Схема. Микроконтроллерный расходомер топлива

      Прототипом предлагаемого прибора послужил расходомер, описание которого опубликовано в [1]. Его конструкция показалась слишком сложной — более полутора десятков микросхем на пяти печатных платах. К тому же внимательный анализ схемы показал, что не все заявленные функции выполняются. Накопленные к моменту выключения прибора данные не сохраняются, несмотря на специально предусмотренную гальваническую батарею резервного питания. При каждом включении основного источника питания учет расхода начинается с нуля, а число, равное количеству оставшегося в баке топлива, приходится вводить заново.
      
      Схема расходомера топлива показана на рис. 1. Применив в нем микроконтроллер (МК) PIC16F628, удалось упростить прибор, одновременно увеличив число выполняемых функций. Предусмотрено, например, измерение напряжения бортсети автомобиля. Остались резервы и для дальнейшего совершенствования путем подключения к оставшимся неиспользованными выводам МК дополнительных датчиков и доработки программы.
      Выводы обмотки датчика расхода топлива, изготовленного по описанию из [1], соединяют с контактами 1 и 2 вилки ХР1 витой парой проводов. Не рекомендуется соединять с «массой» автомобиля один из выводов обмотки датчика в месте его установки. Контакт 9 соединяют с плюсовым выводом замка зажигания, 7 — с плюсовым выводом аккумуляторной батареи автомобиля, а контакты 4, 6,8 — с «массой».

      Усилитель-формирователь импульсов датчика на транзисторах VT1, VT2 остался таким же, как в прототипе. Во время налаживания прибора необходимо убедиться, что вращение крыльчатки датчика приводит к появлению на коллекторе транзистора VT2 импульсов с амплитудой, почти равной выходному напряжению интегрального стабилизатора DA1. В противном случае следует подобрать резистор R3.
      Узел индикации расходомера состоит из преобразователя кода DD2, резисторной матрицы DR1 и трехразрядного светодиодного индикатора HG1. Кроме указанного на схеме ВА56-11SR, можно применить и другие аналогичные с общим анодом, в том числе три одноразрядных (например, АЛС324Б), соединив вместе выводы их одноименных катодов. Все сигналы, необходимые для динамической индикации, вырабатывает МК DD1.

      Порядок соединения выводов DD1 с DD2 и HG1 выбран исходя из удобства прокладки проводников по печатной плате. Возникшее в результате несоответствие «старшинства» разрядов порта МК и входов преобразователя легко устраняется программным путем. Учтено, что выводы МК PIC16F628 многофункциональны. Например, так как в работе прибора участвует один из встроенных в МК аналоговых компараторов, выводы 18 (RA1) и 1 (RA2), служащие его входами, нельзя использовать в других целях.
      Импульсы длительностью приблизительно 4 мс, поочередно появляющиеся на выводах 17 (RAO), 2 (RA2) и 16 (RA7) МК, кроме своего основного назначения — зажигания знакомест индикатора, служат и для опроса состояния кнопок SB1—SB3. Если какая-либо из этих кнопок нажата, соответствующий импульс поступает на вывод 13 (RB7) МК. Функции кнопок приведены в табл. 1. Режим работы расходомера зависит от логического уровня на выводе 12 (RB6) МК. Если он высокий (контакты выключателя SA1 разомкнуты), индикатор HG1 показывает количество израсходованного топлива, в противном случае — остаток топлива в баке.

      Основные элементы узла питания расходомера — интегральный стабилизатор напряжения 5 В DA1, диод VD1 и конденсатор СЗ. Вход стабилизатора соединен с контактом замка зажигания автомобиля, напряжение на котором появляется с поворотом ключа. При желании можно предусмотреть отдельный выключатель расходомера, введя его в эту цепь. При включении зажигания конденсатор СЗ быстро заряжается через открытый диод VD1 почти до выходного напряжения стабилизатора. Скорость нарастания напряжения достаточна для нормального старта МК DD1. После выключения зажигания напряжение на выходе стабилизатора падает до нуля, однако МК некоторое время продолжает работать, питаясь от заряженного конденсатора СЗ. Этого времени достаточно, чтобы МК «узнал» о выключении, проверив логический уровень на выводе 4 (RA5), и записал во внутреннюю электрически программируемую память (EEPROM) содержимое счетчиков расхода топлива и его остатка в баке. EEPROM хранит информацию и в выключенном состоянии, а при последующем включении МК программа переносит ее в оперативную память, и прежние показания автоматически восстанавливаются.

