Дистанционный извещатель предаварийного состояния автомобильного аккумулятора - удачный опыт аппаратной модернизации умной розетки. Делаем своими руками.

Водители-автомобилисты делятся на профессионалов и любителей. Как правило, каждый из них относится к своему «железному коню» с любовью. И предельно внимательно – к его техническому состоянию, иначе можно оказаться в положении, когда ты на дороге за городом совсем один, и мотор не заводится. Вот и я стараюсь своевременно проводить техническое обслуживание автомобиля, а поскольку по жизни связан ещё с электроникой, не прочь дооборудовать свою машину какой-нибудь электронной новинкой.
Например, год назад это был монитор автомобильного аккумулятора через Bluetooth – за собственные деньги.
Всем хорош оказался прибор. Сверхнизкий потребляемый ток – до 1 мА, во время стоянки или движения — вывод на смартфон по каналу блютуз текущего напряжения на клеммах аккумулятора, регистрация просадки напряжения во время включения стартера при заводке двигателя, уведомление о ненормальных параметрах аккумулятора. Соответствующие скриншоты представлены ниже.
Столь пристальное внимание, уделяемое автомобилистами аккумулятору, вполне объяснимо. При хорошем обслуживании аккумулятор может прослужить до 10 лет, а при небрежном к нему отношении уже через год-два эксплуатации может создавать трудности при запуске двигателя. На моей предыдущей до обновления машине аккумулятор через 7 лет эксплуатации оставался вполне работоспособным, но ушел к другому владельцу вместе с машиной при замене по трейд-ин программе.
Так вот, чтобы автомобиль был готов к использованию в любой необходимый момент времени, достаточно следить и не допускать уменьшения текущей остаточной емкости аккумулятора ниже уровня 50 % от номинальной. Такие сведения можно увидеть на представленной таблице.
Если автомобиль используют в городском цикле передвижения, бортовой генератор зарядного напряжения не может обеспечить достаточный подзаряд аккумулятора из-за частых остановок и связанных с ними повторными запусками двигателя, разряжающими аккумулятор. Только длительная в несколько часов безостановочная поездка со скоростью выше 70 км/час по загородному шоссе будет поддерживать необходимый уровень емкости аккумулятора. В противном случае требуется подзаряжать аккумулятор сетевым зарядным устройством при первой же возможности.
Такое чреватое нежелательными последствиями положение дел усугубляется в зимний период эксплуатации, когда автомобиль неделями и месяцами стоит без движения в гараже или на придомовой стоянке. Более того, мороз и низкая температура воздуха также отрицательно влияют на химические процессы в аккумуляторе, ограничивая нормальный набор емкости при зарядке. Прошедшей зимой я вынужден был примерно один раз в две недели на городском транспорте добираться до гаража, расположенного в 5-ти километрах от дома, и несколько часов в холодном помещении заряжать аккумулятор сетевым двухрежимным зарядным устройством. Сначала в первом режиме постоянным зарядным током 3 А увеличиваю напряжение на клеммах аккумулятора до значения 14,6 В, а затем во втором режиме при таком постоянном напряжении контролирую снижение зарядного тока до 0,5 А. На этом сеанс зарядки завершается.
Поскольку к гаражу подведена постоянная сеть электроснабжения, в этом году я решил в некоторой степени автоматизировать процесс зарядки, для чего приобрел умную GSM розетку SimPal-T4, показанную на рисунке.
О подобных изделиях на сайте MUSKY рассказывают пользователи уже примерно 10 лет, и число публикаций примерно такое же. По своему основному предназначению умные розетки используют на даче и в загородных жилищах, дистанционно подключая к электросети осветительные, нагревательные приборы и поливочные станции водоснабжения. Общее впечатление от эксплуатации умных розеток у их владельцев сложилось положительное, поскольку эти приборы оказались достаточно надежны и удобны.
Однако, хотя розетки называются умными, моя задача для них оказалась не из тривиальных. Напомним, это обеспечить неснижаемую емкость аккумулятора при стоянке не менее 50 % от номинальной, что позволит в любой момент завести автомобиль и беспрепятственно выехать по неотложным делам, избегая, так сказать, предаварийного состояния аккумулятора.
При покупке умной розетки я рассуждал следующим образом. Требуется обеспечить остаточное напряжение на клеммах аккумулятора более 12,5 В. Монитор автомобильного аккумулятора при запросе сообщает требуемую информацию размещенному в автомобиле дополнительному блютуз приемнику, который её передаст на GSM модуль, а тот, в свою очередь, через интернет отправит мне СМС сообщение на смартфон. Я лежу на диване в 5-ти км от места действия, получаю тревожное сообщение, дистанционно включаю зарядное устройство, которое начинает заряд аккумулятора. Напряжение на клеммах аккумулятора быстро возрастает от 12,5 до 14,5 В, зарядный ток медленно снижается от 3 до 0,5 А. По прошествии заданного отрезка времени зарядное устройство отключается и переходит в дежурный режим, а я продолжаю пить чай.
Но реальная ситуация оказалась намного сложнее. Во-первых, кто на гараже включит блютуз приемник и активирует монитор аккумулятора? Во-вторых, сможет ли блютуз приемник «переварить» полученную цифровую информацию о напряжении и подкинуть её в доступном для понимания виде на GSM модуль? В-третьих, мой смартфон должен будет хотя бы отобразить полученную информацию о напряжении аккумулятора и при 12,5 В сформировать сигнал предаварийного состояния. Нет, решил я, такой путь программной модернизации розетки потребует перепрограммирования микроконтроллеров и на передающей, и на приемной стороне, что при моих познаниях и опыте в написании программ явно затруднителен для успешного решения задачи.
