XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка и использование универсального электронного устройства, созданного на платформе Arduino
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В ходе эксплуатации мотоцикла модели ИЖ-Юпитер возникла необходимость унифицировать электронные устройства и системы с целью их использования на других машинах и механизмах. Проведённое исследование мотоцикла модели ИЖ Юпитер показало, что в ходе эксплуатации возникает необходимость определения температуры цилиндров, напряжения в сети мотоцикла и количества оборотов коленчатого вала. Данные проблемы может решить универсальное умное устройство на базе микроконтроллера Arduino. Целью данной научно-исследовательской работы является создание универсального умного устройства, облегчающего внедрение электроники и использование её в практике. В качестве микроконтроллера использована Arduino Pro Mini, т.к. она не содержит в себе лишних компонентов (микросхем), оптимальна в использовании и имеет малые размеры. В качестве дисплеев для отображения информации выбраны индикатор TM1637 и дисплей LCD1602. Они имеют подходящие размеры, удобны в чтении информации и имеют невысокую стоимость. Для измерения температуры использованы термопары с преобразователями MAX6675. Разработанная универсальное электронное устройство полностью решает проблемы с определением температуры цилиндров двигателя и напряжения в сети мотоцикла; на дисплее отображаются: температура цилиндров, напряжение в сети мотоцикла, присутствуют указатели поворота со звуковой индикацией, предупреждения. Кроме того, при определённых действиях электронное устройство выводит на дисплее мотоцикла версию установленной программы, моточасы, время текущей поездки, количество оставшейся оперативной памяти, и температуру процессора, имеет меню настроек. Данная работа представляет интерес для изобретателей, людей, интересующихся созданием электронных устройств. Созданная автором программа электронного устройства универсальна и оптимизируется под нужды пользователей.
Введение
С каждым годом мотоциклы становятся всё популярнее, так как на таком транспорте удобнее передвигаться по городу, он экономичнее. Для максимального комфорта при эксплуатации мотоциклов советского производства и безопасной езды возникла необходимость создания системы электронных устройств на базе микроконтроллера Arduino, облегчающих эксплуатацию таких мотоциклов. В процессе эксплуатации мотоцикла ИЖ-Юпитер, возникла идея адаптировать созданное раннее электронное устройство на другие машины и механизмы, разработав универсальное электронное устройство.
Проблема. При эксплуатации мотоциклов советского производства возникают проблемы с измерением температуры двигателя, определением оборотов коленчатого вала, настройкой системы зажигания, что создаёт большую опасность во время их движения на дорогах и отсутствие комфортной езды. Учитывая востребованность данного вида транспорта в настоящее время, вопросы безопасности движения мотоциклов на дорогах и их комфортной эксплуатации становятся очень важными. Данные проблемы может решить универсальное умное электронное устройство на базе микроконтроллера Arduino. Кроме того, данная универсальное электронное устройство может быть использовано в различных сферах деятельности человека для облегчения его труда. Этим же можно объяснить и актуальность данной темы.Внедрение универсального электронного устройства в практику облегчит разработку умных электронных устройств и уменьшит время их создания - гипотеза.
Цель. Создать универсальное электронное устройство, облегчающее его внедрение и использование в практике.
Задачи.
Сбор информации.
Разработка программы для обеспечения работы датчиков.
Разработка электрической схемы.
Разработка печатной платы (трассировка и компоновка).
Разработка чертежей универсальных экранированных ящиков.
Сборка всех компонентов электронного устройства и проверка его работоспособности.
Основные этапы работы
Подготовительный этап (поисково-исследовательский)
Работа с информацией, изучение научной литературы по данной теме (библиотека, интернет)
Разработка схемы проекта
Основной этап (практический)
Разработка программы
Составление чертежей, схем
Разработка печатной платы
Сборка готовой электрической схемы
Дефектовка, устранение неисправностей
Заключительный этап
Подготовка продукта проекта
Результат работы.
Глава 1. Подготовительный этап (поисково-исследовательский)
В ходе эксплуатации мотоцикла модели ИЖ-Юпитер возникла необходимость создания универсального умного устройства, облегчающего внедрение электроники в практику и использования данного устройства на других машинах и механизмах. В качестве микроконтроллера использована Arduino Pro Mini (Приложение 1), т.к. она не содержит в себе лишних компонентов (микросхем), оптимальна в использовании и имеет малые размеры. Также она содержит эффективный линейный стабилизатор Mic-5205 (5В), отличающийся ультранизким шумом на выходе. Таким образом, чем чище напряжение питания, тем точнее происходят аналоговые преобразования и
стабильнее работает микроконтроллер. В качестве дисплеев для отображения информации выбраны индикатор TM1637 и дисплей LCD1602. Они имеют подходящие размеры, удобны в чтении информации и имеют невысокую стоимость. Для измерения температуры использованы термопары с преобразователями MAX6675.
