Автономная платформа для решения задач сбора и передачи данных

Областей примененя устройства много, зависит от конкретной потребности. Например реализация системы резервного/аварийного освещения, функция бесперебойного источника питания, стробоскоп, термометр, световой генератор кодов Морзе, лабораторный сверх малошумящий источник питания. На макете отрабатывалось несколько устройств. Особенность устройства -автоматическая балансировка аккумуляторных батарей, совмещённая с процессом заряда.

Фотография негерметичного макетного образца:

Фотография герметичного водопогружаемого макетного образца, разъём по документации держит до 2м под поверхностью воды, сам корпус для погружения в воду не предназначен. Во время испытаний 2,5 дня корпус находился под поверхностью воды, 15сантиметров от верхней плоскости устройства. Конструктив корпуса и разъём предназначеный для работы под водой:

Краткое описание образца текущей версии устройства

Устройство размещается в герметичном пластиковом корпусе с прозрачной крышкой. Для автономной работы предусмотрены 4ре LiFePo4 аккумуляторные батареи ANR26650. Встроенное зарядное устройство, в перспективе возможен заряд до 7 аккумуляторов, ёмкость аккумуляторов как и зарядный ток можно менять в широком диапазоне. Поменять можно и тип аккумуляторов на литий-ионные. Встроенный балансир для каждого аккумуляторного элемента. Защита от чрезмерного разряда для каждого аккумуляторного элемента. Дополнительный микроконтроллер контроля заряда выполняет эффективную балансировку одновременно с процессом заряда. Реализована внутренняя программная защита настроек режима работы устройства от случайных сбоев в результате внешнего воздействия. Сенсорные кнопки защищены от случайного нажатия при помощи алгоритма ввода ключевой последовательности. Контроль и вывод на ЖК напряжения на аккумуляторах, напряжения заряда, температуры, текущего режима работы. Автоматическое отключение, если устройство не используется. Защита от переплюсовки источника заряда. Встроенный проволочный предохранитель. Цифровой датчик температуры -55..+127.5C точность 0.5С во всём измеряемом диапазоне температур. Установлены сверх яркие светодиоды для реализации функций освещения. Понижающий импульсный преобразователь на +5V. Управление производится через 2 сенсорные кнопки. Отображение информации, текущего режима работы производится на знакосинтезирующем ЖК 2х8 с подсветкой. Через герметичный разъём с крышкой производится подключение источника заряда и обеспечивается вывод +5V. Для индикации дополнительных параметров предусмотрен ряд светодиодов. Образец на верхней фотографии неофициально был испытан на вибростенде и в термокамере на -40 +60С. Функции реализованные на данный момент описаны ниже. Текущая версия устройства реализована на AtMega48PA.

Технические характеристики текущей версии устройства

Для автономной работы используется 4 LiFePo4 аккумуляторные батареи ANR26650 2300mA/h.

Диапазон рабочих температур -40..+60С. Рекомендуемая температура при заряде 0..+60С.

Ток заряда 3A. Можно увеличить до любого.

Пластиковый герметичный корпус 160х80х55мм поликарбонат. Герметичный разъём предусматривает погружение в воду до 2метров. Плавучесть отрицательная. Под водой сенсорные кнопки не работают, нужно устанавливать резиновые накладки формирующие воздушный карман над сенсорной поверхностью.

Аккумуляторные элементы залиты силиконовым компаундом. Возможна полная заливка устройства прозрачным компаундом.

Нижний порог чрезмерного разряда 2.1V для каждого элемента. По достижении устройство отключается.

Напряжение заряда 3.6V на элемент.

Встроенный балансир работает всегда и одновременно с процессом заряда.

Время заряда без балансира при токе заряда 3A 45мин(режим не поддерживается). Время заряда с балансиром при токе заряда 3A 80мин. При условии, что источник заряда обеспечивает достаточную мощность. Время разряда при +5В 1A 4ч 20мин, параметр, при тех же условиях, можно улучшить до 5.2часов увеличив КПД понижающего преобразователя +5V.

Рекомендуемое напряжение зарядного источника 19..26V, мощность от 60Ватт.

Источник +5V может обеспечить ток до 1А через USB разъём. Например для зарядки телефона.

Реализован алгоритм восстановления режима/параметров работы при случайном сбое в результате внешнего воздействия.

Светодиодный фонарь. Возможность плавного изменения яркости.

Две сенсорные кнопки срабатывают на отпускание. Рекомендуемое время удержания 0.5..1сек, затем отпускаем.

Знакосинтезирующий ЖК 2х8 с подсветкой. Яркость подсветки можно менять.

Встроенный температурный датчик DS1620. -55..+125C точность 0.5С во всём измеряемом диапазоне температур.

Вместо LiFePo4 аккумуляторов можно использовать литий ионные, но потребуется сменить некоторые номиналы и типы электронных компонентов.

