Capacimetru Acumulatori Auto

Bine te-am găsit !

În ceea ce priveşte acumulatorii auto există tot felul de tester-e care măsoara rapid tot felul de parametri. Cu toate acestea, deşi lucrez în domeniu, personal încă nu am întâlnit un tester care să poată măsura parametrul capacitate electrică [Ah]. Nevoia m-a împins de la spate şi astfel m-am decis să concep şi să construiesc unul. În continuare o să-ţi prezint ce a ieşit înaintându-ţi totodată invitaţia de a construi şi tu unul.

• Justificarea şi scopul proiectului;
• Principii de funcţionare (schema bloc);
• Descrierea modulului hardware;
• Asamblarea componentelor;
• Interconectare LCD, placa Arduino Uno şi modul hardware;
• Punerea în funcţiune şi reglajul capacimetrului pentru acumulatori auto.

Justificarea şi scopul proiectului.

Așa cum sugerează și numele, acumulatorii auto sunt dispozitive care pot înmagazina o anumită cantitate de energie electrică, energie care ulterior poate fi utilizată pentru alimentarea sistemelor electrice ale automobilului (și nu numai). Cantitatea maximă de energie electrică pe care o poate înmagazina un acumulator se numește capacitate electrică și este exprimată în amperi/oră [Ah]. O scurtă vizită prin magazinele de specialitate ne va conduce la concluzia că principalul factor care dictează preţul unui acumulator auto este capacitatea electrică [Ah] a acestuia. Astfel este logic ca atunci când dorim să evaluăm valoarea unui acumulator auto, primul lucru pe care trebuie să-l aflăm este valoarea capacităţii electrice [Ah] a acestuia. Concret, măsurarea capacităţii electrice [Ah] poate servi la:

• compararea valorii reale a unui acumulator nou (complet încărcat) cu valoarea specificată pe eticheta acestuia;
• evaluarea capacității electrice [Ah] a acumulatorilor uzați. Aceasta, corelată cu vârsta acumulatorului poate da informații despre viteza de uzare a unui anumit tip (sau brand) de acumulator;
• trasarea de grafice durată de încărcare vs. capacitate electrică [Ah]. Acestea sunt utile atunci când se doreşte stabilirea regimului/condițiilor optime de încărcare.

Avand în vedere că rar se întâlnesc acumulatori auto cu capacităţi mai mari de 150 [Ah] am dimensionat capacimetrul pentru a putea testa acumulatori de maxim 200 [Ah].

Principii de funcţionare (schema bloc)

Cea mai cunoscută şi precisă metodă de măsurare a capacităţii electrice [Ah] a unui acumulator auto este aşa numitul test de descărcare¹. Acesta constă în descărcarea acumulatorului cu un curent constant până când tensiunea de la bornele acestuia scade sub o anumită limită (de regulă 10,5 – 10,7 V). În final, timpul trecut de la începutul descărcării şi până la terminarea acesteia se înmulţeşte cu valoarea curentului de descărcare obţinându-se astfel capacitatea electrică [Ah] a acumulatorului respectiv.

Nimănui nu-i surâde ideea de a sta ore în şir pentru un simplu test şi din acest motiv am fi tentaţi să grăbim descărcarea folosind un curent de descărcare mai mare. Din păcate, în practică nu se recomandă curenţi de descărcare mai mari de 10% din capacitatea electrică [Ah] a acumulatorului. În cazul folosirii unor curenţi de descărcare mai mari, o mare parte din energia electrică stocată s-ar transforma în căldură, fapt care ar reduce precizia măsurătorii şi ar oferi ca “bonus” riscul de explozie a acumulatorului.

Pe baza celor spuse mai sus rezultă că viitorul capacimetru pentru acumulatori auto trebuie:

• să consume din acumulatorul de testat un curent constant egal cu 10% din capacitatea nominală a acumulatorului respectiv;
• să oprească automat descărcarea atunci când tensiunea de la bornele acumulatorului scade până la 10,7 [V];
• să măsoare durata descărcarii (timpul scurs de la începutul descărcării şi până la oprirea acesteia);
• să înmulţească valoarea curentului de descărcare cu durata descărcării şi apoi să transmită rezultatul către utilizator.

