В настоящее время все более широкое распространение получают
устройства телеметрии с передачей информации по радиоканалу, при
этом в качестве радиоканала все шире используются системы мобильной связи.
Несомненно, использование сети мобильной связи дает ряд существенных достоинств:
Под понятием устройств телеметрии имеются в виду различные устройства охранной и
тревожной сигнализации, контроля технологических процессов, системы удаленного мониторинга
за состоянием больных и еще очень много различных путей применения подобных
систем.
К блокам питания в подобных устройствах телеметрии есть определенные требования:
Так и представляется специализированная
микросхема - на вход подаем питание от сетевого адаптера, на выход - нагрузку.
И выходное напряжение желательно регулируемое. К ней же подключаем аккумулятор.
Тип аккумулятора тоже настраивается, как самый простой вариант -перемычками. Отдельные ноги для сигналов мониторинга. Но к сожалению ничего
подобного найти не удалось.
Есть рекомендации по построению подобных блоков, например рекомендации семинара
SIMCOM.
Это решение! Возможно даже лучшее решение, но достаточно дорогое и габаритное. И
кроме того существует еще ряд факторов,
с которыми я столкнулся при разработке устройства - постараюсь раскрыть их ниже.
Первое - это форм-фактор аккумуляторной батареи. Оказалось что это достаточно
серьезная проблема.
Пожалуй лучший выбор для устройств подобного рода - это
литий-ионные аккумуляторы. Малый вес, габариты, высокая энергоемкость. Но вот тут
проблема.
Может я и ошибаюсь, но у этих аккумуляторов нет стандартного форм-фактора. По
крайней мере у всего того, что доступно единого форм-фактора точно нет.
Даже у одной и той же фирмы-производителя существуют модели с похожими
техническими характеристиками, но с совершенно несовместимыми форм-факторами.
При похожей призматической форме разная длина, ширина, высота, различное
расположение контактов.
Возникает вопрос - а как же крепить данный аккумулятор в разрабатываемое
устройство. Конечно если фирма имеет возможность заказать изготовление
корпуса для своего изделия тогда вопрос отпадает. Так что вопрос форм-фактора стал большой
проблемой и неудобством.
Есть еще один важный фактор - при всей своей привлекательности литий-ионные
аккумуляторы самые небезопасные.
А так, как устройства телеметрии предполагают длительную работу без контроля со
стороны человека и случится может всякое, то
литий-ионные аккумуляторы и в этом плане вероятно не лучший выбор.
Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи выпускаются
цилиндрической формы типоразмеров A, AA, AAA. Вот тут нет никаких проблем с
креплением батареи. Выпускаются готовые кассетницы весьма неплохого вида и
качества. Можно обойтись и без кассетниц - в продаже есть много
никель-металлгидридных аккумуляторных батарей AA, сваренных точечной сваркой в
батареи, упакованных в термопластовую пленку
и имеющее выводные провода с клеммами. А для такой батареи просто следует
предусмотреть соответствующий "карман" в корпусе устройства.
Собственно с такого типа аккумулятором и проводилась отладка. Аккумулятор NiMh
T236 - 1300 mAh (made in China).
Современные никель-металлгидридные аккумуляторные батареи избавлены от
большинства недостатков своих предшественников - никель-кадмиевых аккумуляторов. Никель-металлгидридные
аккумуляторы держат напряжение «до последнего», а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана,
напряжение быстро снижается.
NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти». Это означает, что
заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно,
если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же
аккумулятор был частично разряжен,
а затем не использовался в течение длительного времени (более 3 дней), то перед
зарядом его необходимо разрядить.
Экологически безопасны. Аккумуляторы нужно хранить полностью заряженными.
При хранении надо проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1 В.
Исходя из этих соображений были выбраны NiMH аккумуляторы - батарея из 3-х
элементов, напряжение 3.6 - 4.2 Вольт.
Итак тип аккумулятора выбран. Блок-схема устройства тоже понятна:
Блок-схема устройства представлена на рисунке 1.
Принципиальную схему устройства можно построить из
специализированных микросхем - зарядного устройства (имеется весьма широкая номенклатура соответствующих микросхем),
специализированной микросхемы для переключения между основным и резервным источником питания, например LTC4412, и так далее.
Но в данной разработке основная работа возлагается на микроконтроллер, программа которого и должна выполнять функции вышеперечисленных блоков.
Зная возражения о надежности функционирования микроконтроллера, правильности алгоритма работы устройства, верности схемотехнического решения, могу сказать - все в руках
человеческих, т.е. разработчика. Устройство спроектировано на микроконтроллере
ATiny13, как отдельный специализированный модуль.
При первичной отладке нагрузка состояла из потенциометров и реостата.
На второй стадии была подключена "живая" нагрузка - микроконтроллер ATMega128 и
модуль GSM SIM300CZ, со всей соответствующей обвязкой.
Т.е. устройство, собранное на макетнице, активно выполняло работу по телеметрии с
передачей данных посредством SMS, голоса и используя протокол GPRS транслировало данные на Web-сервер.
Программа для микроконтроллера ATiny13 написана в среде CodeVision. Получилось
отдельное устройство мониторинга, переключения источников питания, контроля заряда для NiMh аккумуляторов на
микроконтроллере ATiny13.