Режимы работы

1.Стандартный +5V, фонарь.
2.Морзянка, включение фонаря по нажатию на кнопку.
3.Стробоскоп. Задаётся частота вспышек фонаря от 1 до 512Hz шаг 1Hz.
4.Резервного/аварийного освещения. Подключаются дежурные +19..+24V, от них же производится заряд. При пропадании дежурного напряжения загорается фонарь с предустановленной яркостью
5.Функция блокировки сенсорных кнопок, для возобновления работы нужно нажать заданную последовательность кнопок.

Детально режимы и функции будут рассмотрены при описании работы устройства.

Перспективные функции

Возможность подачи SOS светового сигнала

Резервный источник +13.2V. Аналоговые цепи определения необходимости подключения резервного питания, твердотельный MOSFET ключ. Скорость срабатывания микросекунды.

Вариант исполнения для помощи в запуске стартерного двигателя при немного разряженном аккумуляторе. Устройство сможет обеспечить около 12В 100А в течении 10сек при проворачивании стартера. Подключается параллельно на клеммы аккумулятора, добавочную мощность выдаёт только тогда, когда напряжение на аккумуляторе просядет до 10.5V.

Использование для заряда/работы от внешней солнечной батареи.

GPS приёмник, GSM приёмопередатчик, или приёмопередатчик любительского/разрешённого частотного диапазона.

Камера видео.

Измерение давления влажности освещённости, фотография облачности. Мобильная метеостанция с питанием от солнечных батарей.

RS485 интерфейс для контроля управления параметрами режимами работы устройства.

Светодиодный фонарь будет выполнен на 16ти строенных ярких светодиодах. Возможно использование RGB светодиодов это позволит синтезировать любой цвет свечения например для подсветки аквариумов. Можно к примеру задавать динамическую смену цвета и яркости.

Функции резервного питания для винчестеров +5V, +12V.

Вместо обыкновенных светодиодов можно установить инфракрасные. Например для ночной видео съёмки.

Имитации мерцания света от телевизора. Для имитации присутствия в помещении.

Параметрами и режимами устройства можно будет управлять удалённо.

Самостоятельная, или дистанционная смена прошивки.

Инструкция

Левая кнопка "-", правая "+". Кнопки срабатывают на отпускание. Всего три возможных комбинации нажатия кнопок: правая, левая, две одновременно. Нажатие одновременно 2х кнопок нужно для пролистывания меню, или для подтверждения выбора режима работы в четвёртом меню.

Включение производится нажатием и удержанием левой кнопки более 6сек. При нажатии на кнопку загорается зелёный светодиод статуса "STAT", расположенный чуть выше и левее. После того, как засветится ЖК кнопку нужно отпустить и появится меню ввода защитной unlock последовательности. Это последовательность нажатий на кнопки "+" и "-". Последовательность отображается во второй строке:

По мере её набора символы "+" "-" будут исчезать. Если нажата неверная кнопка, то последовательность вводится заново. Если более 5сек не нажата ни одна кнопка, то устройство отключается. После ввода unlock последовательности появляется первое меню

Назовём это меню основным. Всего 4 меню, переключение между ними осуществляется циклически, одновременным нажатием двух кнопок, переход к следующему по отпусканию двух кнопок. Во втором меню отображается температура. Третьем -текущее напряжение на 4х аккумуляторных элементах и если подключён источник заряда, то его напряжение и текущий режим/статус процесса зарядки. Через четвёртое можно выбрать режим работы, настроить яркость подсветки ЖК и установить функцию блокировки сенсорных кнопок.

Второе, третье и четвёртое меню

Устройство отключается само через 20сек, если не включена подача +5V на внешний разъём, не включён фонарь и не включена блокировка функция "LOCK" в четвёртом меню.

Температура второе меню

Отображается температура цифрового датчика DS1620 расположенного на панели с кнопками. В последствии планируется его напрямую прижимать к прозрачной пластиковой крышке, заливать термокомпаундом и с внутренней стороны произвести термоизоляцию от внутреннего объёма устройства. По наблюдениям, при комнатной температуре, через какое то время, датчик само прогревается примерно на 2 градуса.

Заряд третье меню

Источник заряда можно подключать когда угодно. Во время заряда устройством можно пользоваться как обычно. Если устройство было выключено и было произведено подключение источника заряда, то высветится третье меню:

Здесь можно просмотреть некоторые параметры заряда:

Напряжение на 4х последовательно включённых аккумуляторных элементах в вольтах. Верхняя строка. Может косвенно дать информацию о величине заряда аккумуляторных элементов. Зависимость напряжения от ёмкости аккумуляторных элементов нелинейная. В общем, если напряжение менее 13В, то заряд будет скоро израсходован. Штатное значение 13.2В. Сразу после заряда напряжение будет составлять около 13.8-13.9В. Которое через некоторое время(несколько недель в выключенном состоянии) опустится до 13.2В.

