Маршрутный компьютер для электровелосипеда

Предлагается маршрутный компьютер на микроконтроллере PIC16F876A с внешним датчиком тока, пред­назначенный для электровелосипеда. На своём дисплее он ото­бражает как параметры движения, так и напряжение аккумуля­торной батареи, потребляемые от неё ток, мощность и расход электроэнергии. Устройство выполнено на доступной элемент­ной базе и несложно в повторении.

Для контроля режима работы элект­ровелосипедов используют раз­личные измерительные приборы. Электрические параметры измеряют анализаторами мощности [1, 2], пара­метры движения контролируют различ­ными электронными велокомпьютера­ми [3] и даже механическими спидо­метрами [4]. Существуют даже специ­альные дисплеи для электровелосипе­дов [5], показывающие все необходи­мые параметры, но имеющие высокую стоимость.

Исходя из этого, я разработал марш­рутный компьютер для электровелосипеда на микроконтроллере PIC16F876A с внешним датчиком тока.

Основные технические характеристики

• Скорость, км/ч …….. 0…99 (0,5)
• Средняя скорость, км/ч …….. 0…99 (0,1)
• Полный пробег, км…….. 0…9999,9 (0,1)
• Дневной пробег, км…….. 0…99,9 (0,1)
• Затраченная электроэнер­гия, Втч …….. 0…99999(1)
• Удельные затраты электро­энергии, Вт ч/км …….. 0…99999 (0,1)
• Заряженность аккумулятор­ной батареи, % …….. 0…100 (10)
• Напряжение аккумуляторной батареи, В        25…75 (0,1)
• Ток нагрузки, А …….. 0…20 (0,1)
• Мощность нагрузки, Вт …….. 0… 10465 (1)

В скобках указана дискретность ото­бражения соответствующего парамет­ра. Текущее время маршрутный компью­тер показывает с дискретностью 1 мин.

Схема маршрутного компьютера по­казана на рис. 1. Микроконтроллер DD2 (PIC16F876A-I/P) работает от генерато­ра, стабилизированного кварцевым ре­зонатором ZQ2 частотой 8 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъём ХР1. Я подключал к нему программатор PICkit2. Программа микроконтроллера была разработана в графической среде Flowcode [6].

Измерения напряжения и тока произ­водят с помощью внутреннего 10-раз- рядного АЦП микроконтроллера. При измерении напряжения сигнал с дели­теля напряжения R5R9R12 поступает на аналоговый вход ANO (RA0) микроконт­роллера.

При измерении тока падение напря­жения на датчике тока усиливает операционный усилитель ОРА241 (DA1). С выхода ОУ усиленный сигнал приходит на аналоговый вход AN1 (RA1) микро­контроллера. Коэффициент усиления устанавливают подстроечным резисто­ром R13 в цепи обратной связи ОУ. Вмес­то ОРА241 может быть применён прак­тически любой одинарный rail-to-rail ОУ в корпусе SO-8, например, ОРА340 или TS507. Мощность и расход электроэнер­гии программа вычисляет исходя из из­меренных значений тока и напряжения.

В качестве выносного датчика тока использован стандартный измеритель­ный шунт 75ШИСВ.2-0.5-15 с падением напряжения 75 мВ при токе 15 А. В ка­честве замены можно использовать любой стандартный шунт с сопротивле­нием 5…10 мОм или аналогичный самодельный [7].

Питается маршрутный компьютер от линейного стабилизатора напряжения, образованного регулирующим транзис­тором VT1 и микросхемой TL431ID (DA2). В цепи питания установлена цепь VD1R10C6C7, снижающая помехи, соз­даваемые работающим электродвига­телем. Резисторы R16 и R17 обеспечи­вают равномерное распределение на­пряжения между конденсаторами С6 и С7. Максимальное допустимое входное напряжение (напряжение аккумулятор­ной батареи) зависит от допустимого напряжения коллектор-эмиттер тран­зистора VT1, его допустимой рассеи­ваемой мощности, качества теплоотво­да и мощности, выделяющейся на ре­зисторах R19-R22. При указанных на схеме элементах стабилизатора напря­жение аккумуляторной батареи не должно превышать 75 В. Однако на индикатор прибор способен вывести значения до 102,3 В.