După ce m-am gândit la mai multe variante am ajuns la concluzia că pentru realizarea funcţionalităţilor de mai sus cel mai simplu şi mai comod este sa utilizăm o placă de dezvoltare cu microcontroller, şi anume Arduino Uno. Aceasta mi-a permis să includ în proiect:

• un display LCD prin care capacimetrul prezintă diverse informaţii utilizatorului;
• un meniu prin care utilizatorul, dacă doreşte, poate configura parametrii testului.

Ştiind cam ce trebuie să facă proiectul nostru, am trecut la desenarea schemei bloc (de principiu) a acestuia (vezi figura 1).

Figura 1. Schema bloc a capacimetrului acumulatori auto.

Blocurile din care este formată schema din figura 1 sunt:

• Taste microswitch. Sunt nişte întrerupătoare cu o singură poziţie (normal deschis) prin care utilizatorul aparatului modifică parametri şi trimite comenzi;
• Placă de dezvoltare Arduino Uno. Este o placă cu microcontroller, programabilă cu ajutorul unui PC prin intermediul unui cablu USB. Rolul ei este acela de a comanda blocurile Sursă de curent constant, Buzzer, LCD şi Ventilatoare conform datelor primite de la blocul taste microswitch şi programului rulat de microcontroller.
• Alimentare. Este blocul care alimentează blocurile Placă de dezvoltare ARDUINO UNO, Buzzer, LCD şi Ventilatoare sursă curent constant;
• Acumulator auto. Reprezintă acumulatorul auto a cărui capacitate [Ah] dorim să o măsurăm;
• Sursa de curent constant. Este blocul care descarcă acumulatorul auto cu un curent constant. Este blocul în care energia electrică extrasă din acumulator se transformă în căldură şi din acest motiv necesită răcire (realizată de către blocul Ventilatoare sursă curent constant);
• Buzzer. Este un mic difuzor piezoelectric (practic identic cu cel care piuie când porneşti o unitate de calculator desktop). Rolul acestuia este acela de a avertiza sonor utilizatorul atunci când descărcarea ia sfârşit;
• LCD. Este un display LCD cu două rânduri şi 20 de coloane prin care Placa de dezvoltate ARDUINO UNO afişează utilizatorului diverse informaţii (poziţia în meniu, parametrii de stare, rezultatul testului etc.)
• Ventilatoare sursă curent constant. Reprezintă un grup de două ventilatoare care împreună cu un radiator din aluminiu asigură răcirea blocului Sursă de curent constant.

Acum ştiind ce face fiecare bloc funcţional din figura 1, hai să îţi explic în mare cum mi-am imaginat funcţionarea sistemului:

• blocul Alimentare este bagat în priză şi astfel blocurile Placă de dezvoltare ARDUINO UNO, LCD, Buzzer şi Ventilatoare sursă curent constant sunt trezite la viaţă. Pentru simplificare, în continuare în loc de Placă de dezvoltare ARDUINO UNO, voi folosi doar placa Arduino;
• placa Arduino afişează pe LCD nişte mesaje de întâmpinare şi apoi cere utilizatorului să introducă valoarea capacităţii nominale [Ah] a acumulatorului de testat;
• utilizatorul foloseşte blocul Taste microswitch pentru a introduce datele cerute;
• placa Arduino afişează pe LCD un mesaj prin care îi cere utilizatorului să introducă viteza de descărcare. M-am gândit să las posibilitatea utilizatorului să aleagă între o viteză de descărcare de 0,1 x C şi una de 0,05 x C (unde C reprezintă capacitatea nominală a acumulatorului de testat);
• utilizatorul foloseşte blocul Taste microswitch pentru a introduce datele cerute;
• placa Arduino afişează pe LCD un mesaj prin care îi cere utilizatorului să introducă tensiunea minimă a acumulatorului la care testarea să fie automat oprită;
• utilizatorul foloseşte blocul Taste microswitch pentru a introduce datele cerute;
• placa Arduino afişează pe LCD un numărător de la 5 la 0 prin care anunţă triumfal începerea testului;
• pe baza informaţiilor introduse de utilizator, placa Arduino calculează curentul de descărcare şi durata maximă a testului;
• placa Arduino aplică o tensiune de comandă blocului Sursa de curent constant, poruncindu-i astfel să consume din acumulator un curent egal cu curentul de descărcare calculat în etapa anterioară;
• placa Arduino afişează pe LCD, consecutiv, următoarele informaţii: timpul scurs de la începerea testului, valoarea curentului de descărcare, tensiunea de la bornele acumulatorului, timpul aproximativ rămas până la încheierea testului şi capacitatea preliminară (adică energia electrică extrasă din acumulator până la momentul respectiv);
• în momentul în care tensiunea la bornele acumulatorului scade sub valoarea setată la început (în meniul tensiunea minimă), placa Arduino încetează să mai trimită semnale de comandă către blocurile Sursă de curent constant şi Ventilatoare sursă de curent constant. În acelaşi timp placa Arduino calculează şi afişează pe LCD mesajul capacitate finală [Ah] împreună cu valoarea acestuia. În plus, pentru atenţionarea sonoră a utilizatorului placa Arduino comandă blocul Buzzer astfel încât acesta să emită intermitent un ton cu o frecvenţă de circa 500Hz.

Dacă am fost prea stufos cu explicaţiile de mai sus uite mai jos un filmuleţ din se vede mai bine cum (se) lucrează (cu) acest capacimetru.

Descrierea modulului hardware

Prin modul hardware se înţelege un modul care reuneşte toate componentele electronice în afară de cele incluse în blocul placă Arduino şi LCD.

Am încercat să public aici schema electrică a modulului hardware însă din cauza dimensiunilor acesteia nu se puteau observa bine toate detaliile. Aşa că pentru a vedea/descărca această schema dă un click pe Schemă modul hardware.

Se observă că schema include şi conectorii prin care modulul hardware este conectat cu circuitele învecinate. Ştiu că asta îngreunează un pic lizibilitatea schemei însă am ţinut ca pe schemă să apară tot ceea ce va apare şi pe cablajul imprimat. Dacă poţi, îţi recomand să listezi schema ca să poţi urmări mai bine explicaţiile de mai jos.

Şi acum să vorbim un pic despre cum funcţionează fiecare subcircuit din acest modul hardware.

Circuitul de alimentare

Tot modulul se alimentează de la un transformator de 10VA (nu este inclus în schemă) care în secundar oferă 12-15 V. Tensiunea de alimentare este introdusă în circuit prin conectorul TRANSF. şi apoi aplicată unui redresor cu dublare de tensiune. Astfel obţinem două tensiuni simetrice şi stabilizate la +15V şi -12V (cu IC2 pentru tensiunea pozitivă şi cu R11 + D5 pentru tensiunea negativă). Tensiunea pozitivă a fost aleasă mai mare decât cea negativă din necesitatea de a compensa căderea de tensiune din circuitul de control al ventilatoarelor. Mai departe, din tensiunea de +15V tranzistorul Q1 extrage tensiunea de alimentare de +7 … 12 V necesară plăcii ARDUINO UNO. Circuitul integrat IC2 trebuie montat pe un radiator de răcire şi apoi conectat în circuit prin intermediul conectorului CON.8.

Circuitul tastelor de control

Este cel mai simplu circuit din această schemă. Este format din 4 taste microswitch care atunci când sunt apăsate scurtcircuitează la masă pinii RESET, 6, 7 şi 8 ai microcontroller-ului de pe placa ARDUINO UNO trimiţând astfel către microprocesor comenzile RESET, JOS, SUS şi/sau ENTER. Rolul condensatorilor C7-C10 este acela de atenua infiltrarea semnalelor parazite în firele prin care aceste taste sunt conectate în circuit.