      Возможно применение датчиков других типов независимо от их «чувствительности» — числа импульсов на единицу объема израсходованного топлива. Значение этого параметра легко учитывается в программе. Если выходным элементом датчика служит фотодиод, как в [2], входные цепи прибора строят по схеме, показанной на рис. 2. Обратите внимание, что резистор R3 удален, а номиналы резистора R4 и конденсатора С2 изменены.
      Еще проще (рис. 3) подключить к расходомеру датчик ДРТ от маршрутного компьютера МК-21093 [3]. Транзисторы VT1, VT2 и все связанные с ними пассивные элементы, кроме С5, в этом случае удаляют. Если применен датчик, амплитуда выходных импульсов которого превышает 5 В, дополнительно устанавливают диод VD6, показанный на рис. 3 штриховыми линиями. Таким образом подключают, например, устройство, описанное в [4]. Импульсы снимают с участка коллектор—эмиттер имеющегося там транзистора. Нужно, однако, учитывать, что при работе с датчиками, содержащими механические контакты, часто возникают проблемы, связанные с «дребезгом» последних.

      Функциональная схема вольтметра, измеряющего напряжение, поданное на конт. 7 вилки ХР1, показана на рис. 4. Узлы, обведенные штрихпунктирной линией, находятся внутри МК, причем одни из них (компаратор, формирователь ШИМ) существуют физически, другие (реверсивный счетчик, усредняющий фильтр) реализованы программно. Длительность импульсов на выводе 9 МК (выход ШИМ) пропорциональна числу, накопленному в счетчике. Поэтому пропорционально ему и напряжение, сглаженное интегрирующей цепью R8C6 и поступающее на вывод 1 МК (неинвертирующий вход компаратора). Будем называть это напряжение образцовым.

      На вывод 18 МК (инвертирующий вход компаратора) через резистивный делитель R1R2 поступает измеряемое напряжение. Если последнее (с учетом делителя) больше образцового, состояние выхода компаратора таково, что счетчик работает на сложение, накопленное в нем число растет, с ним увеличивается и образцовое напряжение.
      Так продолжается до тех пор, пока оно не превысит измеряемое. В результате состояние компаратора и направление счета изменяются, число в счетчике начинает уменьшаться, что приводит к возврату компаратора в прежнее состояние и повторению описанного цикла. В установившемся режиме образцовое напряжение колеблется вокруг измеряемого. Чтобы эти колебания не приводили к «мерцанию» младшего разряда индикатора, подаваемые на него со счетчика значения предварительно усредняются.

      Недостаток вольтметра, построенного по описанному принципу, — чрезмерная инерционность. Однако для контроля медленно изменяющегося напряжения в бортсети это не столь существенно. Для уменьшения погрешности измерения следует внимательно отнестись к выбору точки подключения к бортсети контакта 7 вилки ХР1. Рекомендуется соединить его отдельным проводом непосредственно с плюсовым выводом аккумуляторной батареи или генератора. При повышенном уровне пульсаций измеряемого напряжения и помех показания вольтметра становятся неустойчивыми. Улучшить его работу можно, зашунтировав резистор R2 оксидным конденсатором емкостью в несколько десятков микрофарад.
      Калибруют вольтметр подбором резистора R1 , контролируя образцовым вольтметром поданное на вход напряжение.

      Расходомер собран на двусторонней печатной плате размерами 85×45 мм, показанной на рис. 5. Индикатор HG1, кнопки SB1—SB3 (ПКН-150), выключатель SA1 (ПД9-2) и светодиод HL1 установлены с той стороны платы, где находится большая часть печатных проводников. Остальные элементы — обычным образом. В отверстия, предназначенные для выводов светодиода, желательно установить пустотелые металлические заклепки (пистоны). Это позволит при необходимости заменить светодиод, не выпаивая установленную над ним с противоположной стороны платы микросхему DD2. Аналогичными заклепками желательно снабдить отверстия под выводы кнопок SB1 — SB3.