Маршрутный компьютер выполнен на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж печатных проводников платы и расположение элементов на ней приве­дены на рис. 2 и рис. 3. На рис. 4 по­казан его внешний вид.

С лицевой стороны платы установле­ны микроконтроллер PIC16F876A, квар­цевый резонатор ZQ2, микросхема часов реального времени DS1307, под­строенные резисторы, транзистор VT1, разъём ХР1 (угловая штыревая колодка PLS-5R) и колодка PLS-14 для под­ключения индикатора HG1. В монтаж­ные отверстия индикатора HG1 впаи­вают ответную часть разъёма — гнездо­вую колодку PBS-14. Литиевый элемент питания G1 CR2032 напряжением 3 В установлен в держатель ВН-642. Все остальные элементы монтируют со сто­роны печатных проводников.

Кварцевый резонатор ZQ1 (32768 Гц) цилиндрической формы впаивают в отверстия со стороны печатных про­водников рядом с выводами 1 и 2 мик­росхемы DD1. Верхнюю часть его кор­пуса припаивают к соединённому с общим проводом участку фольги. Плату маршрутного компьютера крепят к плате ЖКИ на двух металлических стойках высотой 10… 12 мм с помощью винтов М3.

Применены резисторы и конденса­торы типоразмера 1206 для поверх­ностного монтажа. Конденсаторы С6 и С7 — оксидные танталовые для поверх­ностного монтажа в корпусе типораз­мера Е. Заменить их можно другими конденсаторами такого же размера ёмкостью 6,8…22 мкФ на напряжение 35 В. Остальные конденсаторы — кера­мические типоразмера 1206 или 0805.

Заменой n-p-n транзистора BD139 в стабилизаторе напряжения может слу­жить другой транзистор той же структу­ры в корпусе ТО-126 с допустимым напряжением коллектор—эмиттер более 80 В, например, BD179, MJE182, 2N5192, BF469, КТ817Г. Под корпус транзистора подкладывают полоску тонкой листовой меди или алюминия площадью приблизительно 6 см², слу­жащую теплоотводом. Транзистор кре­пят к плате винтом М3 с гайкой.

Для уменьшения погрешности изме­рения шунт R_ш следует располагать как можно ближе к минусовому выводу аккумуляторной батареи. Все подклю­чения к маршрутному компьютеру могут быть сделаны проводами небольшого сечения. Для подключения к маршрут­ному компьютеру геркона SF1 (датчика пути), шунта R_Ш и аккумуляторной бата­реи GB1 использован не показанный на схеме разъём РС7ТВ, установленный на корпусе маршрутного компьютера. Геркон взят от вышедшего из строя электронного велокомпьютера.

Индикация параметров в маршрут­ном компьютере выводится на четырёхстрочный ЖКИ WH1604A с напряже­нием питания 5 В без подсветки. Её от­сутствие объясняется большим током, потребляемым подсветкой (220 мА), который привёл бы к перегреву тран­зистора ѴТ1.

На ЖКИ выводятся одновременно семь параметров: напряжение, ток, количество израсходованной электро­энергии, текущее время, скорость, общий пробег и удельные затраты электрической энергии с момента включения маршрутного компьютера (см. рис. 4).

Значение скорости выводится на экран с помощью псевдографики. Это позволило довести высоту цифры до двух строк, что значительно облегчило считывание скорости с экрана.

