Микроконтроллерная генераторно-аккумуляторная система электрооборудования велосипеда

Автор: Guaho_150, guaho150@gmail.com
Опубликовано 05.02.2015
Создано при помощи КотоРед.

Здравствуйте, уважаемые форумчане!

             Меня, как заядлого веломана, всегда интересовали вопросы "электрификации" своего двухколёсного друга. Предлагаю вашему вниманию мою новую разработку - упрощённую систему электрооборудования (система освещения, габаритов, поворотов и т.п.) для обычного велосипеда (без мотор-колеса, эта статья - не про электро-велосипед).

            Система названа "упрощённой", т.к. является временным заменителем более сложной конструкции, работы над которой успешно ведутся - полноценного самодельного велокомпьютера с дисплеем и кучей необходимых и полезных функций. Но до окончания тех работ ещё далеко, и чтобы иметь возможность комфортно ездить уже сейчас, я решил сделать вот такую более простую систему управления. Конструкция опытная, кое-что требует доработки, да и моя схемотехника кому-то может показаться "избыточной". "Эстетика" исполнения тоже не на высоте, но уж как получилось.

             Итак, что это за система? Её функционал таков:

1) Две передних фары - ближний и дальний свет (практика показала, что это удобно).

2) Две вида ближнего света - "эллиптический" и "круглый".

3) Две вида дальнего света - "обычный" и "противотуманка".

4) Повороты.

5) Стопарь, включающийся при торможении (два вида - "аккумуляторный" и "генераторный").

6) Задний габарит (2 режима: мигание либо непрерывное свечение).

7) Передний габарит (2 режима: мигание либо непрерывное свечение).

8) Подсветка шкал переключателей скоростей.

9) Подсветка багажника при открытии.

10) Подсветка пространства вокруг велосипеда на стоянке (удобно при парковке в тёмных местах).

11) 4-х-уровневый вольтметр со светодиодной индикацией уровня напряжения АКБ.

12) Питание фар переднего света от динамовтулки (возможен вариант с питанием от АКБ).

13) Два режима поездки - "день" и "сумерки/ночь" (далее для простоты - "день" и "ночь"), определяющие режим работы светоприборов.

14) Автоматическая активация системы при начале движения либо по нажатию кнопок, и отключение всех модулей по тайм-аутам с уходом в "сон" (у каждого модуля - свой тайм-аут); в связи с этим выключатель питания в системе отсутствует за ненадобностью.

       Опционально в данную конструкцию заложен на будущее, но не реализован в нынешней прошивке контроллера ещё такой функционал:

      - возможность зарядки маломощных внешних устройств (телефоны, навигаторы и т.п.) в движении от генератора;

      - подзарядка аккумулятора в движении от генератора.

             Все источники света - светодиодные. Мощность их такова:

                        - Передние фары - 2...2,3 Вт в среднем.

                        - Повороты (одна ветка) - 2,5 Вт.

                        - Стопарь № 1 - 1,2 Вт.

                        - Стопарь № 2 - 0,25 Вт.

                        - Задний габарит - 0,15 Вт.

            Работа фар переднего света от генератора позволяет разгрузить аккумулятор и существенно повысить время между подзарядками. Кроме того, в случае, если аккумулятор совсем разрядился, а нужно ехать в тёмное время суток (такие ситуации бывают!), генератор обеспечивает систему энергией. Цена такого генератора - совсем не астрономически высокая, порядка 60$, а всё вместе с работой по спицовке в хороший новый обод мне обошлось примерно в 120$ (динамо-втулка Шимано DH-3D30).

            Тем не менее, систему вполне можно доработать так, чтобы фары питались от аккумулятора. Варианты такого решения будут рассмотрены ниже.

             К другим особенностям системы можно отнести кнопочное управление (с поддержкой "длинных" нажатий), а также "нестандартное" включение светодиодов фар, что позволило минимизировать потери и соответственно получить максимум силы света. Использование кнопок, а не тумблеров, продиктовано требованием влагостойкости (практика показала, что контакты тумблеров со временем ощутимо окисляются, что мешает нормальной работе) - посему выбор пал на влагостойкие кнопки B3W от известного производителя Omron. Кроме того, кнопки удобнее тумблеров в работе, да и функциональнее - есть возможность делать "длинные" нажатия.

Вот так это выглядит:

 Структурная схема.

"Мозгом" системы является микроконтроллер PIC16F684 (выбирал из того, что было в наличии). Для увеличения количества выходных линий используются сдвиговые регистры 74HC595. Контроллер питается комбинированно - от АКБ и генератора (со стабилизатором) через развязку на ДШ (диодах Шоттки). Питание на сдвиговые регистры (РС) подаётся через ключ. Это сделано для минимизации потребляемого тока в спящем режиме. Также для уменьшения общего потребляемого тока источник опорного напряжения (ИОН) подключается к одному из выходов РС, что позволяет включать ИОН только на время измерения напряжения батареи.

            Для зарядки литиевой АКБ от внешнего блока питания используется специализированная ИМС. Возможность управления током заряда, а также заряда АКБ или внешних устройств реализована аппаратно (на плате), но программно пока не сделана, предусмотрена на будущее. Система ключей и диодных развязок возле "зарядного" гнезда необходима также на будущее для реализации двойного назначения этого гнезда - как для целей заряда, так и как выход для зарядки внешних устройств от генератора.

            Для питания светодиодов используются драйверы, питание на каждый из которых подаётся отдельным ключом. В некоторых драйверах задействовано по 2 ключа (для простоты на блок-схеме не показаны): это драйвер ЗГ (второй ключ размыкает линию питания от АКБ в случае критического разряда последней) и драйвер подсветки багажника, где необходимо двойное управление - по открытию крышки багажника и по истечению тайм-аута подсветки.