Напряжение источника заряда. Нижняя строка. По этому значению можно судить о пригодности источника заряда и о примерном текущем токе заряда. Если аккумуляторы разряжены, то потребляемый от источника заряда ток максимальный и будет наблюдаться небольшая просадка напряжения. По хорошему, при достаточной мощности источника заряда, просадка наблюдаться не должна. Например, использовался источник заряда 24В 1.88A, когда рекомендуется 19-26В от 60Вт, например 24В 3А. При заряде напряжение на нём просело до 22.8В как на картинке выше. По мере заряда это напряжение будет стремиться к напряжению источника заряда без нагрузки, в нашем случае в 24В.

Справа в верхней строке отображается надпись "mod" -режим. Под этой надписью при помощи трёх букв отображается текущий режим заряда:

FST -Режим заряда большим током, в текущем случае 2.8A

BCH -Режим заряда малым током, 300mA

OK -Заряд завершён

В процессе самого заряда может наблюдаться моргание в разных сочетаниях красных светодиодов с разной яркостью свечения. Всего 4 светодиода по одному на каждый канал заряда. Горящий светодиод говорит о том, что напряжение на "его" аккумуляторном элементе достигло порогового значения и включается балансировочная схема. В идеальном варианте они не должны светиться вообще или слабо светиться все одновременно.

Выбор режима работы, четвёртое меню:

"STANDART" режим стандартный

"LOCK" функция блокировки кнопок

"LCDbrl" функция выбора яркости подсветки ЖК

"MORZE" режим световой морзянки

"STROB" режим стробоскопа

"REZLIGHT" режим резервного/аварийного освещения

Функция отличается от режима работы тем, что она может быть выбрана для любого режима. Всего 2 функции "LOCK" блокировка сенсорных кнопок и "LCDbrl" настройка яркости подсветки ЖК 10 градаций.

Находясь в 4м меню MODE выбора режима работы и нажимая кнопки "+" или "-" можно выбирать текущий режим или функцию. Чтобы режим вступил в силу, выбрав его нужно нажать и отпустить одновременно 2 кнопки. Режим будет выбран и осуществлён переход к первому меню.

Для принудительного перезапуска устройства, в случае каких либо проблем(например мусор на экране), нужно нажать и удерживать правую кнопку "+" более 40 секунд. На данный момент текущая прошивка хорошо отлажена и такой необходимости не возникало. Яркость для каждого режима выбирается независимо. Сохранение настроек режима происходит при выходе из 4го меню MODE.

Стандартный режим "STANDART"

Здесь из основного меню можно включить/выключить подачу +5V, включить/выключить фонарь и отрегулировать его яркость. При включении +5V, левая кнопка, слева внизу загорается красный светодиод "+5V ON". При включении фонаря, правая кнопка, высвечивается меню выбора яркости его свечения:

При удержании правой или левой кнопки будет происходить изменение яркости фонаря. Для выхода из меню регулировки яркости нажимаем и отжимаем одновременно 2 кнопки.

Функция блокировки сенсорных кнопок "LOCK":

Нужна для предотвращения случайного нажатия кнопок. Если выбран режим "LOCK" в четвёртом меню, то загорается зелёный светодиод статуса "STAT" и через 40 секунд произойдёт блокировка кнопок. В течении этих 40 секунд пользователь может выбирать любые меню. После ввода защитной последовательности функция "LOCK" отключается автоматически.

Функция выбора яркости подсветки ЖК "LCDbrl":

Если в том же меню, после выбора функции "LCDbrl" одновременно нажать и отпустить 2 кнопки, то произойдёт циклическое увеличение яркости ЖК. По достижению максимальной яркости 9 она сбрасывается на минимальную 0. Во второй строке самое правое знакоместо содержит цифру от 0 до 9 отображающую условную текущую яркость ЖК. Цифра обновляется не сразу, а через несколько секунд.

Режим "MORZE":

Режим световой морзянки. При нажатии на правую кнопку "+" зажигается фонарь, отпускании тухнет. Яркость можно настроить. Чтобы постоянно не входить в меню настройки яркости. Выбираем 2е или 3е меню. Если удерживать кнопку "+" более 40 секунд, то произойдёт перезапуск контроллера. В дальнейшем функция морзянки будет перенесена на кнопку "-".

Режим " STROB":

Режим стробоскопа предусматривает вспышки фонаря с заданной частотой. Частота задаётся из меню:

В меню выбора частоты входим при включении стробоскопа. Нажимая кнопки "+" "-" меняем частоту от 1 до 512Hz шаг 1Hz. Стробоскоп можно использовать, например, для определения частоты вращения какого либо вращающегося тела. Про стробоскопический эффект более подробно можно узнать из сети.

Режим " REZLIGHT":

Режим резервного/аварийного освещения. В этом режиме: если отключен источник заряда(дежурный источник), то фонарь будет постоянно гореть(резервный/аварийный режим), с предустановленной яркостью. При подключении источника фонарь гаснет, не горит(рабочее состояние). Поскольку устройство содержит встроенные аккумуляторы, то для текущего типа количества и ёмкости аккумуляторов фонарь горит 54часа.

При необходимости можно увеличить ёмкость аккумуляторов, увеличить их количество до 7, сменить их тип на литий ионные, поменять количество светодиодов в фонаре и .т.д.