Проведено исследование мотоцикла модели ИЖ-Юпитер в части эксплуатации, вождения и технического обслуживания. В ходе практических испытаний выяснилось, что возникает необходимость определения температуры цилиндров, напряжения в сети мотоцикла и количества оборотов коленчатого вала. Считаю, что данные проблемы может решить универсальное умное устройство на базе микроконтроллера Arduino.
Рис. 1 Рис. 2
Глава 2. Основной этап (практический)
Разработка программного обеспечения электронного устройства.
Программа создавалось мною в среде разработки Arduino IDE. Она состоит из 11 библиотек (подпрограмм) и 850 строк кода. На протяжении всего периода работы над электронным устройством программа постоянно модернизировалась и корректировалась. У данного программного обеспечения есть страница на github.com, на которой находятся файлы и краткое описание проекта (Приложение 3). Также для удобства я написал две библиотеки (Приложение 3).
Для компоновки всех микросхем и радиоэлементов я разработал и заказал печатную плату.
Правила проектирования печатных плат
Разработка печатной платыначалась с правил проектирования печатных плат. [6] Основные правила:
Ширина проводников.
Она должна быть рассчитана в соответствии с величиной тока, протекающего по проводнику. Существует калькулятор ширины проводника на плате.[7] Если не соблюдать правила ширины проводников, то возникнут проблемы:
Нагрев проводника (чем больше сопротивление, тем больше он нагреется);
Падение напряжения на проводнике;
Паразитная индуктивность (чем тоньше проводник, тем больше его индуктивность).
Слишком высокая индуктивность ведёт к ряду проблем, например:
Несоответствие сигналов на линиях с разной длиной (индуктивностью, ёмкостью и сопротивлением): Рис. 3
Хотя электрический ток в проводнике распространяется со скоростью света, на больших частотах (более 10 МГц) индуктивность может помешать соответствию сигналов на разных дорожках (чем больше частота сигналов, тем меньше длина такта). Это станет причиной неисправности схемы.
Цепи питания.
Основное правило при проектировании цепей питания – соблюдать ширину проводников. Чем она больше, тем лучше (всё же необходимо проверять себя с помощью калькулятора.[7]).
Земля.
Плохая трассировка земли может привести к нестабильной работе устройства из-за помех, а также нагреву проводников. Необходимо «заливать» плату земляным полигоном, т.е. делать сплошной слой земли на обеих сторонах платы. Это сильно уменьшит помехи на плате и облегчит трассировку земли.
Ширина зазора.
Необходимо делать достаточный зазор (минимум 0.15мм) между проводниками платы. Несоблюдение этого правила может привести к короткому замыканию или электрическому пробою при работе с высокими напряжениями.
Переходные отверстия.
Необходимо минимизировать количество переходных отверстий (via).
Плохо Рис. 4 2) Хорошо Рис. 5
Разделение земли.[8]
Рис. 6
Необходимо разделять цифровую и аналоговую земли и соединять их в низкоимпедансном месте (где входит общая земля). Это поможет избежать помехи, наведённые от цифровой части схемы на аналоговую, и сделает аналоговые измерения более точными. Следует проявлять особую осторожность в случае, если проводники аналоговых и цифровых сигналов проходят параллельно на длинном участке платы. В таких случаях следует разносить дорожки максимально далеко. Рекомендуется располагать чувствительные аналоговые схемы на максимальном удалении от цепей тактирования и мощных импульсных схем, например, источников питания.
Второй путь проникновения цифрового шума в аналоговую часть схемы определяется индуктивной связью по цепи питания. Данная проблема демонстрируется на рис. 7. Если цифровая и аналоговая части схемы имеют общий путь протекания возвратного тока источника питания, то из-за наличия паразитного сопротивления и индуктивности проводников цифровой импульсный шум будет воздействовать на аналоговую часть схемы. Для решения проблемы необходимо разделять пути протекания возвратных токов для аналоговых и цифровых доменов, если это возможно. Рис. 7
Физическое разделение земли не применено в проектировании моей платы. Это не имеет смысла по нескольким причинам: 1). На основной плате (Arduino Pro Mini) отсутствует разделение земли и необходимая обвязка аналогового питания для микроконтроллера (ATmega328p). 2). Сложность проектирования аналогового земляного полигона из-за близкого расположения аналоговых и цифровых пинов на управляющей плате.