Передний свет.

             Он питается без использования драйверов и без балластных резисторов. Всего в фарах переднего света используются 8 трёхваттных светодиодов - это 4 цепочки, в каждой 2 последовательно соединённых светодиода. Каждая такая цепочка может подключаться к выпрямителю генератора через ключи, причём подключение идёт напрямую. Почему так? Во-первых, динамо-втулка - это достаточно маломощный генератор, к тому же с нелинейной нагрузочной характеристикой, и даже на скорости порядка 30 км/ч он не может отдать в нагрузку ток более 0,5 А. Это означает, что ток через светодиоды никогда не достигнет даже номинального значения (0,7 А), т.е. выход светодиодов из строя из-за превышения тока исключён. Во-вторых, падение напряжения на цепочке из двух светодиодов будет порядка 5,6 В (светодиоды Cree) ... 6,6 В (светодиоды других производителей), что в целом близко к номинальному выходному напряжению генератора (6 В), т.е. можно сказать, что генератор будет работать в достаточно оптимальном режиме. Да и с другими задачами (питание светодиодных драйверов, зарядка АКБ от генератора) такое напряжение хорошо согласуется. В-третьих, с ростом тока через светодиоды их эффективность (соотношение люмен/ватт) хоть и незначительно, но падает, поэтому два светодиода в "недонапряжённом" режиме будут давать света больше, чем один в "перенапряжённом", при прочих равных условиях. В-четвёртых, работа светодиодов не на полную мощность приводит к меньшему нагреву кристаллов, что повышает надёжность и продлевает срок их службы. Да и сам принцип прямого, без драйвера, включения светодиодов обладает более высокой надёжностью, чем вариант с драйверами.

            Описанный подход очень хорошо зарекомендовал себя на практике (почти год поездок). Вообще, поначалу у меня были мысли использовать драйверы для питания светодиодов фар - это позволило бы сделать простую систему поддержки яркости фары на низких скоростях и остановках, но подсчёты показали, что потери будут очень велики, порядка 0,5Вт, и это для 3-х-ваттного генератора! От идеи пришлось отказаться и выбрать уже описанный проверенный вариант, в котором энергия генератора без потерь подаётся прямо к основному потребителю - фарам переднего света. Упомянутая поддержка яркости будет выполняться отдельным повышающим драйвером, но это планы на будущее, пока этого в системе нет.

Схемы и платы.

            Схема электрическая принципиальная из-за больших размеров и блочной методики проектирования разбита на части, соответствующие платам системы:

            - плата выпрямителя.

            - плата процессора (CPU + 2 местных регистра сдвига).

            - плата УРС (удалённых регистров сдвига).

            - плата АКБ (контроллер заряда, различные ключи).

            - плата драйверов.

            - плата-держатель АКБ (на ней установлены, кроме АКБ, только предохранитель и сглаживающий конденсатор на 22.000 мкФ, но вполне можно поставить и на 10.000 и даже менее).

             В конструкции используются такие типы дискретных элементов: биполярные транзисторы BC846, FMMT617 (ключевые в драйверах светодиодов), полевые IRLML6344 (N-канал) и IRLML9301 (Р-канал). Диоды Шоттки в слаботочных цепях - 15MQ040; в силовых - STPS2L. Обычные диоды - типа 1N4148. Регулируемые стабилитроны - TL431. Допустима замена большинства компонентов на аналоги.

            Монтаж - поверхностный, что позволило ощутимо уменьшить размеры плат по сравнению с вариантом монтажа "в отверстия".

             Схемы плат даны в "монтажном" варианте, то есть на них не указаны внешние устройства (светодиоды, кнопки, датчики), а только обозначены контактные площадки (как элементы разъёмов, но это именно контактные площадки) для подключения к ним межплатных и других соединительных проводов (в целях минимизации проблем с плохими контактами в разъёмах в условиях тряски и, возможно, повышенной влажности, большинство межплатных соединений выполнено методом пайки). Отдельно прилагается схема подключения кнопок, датчиков и светодиодов к платам, а также - схема соединения радиокомпонентов на манетках.

            Блочный принцип не только упростил разработку, но и позволил минимизировать проблемы с помехами по "земле" (путём правильного выбора точек подключения "земли"). Если бы всё делалось на одной большой плате, пришлось бы тщательно продумывать топологию платы и взаимное положение узлов таким образом, чтобы силовые линии питания мощных узлов не создавали помех малосигнальным цепям. В данной конструкции с целью минимизации взаимных помех принято чёткое разделение по мощностям: в малосигнальных платах (процессорная и УРС) нет ни одной силовой цепи. Силовые платы (плата драйверов) и малосигнальные имеют разные "земли" и "плюсы": на плате, где установлены аккумуляторные банки, установлен сглаживающий конденсатор большой ёмкости, и к каждому выводу конденсатора слева присоединяются силовые проводники, а справа - сигнальные.

            Схема и вид платы выпрямителя:

             Выпрямитель генератора - двойной мост на 6 диодах Шоттки (общий "-" и два независимых "+"). Это необходимо для уменьшения взаимного влияния цепи питания фар и других цепей, использующих энергию генератора. Кроме того, это сделано на будущее, т.к. есть планы сделать "хитрый" драйвер "поддержки фары" на низких скоростях и коротких остановках, и такое схемное решение (мост с двумя выходами) будет просто необходимо. В целях снижения потерь выбран тип ДШ с малым прямым падением напряжения (STPS2L40U) - на диодах этого типа при токе 0,5 А падает не более 0,3 В. Такие же диоды используются в светодиодных драйверах поворотов и стопаря. В других местах схемы, где токи малы, используются ДШ типа 15MQ040.