      Устанавливая индикатор, светодиод, кнопки и выключатель, нужно позаботиться, чтобы их фронтальные поверхности находились в одной плоскости. Накрытые декоративной накладкой из цветного оргстекла с отверстиями под кнопки и движок выключателя, они образуют переднюю панель прибора. Между платой и приподнятыми над ней кнопками обязательно вставьте жесткую прокладку, иначе при каждом нажатии на кнопку вы рискуете оторвать от платы контактные площадки, к которым припаяны ее выводы.
      Так как выводы кнопок ПКН-150 проходят через них «насквозь», одна из пар выводов использована в качестве перемычки, соединяющей контактные площадки платы. Если применены кнопки, не имеющие такой особенности, перемычку, показанную на рис. 5 штриховой линией, необходимо выполнить в виде печатного проводника или предусмотреть проволочную.

      Перемычками из изолированного провода соединяют между собой контактные площадки одноименных катодов трех знакомест индикатора HG1, как показано на рис. 6. Конечно, и эти соединения можно было бы сделать печатными, но это привело бы к усложнению рисунка проводников и появлению множества переходных отверстий между слоям и печати. Последнее крайне нежелательно, так как плата рассчитана на изготовление в любительских условиях без металлизации отверстий. Кстати, несколько переходных отверстий все-таки есть, поэтому необходимо вставить в них отрезки неизолированного провода, припаяв их к печатным проводникам с двух сторон.

      В качестве вилки ХР1 применена 10-контактная колодка FDC-10, один из контактов которой удален. Ее можно заменить отрезками жесткого неизолированного провода диаметром 0,8…1 мм. В соответствующее отсутствующему контакту гнездо ответной части разъема (розетки IDC-10) вставлена заглушка — отрезок толстой рыболовной лески. Можно залить это гнездо эпоксидным компаундом. Эти меры не позволят неправильно состыковать разъем, что могло бы привести к замыканию бортсети.

      Коды, которые необходимо записать в память МК DD1 (запрограммировать его) перед установкой на плату, приведены в табл. 2. Как это сделать, рассказано, например, в [5]. Чтобы в дальнейшем иметь возможность корректировать программу, предусмотрите на плате расходомера панель для установки микросхемы DD1.

      Обратите внимание на предпоследнюю строку табл. 2:
      :1042000090000100…
      Выделенные полужирным шрифтом цифры — соответственно младший (90Н) и старший (01Н) байты шестнадцатиричного числа 0190Н, десятичный эквивалент которого — 400 — число импульсов, вырабатываемых датчиком на каждые 0,1 л прошедшего через него топлива. Если «чувствительность» датчика отличается от указанной, коды легко откорректировать. Прежде всего нужно перевести вновь вводимое значение в шестнадцатиричную систему счисления. Это легко сделать с помощью стандартной программы «Калькулятор», имеющейся во всех версиях Windows. Если в полученном результате менее четырех значащих цифр, дополните его слева одним—тремя нулями. Затем в файл программирования между приведенной выше и последней строками занесите еще одну:
      :04420000LL00HH00KK
      Здесь LL — новое значение младшего, а НН — старшего байта «чувствительности». Контрольную сумму КК подсчитывают следующим образом:
      KK=00-04-42-LL-H H
      Все числа — двузначные шестнадцатиричные. Из полученного результата возьмите лишь два младших разряда. Например:
1600 (десятичное)=640 (шестнадцатиричное);
LL=40;
НН=06;
КК=00-04-42-40-06=79
      Вычисления можно выполнить на упомянутом выше «Калькуляторе». Файл дополняем строкой
:044200004000060079
и программируем МК.
      Нередко нужные изменения удается внести с помощью программатора, не прибегая к изменению кодового файла. Достаточно вручную занести значения LL и НН соответственно в нулевую и первую ячейки EEPROM. Способ выполнения этой операции зависит от особенностей используемого программатора.

Прилагаемые файлы:    rashod.zip   

ЛИТЕРАТУРА
1. Семенов И. Электронный расходомер 2000. — Радиолюбитель. 2000. № 7, с. 18—20.
2. Семенов И. и др. Электронный расходомер жидкости. — Радио, 1986, № 1, с. 15,16.
3. Нечаев И., Рудоминский Г. Маршрутный компьютер МК-21093. — Радио, 1999, № 10, с. 36—39.
4. Гуменюк В. Расходомер топлива для автомобиля. — Радио, 1988, № 3, с. 17, 18.
5. Долгий А. Разработка и отладка устройств на МК. — Радио, 2001, № 5, с. 17—19; № 6, с. 24—26; № 7, с. 19—21.

А. ДОЛГИЙ, г. Москва
«Радио» №11 2001г.

Похожие статьи:
Микроконтроллерный модуль
Микроконтроллерный регулятор температуры МРТ-1