Sursa de curent constant

Acest circuit este comandat de un semnal cu factor de umplere variabil (PWM) primit de la pinul 10 al plăcii ARDUINO UNO (prin conectorul CON.2). Acest semnal este transformat în semnal analogic cu ajutorul unui filtru trece jos (R4, C1), amplificat de IC1A (primul amplificator operaţional din circuitul integrat TL072) şi apoi aplicat grupului Darlington realizat cu tranzistoarele T2-T6.

Se observă că reacţia negativă a amplificatorului operaţional IC1 este preluată din emitoarele tranzistoarelor T2-T5. În acest mod, indiferent de cum variază tensiunile între joncţiunile BE ale tranzistoarelor T2-T6, IC1 va putea menţine o legătură foarte strânsă între semnalul primit de la microprocesor şi curentul pe care îl comandă prin T2-T5 (care de fapt este curentul de descărcare a acumulatorului).

Datorită toleranţei componentelor reale este foarte posibil ca valoarea curentului de descărcare dictat de microprocesor să nu fie egal cu cel real. Din acest motiv schema include potenţiometrul R14 pe care îl putem numi “potenţiometru de calibrare”.

Condensatorul C6 şi rezistenţa R3 sunt importante deoarece fără ele sursa de curent constant oscilează puternic şi prezintă un consum rezidual 50-100mA.

Circuitul divizorului de tensiune (a acumulatorului).

Din câte ştiu eu placa ARDUINO UNO nu acceptă semnale analogice de intrare mai mari de 5V. Aşa că pentru a putea măsura tensiuni de 12V (aşa cum sunt cele ale acumulatoarelor auto) am redus această tensiune de 3 ori şi am inclus în soft-ul microprocesorului o linie de cod în care i-am spus că tensiunea care o vede la intrare este de trei ori mai mică decât cea reală. Tot din cauza toleranţei componentelor, circuitul divizorului de tensiune (R1, R2 şi R10) prezintă un “potenţiometru de calibrare” (R10).

Circuitul de control al ventilatoarelor.

Pentru a prelungi viaţa ventilatoarelor şi pentru a reduce nivelul de zgomot atunci când este posibil, am decis ca turaţia ventilatoarelor să fie proporţională cu curentul de descărcare. Acest lucru este realizat de IC1B (al doilea amplificator operaţional din circuitul integrat TL072) care prin Q4 şi T1 aplică ventilatoarelor o tensiune proporţională cu semnalul de la ieşirea lui IC1A. Gradul de proporţionalitate se stabileşte din potenţiometrul R18.

Circuitul de control al buzzer-ului

Buzzer-ul este de obicei un traductor care consumă mai mult curent decât poate da placa Arduino Uno. Aşa că pentru a evita eventualele probleme, am interpus între placa Arduino Uno şi buzzer tranzistorul Q2. În acest mod nu prea mai are importanţă cât curent consumă buzzer-ul pentru că acesta este alimentat din sursa de alimentare a modulului hardware. Ba chiar în loc de buzzer la nevoie poţi monta un mic difuzor. Pentru a putea regla intensitatea sonora emisă de buzzer, circuitul este prevăzut cu potenţiometrul R15.

Circuitul de alimentare al LCD-ului

În datasheet-ul LCD-ului folosit (click aici pentru a-l vedea) spune că acesta trebuie alimentat cu un curent de maxim 250mA. Pentru a îndeplini această condiţie, am realizat o sursă de curent constant cu D3, D4, R16, R17 şi Q3. Pentru a prelungi viaţa LCD-ului am configurat acest circuit pentru un curent de doar 100-120mA, valoare la care caracterele afişate pe LCD se văd suficient de bine. Dacă însă vrei să faci LCD-ul şi mai luminos poţi reduce valoarea lui R16, având grijă ca aceasta să aibe cel puţin 2,2 ohmi.