            На плате выпрямителя также расположены ключи на ПТ для подключения нужных светодиодных цепочек к генератору: P-канальный ключ (для уменьшения потерь - сдвоенный, на Q1, Q3) для общего включения и N-канальные ключи для включения цепочек светодиодов (Q4...Q7). Ключ общего включения необходим для исключения бросков тока через светодиоды при включении (это самое простое, но не единственно возможное решение).

            Один из "+" с диодного моста подаётся на ограничитель (мощный стабилитрон типа Д815Б на 6,9 В, который при желании можно заменить схемой мощного шунта на связке TL431 + мощный P-N-P транзистор) и сглаживающий конденсатор, а далее через P-канальный ключ общего включения - на сглаживающие конденсаторы общей ёмкостью 44.000 мкФ. Эту ёмкость можно уменьшить, но желательно не ниже 20.000 мкФ, иначе мерцание света на низких скоростях, когда частота переменного тока генератора мала, станет слишком заметным. Ограничитель обязательно необходим по той причине, что напряжение холостого хода генератора, если его не ограничивать, может подняться очень высоко, до нескольких десятков вольт, что может привести к пробою сглаживающих конденсаторов.

            Ключ общего включения управляется от ПТ Q2 (это необходимо для "привязки" управления к "земле"). Вместо него можно установить биполярный транзистор (BC846), изменив номиналы делителя с 1М - 100К на 100К - 10К (а по цоколёвке всё совпадёт). Конденсаторы С1-С4, С9 введены "на всякий случай", для увеличения помехозащищённости. В принципе, их можно не устанавливать, а номиналы делителей в цепях затворов ПТ уменьшить с 1М - 100К на 10К - 1К (уменьшение входного сопротивления увеличит помехозащищённость).

            "Плюс" со второй выходной ветки диодного моста подаётся на сглаживающий конденсатор и далее - к выходным контактным площадкам, для питания потребителей.

Схема и вид платы процессора:

Фиолетовым цветом выделен блок стабилизатора напряжения генератора. Выходное напряжение стабилизатора выбрано на уровне 4,4...4,5 В, чтобы в движении превышает напряжение АКБ (в этом случае "аккумуляторный" диод будет закрыт, т.е. энергия от АКБ в цепи контроллера и регистров сдвига потребляться не будет).

            Зелёным цветом выделен блок, формирующий сигнал от датчиков торможения. Представляет собой "монтажный" логический элемент, на который подаются сигналы от герконов двух датчиков торможения. Контакты этих герконов в нормальном положении замкнуты, и размыкаются при нажатии рукоятки тормоза. Размыкание любого из двух контактов приведёт к открытию соответствующего транзистора и формированию лог. 0 в точке соединения коллекторов U4, U5. Вообще, всё можно было бы сделать проще - включить два геркона последовательно, один конец этой цепочки к "+", другой - к резистору на 10 кОм и далее на "землю", и при размыкании любого из датчиков формировался бы нужный лог. уровень. Но дело в том, что изначально я решил делать соединение элементов схемы на манетках с процессорным модулем через 5-контактные разъёмы, и для реализации простого схемного решения банально не хватило выводов. Вот и пришлось городить "монтажную" логику.

            Голубым цветом выделен блок, при открывании багажника формирующий короткий импульс, имитирующий одновременное нажатие сразу 3-х кнопок клавиатуры. Такое ухищрение связано с нехваткой выводов контроллера (повторюсь, выбирал контроллер из того, что было).

            Диоды D1, D2 - развязка по питанию между двумя источниками (АКБ и генератор). Диоды D1 и D7 выполняют функцию развязки между схемой и программатором, что позволяет проводить прошивку без переключения джамперов (отладка программы проводилась методом многократных перепрошивок).

            Конденсаторы С7, С10-12 предназначены для ослабления помех по линии клавиатуры, но на реальной плате они не устанавливались. Резисторы R16, 18, 33 являются защитными на случай нештатной ситуации замыкания в кабеле; их тоже можно не устанавливать.

            Резисторы R38, R39 можно не устанавливать, т.к. выходы "TRS_L" и "TRS_R" не используются. Изначально планировалось подключать к ним светодиоды, вставленные в торцы руля, но впоследствии я от этой затеи отказался, т.е. программно эта задумка не реализована. Эти линии можно использовать для других нужд - какой-нибудь вспомогательной индикации (пока не придумал, какой).

            Важно: из-за нехватки выводов контроллера вход сброса используется как обычный порт ввода/вывода, поэтому для сброса процессора (если вдруг случится "глюк") используется метод отключения питания, т.е. питание на схему подаётся через нормально замкнутые контакты переключателя сброса (я использовал "микрик" от компьютерной мыши). Можно сделать гораздо проще: вместо переключателя сброса запаять перемычку, а при необходимости выполнить сброс просто вынимать предохранитель из держателя и вставлять обратно.

            Важно: регистры 74HC595 должны быть без буквы "Т" в маркировке, т.к. минимальное питающее напряжение для ИМС 74HCT595 составляет 4,5 В, что неприемлемо для данной конструкции. Кроме того, у ИМС 74HC595 разных производителей бывает разная логика управления! Я использовал эти ИМС в корпусах SO16-150 от производителя ST. В то же время, у меня есть те же ИМС, только от другого производителя, в DIP-е, и они управляются по-другому. Но этот момент не является проблемой: прошивку можно легко скорректировать под ИМС любого типа.