Хотя в документации (datasheet) процессора ATmega328p есть отдельный пункт, объясняющий правильное проектирование аналоговой части.
Для аналоговых измерений в процессоре ATmega328p существует отдельный контакт питания AVCC.
Рис. 8
Он подсоединяется к основному питанию через индуктивность 10 μH, а также параллельно контакту присоединён керамический конденсатор 100 нФ. Контакт процессора GND подсоединён к аналоговой земле AGND.
Разработка схемы и платы.
Как говорилось ранее, в качестве обрабатывающего устройства выбран микроконтроллер Arduino Pro Mini. Он имеет малые размеры (33.4мм в длину и 18.2 мм в ширину). Размер являлся одним из основных критериев выбора микроконтроллера. Существуют более маленькие микроконтроллеры, но у них либо недостаточный функционал, либо низкая распространённость. Также можно разработать плату, на которую напаивается сам процессор, но при этом теряется модульность, универсальность, а также взаимозаменяемость деталей проекта. Для меня это важные критерии, поэтому разработана плата, предусматривающая модульность компонентов.
Проектирование схемы печатной платы.
Проектирование цепи питания (Power circuit).
Рис. 9
Цепь питания является одной из наиболее важных составляющих для правильного функционирования всех систем. На схеме цепь питания названа Power circuit. В качестве линейного стабилизатора 5 вольт использована схема 7805 (КЗ142ЕН5А). Для датчиков, работающих от 3.3 вольт, предусмотрено использование линейного стабилизатора LD1117-3.3 с низким падением напряжения. На входе питания (RAW на схеме) установлен супрессор 1.5 KE12CA (защитный диод) на 12 вольт. Он фильтрует помехи и выбросы питания напряжением больше 12 вольт. Далее установлен диод Шоттки 1N5822 (быстрый диод с малым падением напряжения) для предотвращения утечки тока, дроссель (индуктивность) на 82 мГн. Она вместе с керамическим конденсатором 1 мкФ является фильтром высокочастотных помех. Далее находится электролитический конденсатор ёмкостью 1500 мкФ, он служит фильтром низкочастотных помех. В конце находится стабилитрон 1N5347B для окончательной фильтрации всплесков напряжений выше 10 вольт. Номиналы диодов могут меняться в зависимости от напряжения питания схемы. Данная сборка рассчитана на напряжение до 10 вольт.
Рис. 9
Проектирование цифровой части схемы (Digital unit).
Поскольку на входы микроконтроллера можно подавать напряжение меньшее напряжения его питания (максимум 5.5 вольт), применены резисторные делители напряжения. Также предусмотрены керамические конденсаторы на 0.1 мкФ для фильтрации сигнала от помех.
Проектирование части с модулями термопар (Thermocouple unit).
Эта часть схемы предусматривает трассировку дорожек до нужных пинов микроконтроллера. Модули термопар включают чип MAX6675, который преобразует ЭДС, создаваемую холодным спаем в термопарах (эффект Зеебека. Приложение 2) и взаимодействует с мастер-устройством по интерфейсу SPI (Serial Peripheral Interface).
Проектирование аналоговой части схемы (Analog unit).
В аналоговой части схемы, как и в цифровой, предусмотрены делители напряжения. Для всех выводов микроконтроллера предусмотрены керамические конденсаторы ёмкостью 0.1 мкФ в корпусе 0805.
Проектирование печатной платы.
Основной задачей при проектировании печатной платы является правильное и плотное размещение её компонентов и минимизация длин дорожек – соответствие ЭМС (электромагнитная совместимость). Проводники аналоговых и цифровых цепей не должны идти вдоль друг друга, также нежелательно их пересечение.
Хотя в моей плате не применено физическое разделение аналоговой и цифровой земли, они разделены виртуально (см. рис. 10, пунктиром в середине обозначена аналоговая часть, в верхнем правом углу – схема питания, остальное – цифровая часть), цифровые и аналоговые компоненты располагаются в соответствующих виртуальных областях. Правильное виртуальное размещение даст лучший результат, чем при использовании физического разделения цифровой и аналоговой земли. Важность разделения заключается в том, что возвратные токи, паразитные индуктивности и ёмкости могут влиять на высокочувствительные аналоговые микросхемы.[8] Правильно: Рис. 10
Для удобного присоединения проводов в каждой части схемы находятся клеммники с шагом 2.54 мм. Чтобы знать, находится ли плата под напряжением, предусмотрен светодиод, подключенный к дорожке через резистор 220 Ом. Силовые дорожки (следуя пункту 2) проведены шиной, ширина которой 1.5 мм. Ширина остальных дорожек 0.45 мм. Повороты всех дорожек имеют угол 45 градусов, они также скруглены. Это необходимо, чтобы они не создавали петель и имели одинаковую площадь сечения на всей длине.