Conectatea acestui circuit la LCD se face prin intermediul a două fire lipite pe cei doi pini din partea dreaptă a LCD-ului. Bineînţeles, firul cu tensiune pozitivă se lipeşte pe pinul A (anod), iar cel cu tensiune negativă pe pinul K (catod).

Atenţie ! În general la acest tip de LCD-uri pinul 2 este pinul prin care se alimentează circuitele logice ale acestuia. În cazul LCD-ului folosit în acest proiect, circuitele logice sunt alimentate direct din pinii A şi K de care vorbeam mai sus.

Asamblarea componentelor

Prima etapă constă în realizarea modulului hardware. Am transpus schema acestuia în cablajul prezentat în figura 2.

Figura 2. Imagine a cablajului pentru modulul hardware. Pentru o variantă cu o rezoluţie mai mare a acestei imagini, click aici.

Apoi am folosit metoda transferului termic de toner pentru a realiza cablajul fizic. Până voi face şi eu unul, un tutotial bun pentru această metodă îl poti găsi aici. Fişierul care conţine imaginea la scara 1:1 ce trebuie transpusă pe cablaj este ataşat aici: Layout PCB modul hardware.

Consider că se observă uşor din schemă ce componente au fost utilizate. Dacă însă ai nelămuriri, anunţă-mă şi revin cu informaţii suplimentare.

După realizarea modulului hardware am realizat sistemul de răcire al tranzistoarelor T2-T6. Tot pe acest sistem de răcire sunt montate IC2, Q3 şi T1 (care din figura 2 se observă că nu sunt incluse în PCB). Sistemul de răcire este compus din două radiatoare ca acestea, montate aşa ca în figura 3. În partea de jos a acestora am adăugat două ventilatoare de 80x80x25 mm (alimentate din conectorul CON.1).

Figura 3. Sistemul de răcire al capacimetrului

Sistemul de răcire a fost instalat într-o carcasă din plexiglas de 4 mm grosime a cărei formă se poate observa în figurile 4 şi 5.

Figura 4. Imagine din dreapta-sus a carcasei capacimetrului.

Figura 5. Imagine din stânga-jos a carcasei capacimetrului.

Pentru mai multe detalii poţi descărca de aici modelul 3D (Solidworks) al acestei carcase. Eu unul am lipit panourile de plexiglas cu poxipol şi apoi le-am acoperit cu o folie autocolantă. Nu a ieşit o carcasă urâtă sau lipsită de rezistenţă însă dacă aş mai face-o odată aş fixa panourile între ele cu corniere din aluminiu şi la urma aş ruga pe cineva de la o vopsitorie auto să mi-o vopsească.

Aşa cum se observă din figurile de mai sus, carcasa are un perete interior menit să confere o rigiditate suplimentară ansamblului. Carcasa are toate panourile lipite între ele în afara de panoul de jos care este fixat cu şuruburi şi care astfel permiţe accesul în carcasă. Pe panoul intermediar am montat placa Arduino Uno şi modulul hardware, lăsând transformatorul pe peretele lateral dreapta. Modulul hardware nu apare nici în imagini şi nici în modelul 3D pentru că nu l-am modelat :). Pentru fixarea lui am folosit o placă din plexiglas de aceleaşi dimensiuni cu PCB-ul modulului. În această placă am făcut 4 găuri corespunzătoare găurilor de pe PCB-ul modulului, am introdus 4 şuruburi M3x16, am imobilizat aceste şuruburi cu câte o piuliţă M3 şi apoi am lipit placa cu poxipol de panoul intermediar al carcasei undeva unde era mai comod. După întărirea poxipolului, modulul hardware se introduce cu cele 4 găuri pe cele patru şuruburi de care vorbeam mai sus şi se fixează cu câte 4 piuliţe M3.