            Важно: В некоторых местах (в основном на плате процессорного модуля) для уменьшения числа переходов я использовал перемычки - резисторы в корпусах 1206 сопротивлением 0 Ом. Однако, на схеме эти перемычки не обозначены, а их маркировке я в своё время не уделил должного внимания, поэтому их расположение указано на фото (приведено в архиве).

            Ну и конечно же, ничто не мешает сделать - при желании - свою, более оптимальную разводку, или соединить несколько плат в одну.

            Важно: ещё одной моей недоработкой оказалось то, что напряжение АКБ измеряется в точке "схождения" напряжений АКБ и генератора. А т.к. напряжение с выхода "генераторного" стабилизатора будет в движении выше напряжения АКБ, вольтметр в этом случае будет всегда показывать 100% напряжения,  и только на остановках будет показываться истинное напряжение АКБ. В связи с этим недочётом желательно не подключать проводник выхода генератора к процессорной плате, а питать её только от АКБ. В этом случае также не будет нужды запаивать детали стабилизатора на плату, раз он не будет использоваться. Другой вариант исправления этой ошибки - дополнительный ключ, подающий напряжение АКБ на внешний резисторный делитель вольтметра.

            Схема и вид платы УРС (удалённых регистров сдвига):

            Схема и вид платы АКБ:

             Здесь расположен контроллер заряда на специализированной ИМС MCP73831, а также различные ключи: ключ Q4 подаёт питание от АКБ на ЗГ; диодная развязка на D1, D2 соединяет "+" двух разных источников - АКБ и генератора. Ключ Q1 может подавать напряжение генератора на ИМС заряда, для заряда АКБ в движении. Эта опция - на будущее, и если планируется её использовать, то необходимо установить дополнительный ограничитель (мощный стабилитрон либо схема мощного шунта из даташита на TL431, с порогом порядка 5,4...5,8 В) по входу ИМС заряда (это моя недоработка, что его нет на плате), чтобы защитить эту ИМС от перенапряжения.

            Ключ Q2 может подавать питание на стабилизатор, формирующий +5 В для зарядки внешних устройств (эта опция - тоже на будущее). Реально компоненты стабилизатора я не устанавливал - решил, что поставлю (в будущем) интегральный LDO-стабилизатор, так будет проще.

            Ключ Q5 является нормально замкнутым; он подаёт напряжение с гнезда заряда на вход ИМС заряда АКБ. Подача управляющего лог. 0 на вход "VN_ZAR_OFF" размыкает ключ Q5; это необходимо на будущее в случаях, когда гнездо будет "работать на вывод" энергии, если можно так выразиться, чтобы одни модули не мешали другим.

            Ключи Q3, Q6, Q7 используются для управления током заряда АКБ и являются нормально замкнутыми, благодаря чему ток заряда по умолчанию составляет около 0,5 А. Вариациями состояния этих ключей можно получить дополнительно токи заряда порядка 80, 200, 300 и 400 мА (эта опция - тоже на будущее). Для простоты можно эти ключи и их "обвеску" не устанавливать, а просто впаять резистор на 2,2 кОм (ток заряда = 0,5 А) с вывода PROG ИМС заряда на "землю".

            Схема и вид плат драйверов:

             Так сложилось, что   драйвера ЗГ и "генераторного" стопаря были мною смонтированы на отдельной плате задолго до того, как нынешняя идея о вело-электро-оборудовании обрела чёткие черты, поэтому в моём варианте конструкции драйвера располагаются на двух платах. В прилагаемых файлах даётся общая схема - для представления целостной картины.

            Драйвера собраны на специализированных компонентах от Zetex - это ИМС драйверов ZXSC300 и 400, а также ключевых транзисторах FMMT617. Плюс такого решения - простота схемы и подходящий диапазон питающих напряжений, как раз удобный для данной задачи. Минус - некоторая нестабильность тока нагрузки при изменении питающего напряжения (в мощных драйверах), однако это практически не заметно на глаз и, как говорится, "погоды не делает".

            Для питания светодиодов поворотов используется повышающий драйвер. Светодиоды в каждой цепочке ("правой" и "левой") включены последовательно (по 2 в цепочке); эти цепочки подключаются к выходу драйвера через ключи на Q12, Q13, обозначенные на блок-схеме как "Коммутатор нагрузок" (это позволяет включать только нужную ветку поворотов). Питание на драйвер подаётся отдельным ключом. Использованы светодиоды  жёлтого свечения, это обязательное условие, и связано оно с тем, что прямое падение напряжение на таких диодах относительно невелико (2,5 В при токе 0,5 А). Если, например, поставить белые светодиоды под жёлтыми колпаками, прямое падение напряжения на цепочке может оказаться слишком высоким, что может привести к перегрузке драйвера поворотов и даже выходу его из строя из-за срыва генерации и критического перегрева ключевого транзистора. Здесь, да и в других мощных драйверах тоже, ток ключевого транзистора задаётся резисторами в его эмиттере. В маломощных драйверах подсветки пространства и подсветки багажника используются ИМС драйверов с двумя компараторами, что позволяет отслеживать не только ток ключа, но и ток нагрузки, и таким образом повысить точность регулирования.

            Драйверы стопарей оба собраны по понижающей схеме, разница лишь в токе, отдаваемом в нагрузку (0,1 А для "генераторного" и 0,4 А для "аккумуляторного"). Питание подаётся на них также через ключи.