В результате я решил подойти к задаче с другой стороны, с аппаратной. Ведь умная розетка использует термодатчик для измерения температуры воздуха, а значит существует некоторая зависимость между температурой и вырабатываемым датчиком напряжением. Поэтому достаточно напряжение аккумулятора преобразовать к тем же значениям, которые вырабатывает термодатчик, и заменить температуру воздуха искомым напряжением аккумулятора. Но более подробное изучение функционирования термодатчика потребовало ознакомления со структурной схемой термодатчика, которая оказалась намного сложней, чем предполагалось ранее.
Оказывается, в умной розетке для контроля температуры воздуха таки встроен простой терморезистор с двумя выводами, и схематично он показан в верхнем правом углу рисунка. Но это лишь мелкая составная часть более сложного цифрового устройства — термодатчика, управляемого «мастером» из умной розетки по протоколу 1-Wire. Внешний вид термодатчика, использующего для связи штекерный разъем Jack-3,5 мм, иллюстрирует рисунок.
А поможет мне в аппаратной модернизации розетки, решил я,пороговое устройство КР1171СП64, формирующее предупреждающий сигнал о недопустимом снижении контролируемого напряжения.
Разумеется, сформировать сигнал – это всего лишь полдела, его необходимо ещё передать в умную розетку. Для этого было использовано реле РЭС55А с показанными ниже установочными и габаритными размерами, а также условным графическим обозначением и назначением выводов.
При проектировании устройства следует использовать электрические и обмоточные данные, соответствующие примененной модификации (паспорту) реле РС4.569.604.
Вот теперь можно приступать к проектированию требуемого устройства. Напомним, суть задачи состоит в том, чтобы заставить умную розетку при уменьшении напряжения аккумулятора ниже заданного значения 12,5 В сформировать соответствующее сообщение мне на смартфон. Пусть даже не в автоматическом режиме, а по отдельному запросу. И поможет нам в этом микроконтроллер умной розетки, которой практически к любому сообщению прикладывает сведения о температуре воздуха в месте наблюдения, как это показано на скриншоте смартфона по тексту получаемых СМС.
Всего лишь достаточно разорвать связь микроконтроллера с термодатчиком, и вместо численных показателей температуры появляются прочерки следующего вида: -С Р. Т.е. когда напряжение аккумулятора превышало 12,5 В, в тексте, как показано в верхней строке, присутствовала температура 6С (шесть градусов Цельсия со знаком плюс Р). А вот когда напряжение снизилось менее заданного значения, в сообщениях вместо температуры пошли сплошные прочерки, и так до тех пор, пока напряжение не возрастет выше 14,5 В. Принципиальная схема устройства, реализующего заданный алгоритм функционирования, приведена ниже.
Здесь термодатчик устанавливают в разъём Х1, а разъём Х2 подключают к умной розетке. При нормальном напряжении аккумулятора выше 12,5 В резисторы R1, R2 образуют делитель, уменьшающий исходные 12,5 В примерно до 6,4 В на входе DA1. Транзистор VT1 закрыт, реле обесточены. Нормально замкнутая группа контактов реле удерживает подключение термодатчика к розетке, температура воздуха измеряется и доводится до микроконтроллера, который учитывает получаемые сведения при формировании сообщений СМС. При переходе через порог 6,4 В срабатывает сигнализатор, на выводе 3 DA1 появляется нулевой потенциал, открывается эмиттерный переход транзистора и коллекторный ток, протекая через последовательно соединенные обмотки реле, вызывает размыкание нормально замкнутых контактов. Резистор R3 ограничивает базовый ток транзистора, свечение светодиода HL1 указывает на произошедшее срабатывание реле. Резистор R4 ограничивает ток в обмотках реле. Цепь подключения термодатчика разрывается, процесс измерения температуры прекращается и соответствующие сведения в текст СМС не включаются.
Что ещё необходимо отметить, так это отсутствие гистерезиса при переключении реле, что связано с разительным (почти на порядок) отличием напряжения срабатывания реле 2,5 В от напряжения отпускания 0,3 В. В результате характеристика переключения реле приобретает вид, показанный на рисунке.
Если бы гистерезис отсутствовал, а переключение реле происходило бы лишь при напряжении 12,5 В как при его уменьшении, так и при увеличении, в этом случае на пороге срабатывания наблюдался бы дребезг реле, что приводило бы к невозможности нормального функционирования устройства.
В нашем случае при указанных на схеме параметрах элементов работа проходит безукоризненно. Для исключения отрицательного воздействия на работу устройства электрических помех, наведенных на длинных (около 3 м) проводниках, присоединенных к клеммам аккумулятора, каждый из них выполнен экранированным проводом, оплетка которого соединена с общим заземлением GND, как и штекер Х2.
Моделирование печатной платы устройства выполнено с помощью широко известной компьютерной программы Sprint Layout 6.0. Причем реле с гасящими самоиндукцию в обмотках диодами Д223 применены как готовый отдельный фрагмент печатной платы из-под списанных приборов, к которому пристыкована плата с остальными элементами. Чертеж платы представлен ниже в двух вариантах: в крупном масштабе как монтажная схема с размещенными на ней элементами, и рядом – фотошаблон в натуральную величину (ширина – 19 мм, высота – 20 мм) для изготовления печатной платы.
И на завершение показа — общий вид (фото) смонтированного устройства со снятой верхней крышкой.
Корпус устройства изготовлен из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм методом пайки по всему периметру прямоугольных стыков боковых поверхностей с дном и крышкой. Габаритные размеры корпуса без учета выступающего штекера Х2 составляют примерно 77х33х22 мм