Рис. 11
Рис. 12
Рис. 13
Рис. 14
Монтаж и пайка радиоэлементов.
Рис. 15
Рис.16
Рис.17
Рис.18
Разработка и создание экранированных ящиков.
Во время работы микроконтроллера Arduino и любой другой электроники в условиях с высокими электромагнитными помехами возможно их произвольное выключение, некорректное выполнение команд, может стираться память.
Основным методом обеспечения электромагнитной совместимости в части устойчивости к воздействию электромагнитным полем является электромагнитное экранирование. Правильный выбор метода экранирования, материала экрана и его конструкции очень важны именно на начальном этапе проектирования, поскольку от этого зависит качество работы оборудования.
Рассмотрим взаимодействие электромагнитной волны с экраном и определение коэффициента экранирования. В общем случае коэффициент экранирования Кэ – это отношение интенсивности электромагнитного поля, измеренного до установки непрерывного бесконечного экрана и после его установки. Рис. 19
От каждой границы раздела сред происходит отражение электромагнитной волны, а в толще материала происходит поглощение. На высоких частотах коэффициент экранирования определяется в основном коэффициентом отражения Е5, который для электромагнитного поля близок к ста процентам и растет с повышением частоты и проводимости материала. Коэффициент отражения связан с генерацией в тонком приповерхностном слое токов той же частоты, что и воздействующее поле и, следовательно, генерацией поля противоположной направленности. Поглощение Е3 – связанно со скин эффектом - протеканием токов высокой частоты в тонком приповерхностном слое проводника. Таким образом, для эффективного экранирования высокочастотных полей достаточно иметь тонкий экран из материала с высокой проводимостью и низкой магнитной проницаемостью.
Напротив, для экранирования постоянных магнитных полей и низкочастотных электромагнитных полей, где преобладает магнитная составляющая, необходимы материалы с высокой магнитной проницаемостью.
На рис. 20 показаны материалы для экранирования постоянных магнитных полей и высокочастотных магнитных полей.
Рис. 21
Для получения экрана с высоким коэффициентом экранирования необходимо изготовить замкнутый электрически герметичный куб. На практике это достаточно сложно, т.к. необходимы отверстия для ввода кабелей, вентиляции.
Необходимо избегать больших отверстий и щелей в корпусе. Несколько маленьких отверстий лучше, чем одно большое.
Разработка экранированных ящиков начинается с чертежа (рис. 22). Чертёж выполнен для изготовления развёртки из листового металла. Размеры ящика оптимальны для удобного размещения в нём всех компонентов. На дно крепится плата болтами М4, в нижней части коробки находится разъём питания 2.1мм, в верхнем правом углу находится энкодер, слева – отверстие для ввода кабелей. Вырезы в плате помогают уменьшить размер экранированного ящика. Для экранирования магнитных полей разных частот применяется комбинированные материалы. Для экранирования низкочастотных и постоянных магнитных полей корпус коробки сделан из листового металла – магнитомягкого, техническичистого железа, а для экранирования высокочастотных магнитных полей ящик обклеен алюминиевой фольгой.
Рис. 22
Для придания эстетичного вида коробка была зашпатлёвана, очищена, загрунтована и окрашена в чёрный цвет.
Рис. 23 Рис. 24
Рис. 25 Рис. 26
Рис.27 Рис. 28
Рис. 29 Рис. 30
Монтаж платы в экранированный ящик и коммутация проводов.
Монтаж проводов сильно облегчён, благодаря предусмотренным на плате клеммникам. Провода скручены в косы с разным шагом. Это снижает электромагнитные помехи.
Рис. 31
Рис. 32
Рис. 33
Глава 3. Заключительный этап
Применение системы на мотоцикле ИЖ Юпитер 3-02
Рис. 34 Рис. 35
Рис. 36 Рис. 37
Универсальное электронное устройство, установленное на мотоцикл ИЖ Юпитер 3-02, значительно облегчает его эксплуатацию и имеет новые практические возможности.
Возможности универсального электронного устройства:
1). На дисплее отображаются показания температуры цилиндров, напряжение в сети мотоцикла, на индикаторе – количество оборотов коленчатого вала. (Рис. 34)
2). В правом верхнем углу выводятся предупреждения: высокое/низкое напряжение в сети, перегрев цилиндров. (Рис. 34)
3). Повторители указателей поворота отображаются на дисплее в виде стрелок, а также загорается светодиод и, если включить опцию в настройках, звучит звуковой индикатор.