            Драйверы подсветки пространства и подсветки багажника собраны по идентичным схемам, только питание на последний подаётся через два ключа (на блок-схеме для простоты показан один): первый подаёт питание только при открытии багажника, второй позволяет выключать драйвер по истечении тайм-аута, даже если багажник остаётся открытым. Нагрузкой каждого из этих драйверов  является цепочка из 2-х соединённых последовательно маломощных интенсивных 180-градусных светодиодов. Оба драйвера имеют защиту от обрыва в цепи нагрузки.

            Драйвер ЗГ собран по повышающей схеме; его нагрузка - 3 маломощных интенсивных светодиода последовательно. Два из них (красные) работают всегда, а в качестве 3-го с помощью ключей коммутации нагрузки (Q4, Q5) можно подключить либо ещё один красный светодиод (в обычном режиме), либо жёлтый (в режиме "Туман"). Как и в других драйверах, для подачи питания используется отельный ключ. Питается драйвер комбинированно - от АКБ и генератора через развязку на ДШ, при этом ещё один дополнительный ключ используется для отключения ЗГ от питающей линии АКБ в случаях, когда последняя критически разряжена. Драйвер имеет защиту от обрыва в цепи нагрузки.

            Схема подключения внешних элементов:

            Как осуществляется управление, как это всё работает?

             На рулевых переключателях скоростей расположены 4 кнопки - 2 большие и две маленькие:

             Функционал:

            Левая Большая Кнопка (ЛБК) - общее включение/выключение переднего света; длинное нажатие - изменение режима день/ночь. В режиме "ночь" зажигается индикаторный светодиод этого режима, и включаются (если велосипед движется) задний и передний габариты (ЗГ и ПГ).

            Правая Большая Кнопка (ПБК) - переключение ближний/дальний; длинное нажатие - переключение светодиодных цепочек того светильника, который сейчас активен, то есть, при включенном ближнем свете "эллиптический" свет будет переключаться на "круглый" и обратно; при включенном дальнем свете дальний будет переключаться на "противотуманку" и обратно на дальний.

            Левая Малая Кнопка (ЛМК), Правая Малая Кнопка (ПМК) - включение/отключение поворотов; длинное нажатие на любую из них - включение соответствующего светодиода подсветки переключателей скоростей.

            Длинное нажатие одновременно на ЛБК и ПБК - включение/выключение драйвера подсветки пространства.

            Длинное нажатие одновременно на ЛБК и ПМК - изменение типа работы ПГ (постоянное свечение или мигание).

            Длинное нажатие одновременно на ПБК и ЛМК - изменение типа работы ЗГ (постоянное свечение или мигание).

            Длинным нажатием считается удерживание кнопки в течение 1,2 с и более.

             Более подробно о работе различных модулей системы.

             1) Повороты.

            Левый поворот включается нажатием ЛМК, правый - нажатием ПМК. Чтобы отключить поворот, нужно нажать кнопку противоположного поворота. Работа поворотов разрешена во всех режимах, как "день", так и "ночь". Тайм-аут времени мигания поворотов - 2 минуты; по истечении этого времени повороты автоматически выключаются (величина, заведомо превышающая, например, время остановки на перекрёстке).

             2) Задний габарит (ЗГ).

            Его работа разрешена только в режиме "ночь"; переключение в режим "день" выключает ЗГ. Ещё одно условие для работы ЗГ - движение велосипеда: ЗГ включается (если был выключен) в начале движения, и автоматически выключается через 2 минуты после остановки.

            Конструктивно ЗГ состоит из 2-х светоизлучающих точек: одна (рассеянный свет) - в светильнике "аккумуляторного" стопаря, вторая (направленный свет) - в светильнике на крыле заднего колеса. При переключении в режим "туман" в светильнике на крыле включается жёлтый направленный светодиод вместо красного.

            Тайм-аут времени работы ЗГ (как и ПГ) - 2 минуты после остановки велосипеда; по истечении этого времени, если не началось движение, ЗГ и ПГ автоматически выключаются.

             3) Передний габарит (ПГ).

            Он расположен в фаре дальнего света и служит габаритом в режиме "ночь" при выключенном переднем свете. Логика его работы - такая же, как и у ЗГ, за упомянутого условия: если передний свет включен, ПГ выключается.

            Важно: в следующей версии прошивки планирую улучшить логику работы ПГ - включать его после остановки велосипеда, даже если фара включена - ведь на остановке она всё равно не горит (напряжение генератора равно нулю), поэтому желательно обозначать велосипед габаритом спереди.

             4) Подсветка переключателей скоростей.

            Работа этой подсветки идентична работе ЗГ - она работает только в режиме "ночь", и только в движении и некоторое время (2 минуты) после остановки.

             5) Стопарь.

            Имеет две разновидности - "аккумуляторную" (основную) и "генераторную" (аварийную). "Аккумуляторный" стопарь - это светильник на уголке под багажником; там же расположены 2 из 3-х светодиодов ЗГ.

            Датчики торможения установлены на манетках в районе ручек тормозов. При торможении включается аккумуляторный стопарь, если заряд АКБ в норме. Если напряжение АКБ опустилось ниже критического порога разряда, при торможении включается "генераторный" стопарь, питающийся от генератора. Мощность этого стопаря - в 5 раз меньше мощности "аккумуляторного", т.е. порядка 250 мВт (чтобы не давать чрезмерную нагрузку на генератор и тем самым не ослаблять слишком сильно яркость переднего света). "Генераторный" стопарь, разумеется, работает только в движении.

            Работа стопаря разрешена всегда, если система находится в активном режиме. Однако, если система после длительного бездействия ушла в "сон", нажатия ручек тормозов не способны вывести систему в активный режим (только кнопки или факт начала движения).