В основном проекте все это будет выглядеть не так. Программа будет выполняться
как отдельный процесс в программе целевого устройства, построенного на микроконтроллере ATMega128.
Как операционную систему использую свой собственный mRTOS. Программа разработанная для ATiny13, соответствующим образом адаптированная, отлично вписалась в главную программу
целевого устройства как отдельный процесс mRTOS.
Рисунок 2.
Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 2.
В качестве блока сетевого адаптера используется готовый покупной
блок с малыми габаритами, собранный по импульсной схеме, с выходным напряжением 5 Вольт, током - 3 Ампера. Диоды VD2 (кремниевый) и VD3 (Шоттки)
предназначены для уменьшения входящего напряжения на 1 Вольт.
Так что на непосредственно на нагрузку с сетевого адаптера поступает 4 Вольта.
В качестве блока переключателя с основного питания на резервное и обратно служит
узел построенный на диоде VD4, резисторе R4 и полевом транзисторе VT3. Пока поступает напряжение из сетевого адаптера
транзистор VT3 заперт, при пропадании напряжения транзистор открывается и напряжение с резервного аккумулятора подается на
нагрузку. При появлении напряжения, соответственно транзистор закрывается и аккумулятор отключается от нагрузки.
Программа микроконтроллера ATiny13 осуществляет мониторинг сетевого напряжения,
уровня заряда аккумуляторной батареи, управляет зарядом аккумуляторной батареи, определяет наличие\отсутствие\исправность аккумуляторов.
Светодиод VD5 сигнализирует о том, что идет цикл заряда аккумуляторных батарей.
Свечение светодиода VD6 говорит об опасном разряде батарей (60%), мигание этого светодиода с частотой 2 раза в секунду - остутствие или
неисправность аккумулятора. Светодиод VD7 предназначен для индикации пропадания сетевого (основного) напряжения питания.
Напряжения с делителя на резисторах R7 и R8 поступает на вход компаратора микроконтроллера ATiny13, второй вход компаратора программно
подключен к внутреннему источнику опорного напряжения (ИОН) 1.1 Вольт. Любое изменение на входе компаратора обрабатывается по прерыванию,
после чего формируются сигналы о пропадании\появлении сетевого питания +5 Вольт.
Делитель на резисторах R11 и R12 формирует напряжение для АЦП микроконтроллера ATiny13. Оцифровывая это напряжение программа оценивает
уровень заряда аккумуляторов.
Блок заряда аккумуляторов состоит из диода VD1 (Шоттки), полевого транзистора
VT1, биполярного транзистора VT2, резисторов R1, R2, R3.
Управление зарядом аккумуляторов осуществляется программно.
Для разработки алгоритма заряда аккумуляторов в целевом устройстве пришлось
проработать материалы об устройстве аккумуляторов, их эксплуатации и способах заряда. Очень полезной оказалась книга -
"Аккумуляторы" Д.А. Хрусталева, 2003, ООО "Изумруд".
При ближайшем рассмотрении видно, что схема заряда сделана по простейшей схеме -
источник стабилизированного питания плюс токоограничивающий резистор. Так оно и есть, токоограничивающий резистор R3 рассчитан
таким образом, что при полном разряде аккумуляторных батарей ток заряда в начале цикла будет равен 400 mA., что составляет 0.3C. Далее в
течении часа ток падает до 100 mA. - 0.1C, и так продолжается в течении всего цикла заряда. Т.е. в начале цикла заряда режим заряда можно
оценить как "Quick Chargers", а далее переходит в режим консервативной зарядки. Контроль заряда происходит 2-мя способами.
1-ый по достижению батареей определенного напряжения в конце заряда и ее
отключения в этот момент. В нашем случае это напряжение 4.2 Вольт.
2-ой способ - по таймеру. Таймер включается на 12 часов, после чего, заряд
отключается, если батарея не зарядилась за это время до минимального уровня заряда - 3.9 Вольт, то это признак неисправности батареи и формировании
сигнала о необходимости замены аккумуляторов. Эта оценочная функция не введена в программу для ATiny13, но существует в программе целевого
устройства.
Возможно это не самый лучший способ заряда аккумуляторов, но не противоречит
рекомендациям и теории, такое устройство можно позиционировать как зарядное устройство среднего класса, согласно способам оценки опубликованных
в статьях и книге.
Во время тестов было проведено 30 циклов разряда/заряда. Заряд осуществлялся в
течении 7-8 часов, останов заряда - по достижению батареей напряжения 4.2 Вольт. Целевое устройство работало от
аккумуляторной батареи с "живой" нагрузкой в течении 10 часов, после
чего отключалось из-за понижения напряжения ниже минимума.
Узел на транзисторах VT4 и VT5 предназначен для управления питанием нагрузки. В приведенной схеме установлена перемычка, т.е. "всегда включен".
В целевом устройстве программа микроконтроллера управляет включением\выключением питания на GSM модуль SIM300CZ.
На макетной плате мощные диоды были установлены из тех, что были в наличии. Для серийного устройства из богатой номенклатуры подобных изделий
следует выбрать низковольтные SMD диоды с током не менее 2-х ампер. Биполярные транзисторы использовались KT315, их также следует выбрать
в SMD выполнении с похожими на КТ315 параметрами. Диод VD4 - КД520.
Ссылка на проект ПО - Charge Atiny13.