Управляют маршрутным компьюте­ром с помощью кнопок SB1 «М» (уста­новка минут), SB2 «Ч» (установка часов) и SB3 «Р” (режим индикации). При по­следовательных нажатиях на кнопку SB3 в правом нижнем углу экрана вместо удельных затрат электрической энергии (рис. 5,а) выводятся средняя скорость (рис. 5,б), дневной пробег (рис. 5,в), заряженность аккумуляторной батареи (рис. 5,г) или мощность, потребляемая электродвигателем (рис. 5,д).

При удержании кнопки SB3 нажатой более 5 с программа входит в режим установки длины окружности колеса (рис. 5,е). При дальнейшем удержании этой кнопки происходит изменение длины окружности колеса шагами по 1 см в пределах от 201 до 215 см

(колесо 26 дюймов). При первоначальном включении устройства длина окружности колеса установлена равной 210 см. Через 5 с после от­пускания кнопки SB3 происхо­дит выход из режима уста­новки длины окружности ко­леса с записью установленно­го значения в EEPROM микро­контроллера.

При программировании микроконтроллера необходимо записать нули в первые пять ячеек EEPROM (рис. 6) для установки нулево­го исходного значения пройденного расстояния. Если этого не сделать, пробег будет равен 1525,7 км.

Пройденное расстояние программа сохраняет в EEPROM микроконтролле­ра через 3 с после остановки электро­велосипеда. Для индикации момента записи в правом верхнем углу ЖКИ на 0,3 с появляется символ «звёздочка». При выключении питания программа обнуляет значения удельных затрат, электрической энергии, средней ско­рости и дневного пробега.

Для налаживания прибора вместо аккумуляторной батареи можно ис­пользовать лабораторный источник питания с выходным напряжением 25…50 В и допустимым током нагруз­ки не менее 5 А. В качестве эквивален­та нагрузки можно применить мощный проволочный резистор сопротивлени­ем 5…10 Ом.

Налаживают прибор в следующем порядке. Сначала калибруют его вольтметр. Для этого подают на при­бор напряжение от аккумуляторной батареи или от лабораторного источ­ника питания, контролируя его точным цифровым вольтметром. Изменением сопротивления подстроенного рези­стора R9 добиваются одинаковых показаний образцового вольтметра и налаживаемого прибора.

Затем калибруют измеритель тока. Последовательно с нагрузкой вклю­чают точный цифровой амперметр. Подав напряжение питания, измене­нием сопротивления подстроенного резистора R13 добиваются одинако­вых показаний образцового ампер­метра и налаживаемого прибора.

При необходимости подборкой ре­зистора R25 устанавливают оптималь­ную контрастность изображения на индикаторе.

Маршрутный компьютер может быть установлен в любой подходящий по размерам пластмассовый или металлический корпус.

Скачать архив к проекту

ЛИТЕРАТУРА

1. Ваттметр и анализатор мощности Turnigy 130А. — URL: http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/uploads/242601761X977727X.pdf (23.12.15).
2. Ваттметр / анализатор мощности для электровелосипеда в «ВольтБайкс». — URL: http://bikes-n-parts.ru/kupit/voltbikes.ru/vattmetr_analizator_moshchnosti_ dlia_elektrovelosipeda (23.12.IS).
3. Велокомпьютеры. — URL: http://www.sportmaster.ru/catalog/velosport/aksessuary/velokompyutery/ (23.12 15).
4. Спидометр для велосипеда механиче­ский. — URL: http://www.32spokes.ru/blog/test-drive/2543.html (01.02.16).
5. Дисплеи XOFO для электровелоси­педов. — URL: http://li-force.ru/catalog/lcd_led_display_xofo.html

(23 12.15)»

6. Сайт русскоязычной под­держки программы Flowcode. — URL: http://flowcode.info/(23.12.15).

7. Нефедьев А. Ваттметр-счёт­чик электроэнергии для электровелосипеда. — Радио, 2015, № 9, С. 44, 45.

Автор: А. НЕФЕДЬЕВ, г. Волгоград
Источник: Радио №5/2016