             6) Подсветка багажника.

            Необходимое условие включения этой подсветки - остановка велосипеда (состояние остановки наступает спустя примерно 4 с после последней сработки датчика движения). Подсветка включается при открытии багажника и гаснет при закрытии. Кроме того, если багажник остаётся долгое время открытым, подсветка в целях энергосбережения автоматически гаснет через 1,5 минуты. Плюс к этому, если при открытом багажнике начинается движение, его подсветка гаснет.

             7) Подсветка пространства.

            Так же, как и для багажника, необходимое условие включения этой подсветки - остановка велосипеда; и так же при начале движения эта подсветка гаснет. Тайм-аут времени работы подсветки пространства - 1 минута 20 секунд; по истечении этого времени данная подсветка автоматически гаснет. Если началось движение, эта подсветка выключается.

             8) Вольтметр.

            Он, как отмечалось, имеет 4 зоны индикации напряжения:

                        - 4,0...4,2 В (85...100%) - горит синий светодиод.

                        - 3,6...4,0 В (50...85%) - горит зелёный светодиод.

                        - 3,2...3,6 В (20...50%) - горит жёлтый светодиод.

                        - 3,0...3,2 В (0...20%) - горит красный светодиод.

            Если напряжение АКБ опустилось до уровня 3 В (0% заряда), запрещается работа питающихся от АКБ светоприборов - всех видов подсветок, поворотов, "аккумуляторного" стопаря (вместо него разрешается работа "генераторного"), а ЗГ переходит на питание только от генератора.

             9) Общие положения.

            Система на стоянке находится в режиме "сна", т.е. минимального энергопотребления. Если началось движение, или нажимались какие-либо кнопки, или был открыт багажник, система переходит в активный режим. Когда на стоянке все тайм-ауты работы каких-либо активных модулей системы истекли, система уход в "сон". Тайм-аут по нажатию только кнопок на стоянке составляет 20 секунд.

            Важно: герконовый датчик движения имеет "подтяжку" к "+" через резисторную цепь сопротивлением порядка 12 кОм. При при постановке велосипеда на очень длительную стоянку (более недели) желательно проследить за тем, чтобы магнит на переднем колесе НЕ находился возле геркона датчика, в противном случае через цепи замкнутого датчика будет протекать ток утечки величиной до 350 мкА. Величина, в принципе, не страшно большая, но и не малая: например, батарея ёмкостью 1000 мА*ч, по расчётам, полностью разрядится таким током всего за 4 месяца, в то время как "штатным" током спящего режима такой же аккумулятор будет разряжаться более 11 лет.

            Варианты с питанием фар от аккумулятора.

            Эксперименты с драйверами от Zetex при работе в диапазоне 3,0...4,2 В и больших нагрузочных токах показали не совсем радужную картину. Если делать понижающий драйвер (схемотехника - как у драйвера "аккумуляторного" стопаря), то нагрузкой ему должен служить один светодиод с малым прямым падением - например, Cree (2,8...2,9 В при 0,5 А), т.к. напряжение питания драйвера должно быть на определённую величину больше, чем  падение напряжение на нагрузке, а в нашем случае падение напряжения на LED слишком близко к нижнему порогу входного напряжения. Пример использования понижающей схемы: драйвер стопаря обеспечивает ток через "красный" светодиод (падение 2,3 В) порядка 0,4 А. Пытаться увеличивать этот ток - можно, но опасно: при сильно разряженной АКБ может произойти срыв генерации с последующим жутким разогревом ключевого транзистора.

            Если же делать повышающий драйвер (схемотехника - как у драйвера поворотов), то тогда нагрузкой должна служить цепочка из двух последовательно соединённых LED, но и в этом случае при столь низком питающем напряжении "выжать" из драйвера ток нагрузки более 0,5 А вряд ли получится, особенно когда напряжение питания будет приближаться к нижней границе.

            Такая вот примерно картина,  а выбор тут за вами, какой вариант "ближе к телу". Если такой драйвер будет один, и захочется оставить систему с ближним и дальним светом, то нагрузку драйвера нужно будет переключать P-канальными ключами. Как конкретно это сделать - можем обсудить на форуме (также, возможно, понадобится лёгкая корректировка прошивки).

            Упрощённый способ питания светодиодов (вариант для ленивых).

            Светодиоды в данной конструкции могут быть запитаны по упрощённой схеме - через балластные резисторы. Такой подход позволяет не собирать плату драйверов, т.е. ощутимо упростить повторение. Однако он обладает двумя серьёзными недостатками: заметно худшей экономичностью и более сильной, чем с драйверами, зависимостью яркости свечения светоприборов от напряжения питания. Первый "минус" может оказаться не столь существенным, если будет использоваться АКБ высокой ёмкости.

            Таким способом (через резисторы) можно включить светодиоды поворотов, включив их не последовательно, а параллельно, точнее - параллельно две цепочки "резистор-светодиод" (ставить один резистор на два параллельно соединённых светодиода не рекомендуется). То же самое касается всех других цепочек, где светодиоды в оригинальной конструкции включаются последовательно: все светодиодные цепочки фар (в таком упрощённом случае можно при желании использовать не по 2, а по 1 светодиоду для каждого вида света), подсветка пространства, подсветка багажника. Для одиночных светодиодов ("аккумуляторный" и "генераторный" стопари) ставим по одному балластному резистору на светодиод.