4). При нажатии на кнопку на индикаторе высвечивается версия установленной программы, а на дисплее время текущей поездки. (Рис. 35)
5). При двойном нажатии на кнопку на индикаторе отображается количество оставшейся оперативной памяти, на дисплее – моточасы и температура процессора. (Рис. 36)
6). Электронное устройствоа имеет ряд настроек:
- при долгом нажатии на кнопку на индикаторе отображается “tune” и открывается меню настроек; (Рис. 37)
- первый пункт – яркость индикатора TM1637 от 0 до 7;
- второй – настройка минимального напряжения;
- третий – настройка максимального напряжения;
- четвёртый – включение пищалки;
- пятый изменяет яркость светодиода;
- шестой обнуляет счётчик моточасов;
- седьмой – параметр максимальной температуры цилиндров;
- восьмой – тест пьезоэлемента.
Все настройки, в том числе и моточасы, сохраняют свои значения после отключения питания, благодаря встроенной энергонезависимой памяти EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) – электрически стираемого программируемого ПЗУ.
Настройка минимального напряжения необходима для корректного отображения предупреждений и корректной записи в EEPROM. Настройка максимального напряжения - для корректного отображения предупреждений.
Данное электронное устройство можно установить практически на любой мотоцикл. На мотоцикле ИЖ 56 данная система идентична системе, установленной на Юпитер 3-02 и имеет такие же функции.
Применение электронного устройства в быту.
Данное электронное устройство также можно применить в домашних условиях. Например, можно скомплектовать его так, чтобы оно могло измерять температуру окружающего воздуха, атмосферное давление. Также измерять высокие температуры, например, осуществлять контроль температур плиты или пламени.
Итак, данное электронное устройство является универсальным и имеет следующие возможности использования его в быту (Рис. 38, 39):
Измерение высоких температур до 800 °C с помощью термопары;
Измерение атмосферного давления и температуры окружающего воздуха;
Таймер обратного отсчёта со звуковой индикацией;
Измерение напряжения питания;
Измерение источников напряжения (по желанию).
Меню настроек:
Изменение единиц измерения давления (Паскали по умолчанию, можно переключить в мм.рт.ст.);
Установка минимального напряжения;
Установка максимального напряжения;
Рис. 38 Рис. 39
Вывод
Созданное на мотоцикле советского производства модели ИЖ-Юпитер-3-02 универсальное электронное устройство на основе микроконтроллера Arduino с печатной платой является актуальным и востребованным. Оно полностью решает проблемы с определением температуры цилиндров двигателя и напряжением в сети мотоцикла; на дисплее отображаются: температура цилиндров, напряжение в сети мотоцикла, присутствуют указатели поворота со звуковой индикацией, предупреждения о высоком/низком напряжении в сети, перегреве цилиндров. Кроме того, при определённых действиях электронное устройство выводит на дисплее версию установленной программы, моточасы, время текущей поездки, количество оставшейся оперативной памяти микроконтроллера и температуру процессора, имеет меню настроек.
Таким образом, в результате реализации научно-исследовательской работы «Разработка и использование универсального электронного устройства, созданного на платформе Arduino» и решения обозначенных задач, достигнута цель проекта, создан продукт – универсальное электронное устройство (комплект микроэлектроники), готовый к эксплуатации. Внедрение электронного устройства облегчит разработку подобных умных устройств, уменьшит время их создания, что позволит активно использовать их в практике.
Литература
Г. С. Микрюков, Л. С. Лаговский, В. З. Сунцов. Ижевские мотоциклы, изд.2 – Ижевск, 1981.
https://alexgyver.ru
http://www.test-expert.ru/news/detail.php?ID=915
https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
http://imlab.narod.ru/M_Fields/Magn_Gen/Magn_Gen.htm
https://habr.com/ru/post/414141/
https://radioprog.ru/calculator/1
https://www.terraelectronica.ru/news/5612
http://caxapa.ru/lib/emc_immunity.html
https://www.ct-electronics.ru/post/konstruirovaniye-vysokochastotnykh-pechatnykh-plat
Приложение 1
Arduino - торговая марка аппаратно-программных средств для построения и прототипирования простых систем, моделей и экспериментов в области электроники, автоматики, автоматизации процессов робототехники[3].
Приложение 2
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах.
Приложение 3
Страница на GitHub со всеми версиями программы: https://github.com/alexkor433/On-board-computer
Библиотеки:
https://github.com/alexkor433/CPUTemperature
https://github.com/alexkor433/GetVolt