.е. на пятую часть меньше, по сравнению к объему топлива холостых оборотов.
Производительность форсунки двигателя GA16DE – 181-189cc, 185 см 3 /мин = 3.0833 мл/с = 11.1 л/час. Данные для других форсунок можно взять тут (47 kb).
Для использования БК с другими автомобилями нужно скорректировать исходник.
Файлы для MPLAB, прошивка, а так же исходники находятся в архиве – mplab.zip (26 kb).
Среду разработки MPLAB можно взять на сайте Microchip.
Программаторов для прошивки МК очень много, один из них, например, описан на моей страничке.
БОРТОВОЙ КОМПЬЮТЕР СВОИМИ РУКАМИ
Данный электронный блок, бортовым компьютером в прямом смысле слова не является. Это скорее контрольное устройство, следящее за состоянием различных датчиков и выдающее информацию соответственно ситуации. Устройство, фактически выполняет те же функции, что и бортовой компьютер, хоть и в более упрощённом виде. Работает бортовой компьютер так. Лампочки Н4-Н9 индицируют состояние дверей, капота и багажника. Если что-то открыто или неплотно закрыто, зажигается соответствующая лампа и горит даже если двигатель выключен. Если в этот момент включить зажигание, раздается предупредительный сигнал, который прозвучав три раза прекратится.
Дисплей самодельного бортового компьютера представляет собой прозрачное подсвеченное изображение автомобиля, на котором просверлены 9 отверстий, в которых установлены миниатюрные лампочки (светодиоды), красного цвета. Акустический сигнализатор расположен в любом удобном месте за дисплеем. Если авто стоит на ручном тормозе, и при этом включить зажигание, то зажигается лампочка НЗ и раздается двойной предупредительный сигнал, повторяющийся каждые несколько секунд, пока включено зажигание. Индикатор разгерметизации тормозной системы. При возникновении этой неисправности он горит, и постоянно звучит прерывистый звуковой сигнал. Н1 зажигается когда падает давление в смазочной системе двигателя авто при включенном зажигании. При этом раздается четырехкратный акустический сигнал, повторяющийся каждые 2 минуты.
Кроме датчиков тормозов «Т.Ц.» (тормоз центральный) и «Р.Т.» (ручной тормоз) используется еще и датчик недостаточного давления масла (клемма «М») без переделки. Датчики дверей «Д1-Д4», капота «К» и багажника «Б» установлены дополнительно. Это такие же микровыключатели как штатные выключатели внутрисалонного освещения, расположенные в проемах дверных дверей. Когда дверь закрыта и кнопка выключателя ею прижата, контакта нет. При открывании двери кнопка освобождается и замыкает проводник на массу. Такие датчики дополнительно установлены в проемах всех четырех дверей, а также у замка капота и на проеме крышки багажника (пятой двери).
Схема самодельного бортового компьютера, взятая из журнала радиоконструктор 2002, показана на рисунке ниже.
Тактовые импульсы частотой 32 Гц поступают на вход двоичного счетчика D2 от мультивибратора на элементах D1.2 и D1.2. Обнулением счетчика управляет «И-НЕ» D5.1. В момент включения питания зарядный ток С2 через R2 устанавливает счетчик в нуль. Включение питания происходит одновременно с включением зажигания. Во время включенного зажигания счетчик постоянно работает по кругу.
Есть три RS-триггера микросхемы D3. Первый триггер устанавливается в нуль в момент включения зажигания. На его выходе станет нуль, который там присутствует до тех пор пока счетчик D2 будет считать от нуля до трех полусекундных импульсов, имеющихся на его выходе «8». Если перед включением зажигания не будет закрыта одна дверь или несколько дверей, капот, багажник, то на точке соединения диодов VD10-VD15 и R8 возникает низкий логический уровень. На оба входа «2ИЛИ-НЕ» D4.1 поступают нули, и на выходе D4.1 будет единица. Это приводит к появлению нуля на выходе «4ИЛИ-НЕ» D6.1 и элемент D6.2 начинает пропускать импульсы с выхода «8» D2 с частотой 2 Гц, на вход запуска мультивибратора D5.2-D5.3, вырабатывающего импульсы частотой 1 кГц, которые, через VT1 поступают на излучатель В1.
Поэтому, если перед включением зажигания у машины было не все закрыто, то, кроме световой индикации на дисплее, раздается три предупредительных звуковых тональных сигнала. Второй триггер D3 работает с ручным тормозом. Если он поднят, клемма «Р.Т.» замыкается на массу. Зарядный ток С4 устанавливает на ноль счетчик D2 и триггер Т2. На выходе триггера Т2 возникает ноль, и так же, как и в случае с открытой дверью, включается звуковой сигнализатор. Спустя два звуковых импульса появляется логическая единица на выходе «32» счетчика D2. И это возвращает триггер Т2 в единичное состояние. Звуковой сигнализатор выключается. Однако, если замкнутое действие датчика ручного тормоза не прекращено, спустя четыре секунды на выходе «128» D3 появляется единица, которая, при помощи цепи C9-R14 создает положительный импульс, сбрасывающий триггер Т2. И двукратный звуковой сигнал повторяется снова. И так, каждые четыре секунды, пока рычаг ручного тормоза не будет опущен.
Так же работает устройство и при срабатывании датчика недостаточного давления масла. Но здесь участвует другой триггер ТЗ, звуковой сигнал четырехкратный, а повторяемость каждые 2 минуты. При нарушении герметичности тормозной системы или утечке тормозной жидкости замыкается на массу катод VD4. На выходе D1.4 возникает единица и прерывающийся звуковой сигнал звучит постоянно.
Экран дисплея выполнен из листа оргстекла, которое равномерно окрашено в темно-синий цвет, и на нем, по краске, выгравировано изображение автомобиля. Если подсвечивать дисплей зеленой лампой (Н10) изнутри, на темном фоне светится зеленое изображение автомобиля. В нужных местах дисплея просверлены отверстия, в которые туго вставлены автомобильные безцокольные сигнальные лампочки Н1-Н9 (или светодиоды), окрашенные красным цветом. Тон акустического сигнала устанавливается подбором резистора R4, а продолжительность звучания — R1. Данный бортовой компьютер работает без перебоев уже несколько лет.
Форум по обсуждению материала БОРТОВОЙ КОМПЬЮТЕР СВОИМИ РУКАМИ
Обзор электромагнитного пистолета из китайского набора для самостоятельной сборки.
Теория и практика применения суперконденсаторов в различных системах беспроводной связи IoT.
Что такое изолятор и чем он отличается от токопроводящего материала. Занимательная теория радиоэлектроники.
Самодельный функциональный генератор сигналов 0,1 Гц — 100 кГц на микросхеме ICL8038.