            Для расчёта величин балластных резисторов нужно провести измерения падения напряжения на каждом из используемых светодиодов при заданном токе, т.к. это значение зависит от технологии, которую применял производитель при производстве кристалла. Например, мы хотим для стопаря получить ток 0,5 А при максимальном напряжении АКБ (4,2 В). Берём трёхваттный светодиод нужного нам цвета, мощный резистор на 1 - 2 Вт сопротивлением, скажем, 3,0...6,2 Ом, подключаем светодиод и резистор последовательно, и эту цепочку через амперметр - к регулируемому блоку питания (БП). Плавно повышая от нуля напряжение БП, устанавливаем нужный нам ток через светодиод (0,5 А), после чего измеряем падение напряжения на светодиоде. Далее для расчёта балластного сопротивления необходимо воспользоваться законом Ома:

             R = (Uакб - Uсветод) / Iсветод.

             Мощность, выделяемая на балластном резисторе:

             P = R * Iсветод^2.

             Те же самые измерения и расчёты желательно проделать и для применяемых маломощных светодиодов, ток питания которых составляет обычно 20 мА.

             При использовании динамо-втулки для питания фар переднего света ставить балластные резисторы не нужно (по причинам, описанным выше). При питании фар от аккумулятора балластные резисторы нужны обязательно, если только Вы не собираетесь проводить пиротехнические опыты с использованием светодиодов в качестве взрывателя :)

            Конструкция.

            Учитывая некоторую нехватку места для размещения всей электроники, решено было сделать систему "распределённой", с размещением разных модулей в разных местах. Безусловно, это не единственно возможный вариант, и, быть может, кто-то из желающих повторить данную конструкцию придумает вариант получше.

            Плата выпрямителя и ключей фары расположена в корпусе передней фары дальнего света (ПФ-ДС). Это наилучший вариант с точки зрения минимизации потерь на соединительных проводах, ведь основной потребитель энергии генератора - фары переднего света. Да и место вполне позволяет это сделать.

            Плата контроллера установлена в корпусе под несущим уголком фары ближнего света; на днище "контроллерного" корпуса установлены светодиоды подсветки пространства.

            Платы АКБ, сама АКБ, платы драйверов и УРС располагаются в "коробке АКБ", которая установлена в пространстве между седлом и багажником. В эту коробку со стороны руля идут два 10-жильных кабеля: силовой из коробки ПФ-ДС и сигнальный из "контроллерной" коробки, а со стороны багажника - один 14-жильный и один 4-х-жильный кабель. Кабеля взяты такого типа, что используются при монтаже сигнализации в помещениях. Они достаточно прочны, имеют экранировку и хорошую выносливость на изгиб.

            АКБ для питания системы - литиевая.  Тут может быть выбран почти любой вариант, желательно только, чтобы ёмкость батареи была не менее 1,5...2 А*ч. В моём случае используются 3 б/у-шные (из древнего ноута) литиевые банки типоразмера 18650, соединённые параллельно (ни в коем случае не последовательно! - система рассчитана на "бортовое напряжение" в диапазоне 3,0...4,2 В). Увеличение ёмкости увеличивает время работы, но при этом увеличивается и время заряда АКБ (в моём случае батарея с начальным зарядом порядка 60% заряжалась всю ночь!).

            Датчик движения - герконовый (можно использовать готовые датчики для систем сигнализации); устанавливается на вилке переднего колеса. На спицах колеса закрепляется магнит (я использовал магнит от старого HDD) таким образом, чтобы при прохождении магнита возле геркона происходило надёжное замыкание контактов последнего.

            В качестве блока питания (БП) для заряда АКБ можно использовать любую подходящую импульсную "зарядку" от телефона с выходным напряжением 5 В (только перед использованием обязательно убедитесь методом контрольного измерения, что это действительно так!) и допустимым выходным током порядка 600...700 мА.

             В нижней части каждой манетки закреплён термоклеем 5-контактный разъём.

  Так сделано для удобства и повышения удобства дальнейшей эксплуатации данного узла (мало ли, вдруг придётся его снимать, а тут припаянный шлейф). По поверхности манетки проложен и закреплён обычным и термо-клеем чёрного цвета плоский 5-проводной шлейф чёрного цвета (вырезан из старого компьютерного IDE-шлейфа), соединяющий разъём с электронными компонентами на манетке. Сверху почти по всему пути прокладки шлейф залит термоклеем. Влагостойкие кнопки B3W от Omron залиты заподлицо термоклеем, дабы защитить от влаги их контакты и межкомпонентные проводные соединения. Возле кнопок на каждой манетке установлен светодиод (белого свечения, интенсивный направленный, диаметром 3 мм), направленный на шкалу рулевого переключателя скорости. Светодиод по бокам аккуратно залит термоклеем так, чтобы наружу торчала только его "макушка" - эта мера необходима для влагозащиты.

             Возле ручки тормозов на верхней части манетки располагается геркон, а на самой ручке - магнит, таким образом, чтобы в нейтральном положении контакты геркона были замкнуты и размыкались при небольшом нажатии на рукоятку тормоза:

             Светильники поворотов и аккумуляторного стопаря располагаются на дюралевом уголке под задней частью багажника. Уголок служит не только несущей конструкцией, но и теплоотводом для светодиодов.

            В качестве багажника использован ящик для пищевых продуктов, выполненный из полупрозрачного пластика, размерами 40 х 30 х 18 см. От варианта "мотоциклетных" багажников пришлось отказаться ввиду их высокой стоимости, неудобной формы и - по отзывам - весьма невысокой прочности пластика.