Interconectare LCD, placă Arduino Uno şi modul hardware

Pentru a conecta ceva la sau de la placa Arduino Uno trebuie procurate nişte fire de conexiune tată-tată la fel ca acestea de aici. Schema de interconectare LCD, placă Arduino şi modul hardware este prezentată mai jos.

 Figura 6 . Interconectare LCD, placă Arduino Uno şi modul hardware. Pentru o rezoluţie mai bună click aici.

Dacă intenţionezi să realizezi şi tu acest proiect, înainte de a face toate conexiunile este foarte recomandat ca prima dată să conectezi doar transformatorul de alimentare la modulul hardware şi să verifici dacă tensiunile de +15V, +8V şi -12V sunt corecte. Este foarte bine să verifici şi funcţionarea sursei de curent constant a LCD-ului (conectând un ampermetru în locul LCD-ului şi verificând dacă acesta indică un curent de 100-150mA).

Punerea în funcţiune şi reglajul capacimetrului pentru acumulatori auto

După ce toate blocurile au fost montate la locul lor, trebuie să programăm microcontroller-ul plăcii ARDUINO UNO. Soft-ul poate fi descărcat de aici: Soft Capacimentru Acumulatori Auto. Pentru programare este necesar pachetul ARDUINO IDE care poate fi descărcat de aici.

Înainte de programare trebuie ca pinii 11 şi 12 ai plăcii Arduino Uno să fie deconectaţi temporar de la LCD, deoarece în caz contrar programarea este imposibilă. Pentru programarea propriu-zisă se conectează un cablu USB între PC şi placa Arduino Uno, se încarcă în ARDUINO IDE soft-ul Soft Capacimentru Acumulatori Auto şi apoi se dă click pe upload.

După programarea microcontroller-ului conectăm un acumulator auto la bornele capacimetrului iar pe unul din cablurile de legătură conectăm un ampermetru care poate măsura cel puţin 5-6 [A]. Pornim capacimetrul şi din meniul acestuia setăm o capacitate acumulator de 20 [Ah], o viteză de descărcare de 5[%/h] şi o tensiune minimă acumulator de 10[V]. După iniţierea descărcării verificăm dacă ampermetrul indică acelaşi curent ca şi cel afişat pe LCD (în mesajul curent descărcare [A]). Dacă nu, reglăm din potenţiometrul R14 până când cele două valori devin egale. Apoi verificăm cu un voltmetru dacă tensiunea de la bornele capacimetrului corespunde cu cea afişată pe LCD (în mesajul tensiune acumulator [V]). Dacă nu, reglăm din potenţiometrul R10 până când cele două valori devin egale.

Oprim capacimetrul, deconectăm ampermetrul şi conectăm acumulatorul direct la bornele capacimetrului. De aceasta dată setăm o capacitate acumulator de 100 [Ah], o viteză descărcare de 10[%/h] şi o tensiune minimă de 10[V]. După începerea descărcării rotim potenţiometrul R18 astfel încât ventilatoarele să nu facă prea mult zgomot. Aşteptăm 10 minute şi dacă observăm că radiatoarele s-au încălzit inacceptabil de mult, mai creştem puţin din R18 turaţia ventilatoarelor.

Ultimul reglaj este cel al intensităţii sonore a buzzer-ului. Pentru aceasta, iniţiem o descărcare (cu orice parametri) şi deconectăm acumulatorul. În scurt timp capacimetrul va afişa pe LCD mesajul “Capacitate finală” şi va emite beep-uri a căror intensitate se ajustează din potenţiometrul R15.

Cam acestea cred eu ca ar fi cele mai importante lucruri despre Capacimetru Acumulatori Auto – primul meu proiect bazat pe Arduino. Mi-am propus să fac un rezumat cât mai complet al acestui proiect însă în cazul în care nu am reuşit, te rog să mă contactezi pentru informaţii suplimentare.

Cu bine,

Ciprian