           Такой багажник оказался очень удобным в эксплуатации благодаря вместительности, достаточной прочности и отличной водонепроницаемости. Одна из "закрывающих" ручек скреплена с верхней крышкой, и эта конструкция служит шарниром, на котором поворачивается верхняя крышка при открытии. К задней части седла приделан магнит, а к верхней крышке багажника - пятикопеечная монета; таким образом, при открытии "на полную" крышка багажника фиксируется в открытом положении, что тоже достаточно удобно.

Для укрепления конструкции багажника использованы 2 пластины из фанеры толщиной 8 мм, вырезанные по размеру днища багажника. Обе фанерные пластины для обеспечения влагостойкости пропитаны лаком. Одна пластина располагается под днищем, другая - над ним, внутри багажника. Всё это стянуто и притянуто к раме "родного" велосипедного багажника винтами с потайными головками и хомутами.

             На багажнике закреплены герконовый датчик открытия багажника с магнитом, а также два светодиода подсветки багажника. Эти линии выведены плоским кабелем по передней стенке багажника и заканчиваются разъёмом (это на случай, если багажник понадобится снимать).

             Передняя фара дальнего света собрана в самодельном корпусе, который сначала был спаян из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, затем усилен наклеиванием полос стеклоткани с полиэфирной смолой, после чего отполирован и покрашен. Переднее защитное стекло выполнено из тонкого прозрачного оргстекла от коробки для компакт-дисков, с гидроизоляцией силиконом внутри коробки по краям стекла. На боковинах корпуса фары располагаются передние светильники поворотов.

            Колпаки светильников поворотов - автомобильные "повторители поворотов" (для авто какой марки - не знаю, не разбираюсь в этом). Продаются модели как с резьбой, так и с пластиковыми распорками для крепежа; я выбрал вариант с резьбой как более надёжный. В таком колпаке на стороне основы паяльником выплавляется область, где расположен держатель лампочки, для образования прямоугольного окна (это место под светодиод).  Фара дальнего света закреплена на вилке переднего колеса на жёстком уголке из толстого металла, изогнутом методом "тиски + кувалдометр" на нужный угол. Фара ближнего света тоже закреплена на уголке, который крепится к болту в центральной части руля; угол установлен тем же методом.

             Оптика.

            В фаре ближнего света установлены 4 светодиода (2 цепочки по 2 светодиода в каждой). Для формирования "эллиптического" света ("приплюснутого" по вертикали) используются коллиматоры с углом расхождения 15 х 50 градусов, для "круглого" - линзы с углом 10 градусов (думаю, при желании вполне можно поставить линзы на 15 и даже 20 градусов).

            В фаре дальнего света - тоже 2 цепочки по 2 светодиода в каждой. Дальний свет формируется двумя разными линзами: прозрачной 12-градусной и "матовой" 20-градусной, в результате чего хорошо высвечиваются и дальние объекты (особенно хорошо видны дорожные знаки на расстоянии 100...150 метров и даже более), и ближние (например, ветки кустов или деревьев, нависающие кое-где над дорогой).

            Свет "противотуманки" формируется цепочкой из 2-х жёлтых светодиодов, на которые установлены коллиматоры с углом расхождения 15 х 50 градусов ("эллиптический" свет).

            Идея использования двух видов света (ближнего и дальнего) оказалась, как показала практика, очень удачной. Особенно хорошо это заметно при езде в условиях очень слабого освещения или в полной темноте. Как уже говорилось, дальний свет хорошо высвечивает дальние объекты и знаки, давая представление о том, куда вообще едешь, какая там дорога и обстановка, а также рельеф дороги на 15 - 20 метров вперёд. Хорошо высвечиваются придорожные кусты и ветки деревьев, что также даёт представление о безопасности проезда. Ближний свет не слепит водителей встречного транспорта; "эллиптический" освещает широкую зону перед велосипедом, хорошо высвечивая "рельеф" дороги по всей её ширине, что позволяет легко выбирать оптимальные пути проезда на разбитых дорогах; а "круглый" ближний свет за счёт более узкого пучка даёт более высокую освещённость участка дороги, и может быть использован, например, при длительной ночной езде на невысокой скорости на средние и большие расстояния.

            Примечание: говорят, что разные производители по-разному заявляют углы для своей оптики: некоторые дают полные, а некоторые - половинные углы. Не могу сказать точно, какая в этом плане оптика у меня. Какие цифры заявил поставщик, такие я и озвучил.

            Изготовление плат.

            Платы сделаны по технологии ЛУТ, но с использованием хитрой такой супер-бумаги. Этот метод придумал не я, но он просто впечатлил меня своим результатом. Бумага называется так: "Термотрансферная бумага для лазерных принтеров для переноса на твёрдую поверхность". Она не дешёвая, но и не страшно дорогая (купил себе сразу 30 листов из жадности). Результат - потрясающий, дорожки 0,3 мм получаются легко безо всякого фоторезиста! И главное, нет никаких проблем с переносом тонера с бумаги на поверхность - на бумаге при её отклеивании не остаётся ничего. Очень удобно, всем рекомендую!

Ну и напоследок - Видео работы системы.

            Фрагменты видео, снятые на движущемся велосипеде, сняты на фотоаппарат, обладающий достаточно низкой чувствительностью, к тому же из-за низкой освещённости он часто уходил в расфокус. Погодные условия - лёгкий туман, дорога - преимущественно влажная (на сухой дороге световое пятно фары видно лучше). Тем не менее, представление о работе света из этого видео можно получить.

 На этом - всё. Если вдруг будут какие вопросы или пожелания - спрашивайте, предлагайте, я создам одноимённую ветку на форуме и постараюсь всем ответить.

Файлы:
Архив RAR

Все вопросы в Форум.