Покатавшись несколько месяцев с индикатором расхода топлива, описанным мной ранее в цикле из трех статей (раз, два, три), я решился окончательно интегрировать его в панель приборов, тем более что все равно собирался вскрывать ее для установки цветных светодиодов для подсветки, вместо стандартных лампочек накаливания. О светодиодах и панели я расскажу в другой раз, а сейчас поделюсь разработанной мной новой конструкцией индикатора.

В конструкцию прибора были внесены некоторые изменения, касающиеся стабилизации питания и отображения результатов измерений.

Поговорим обо всем по порядку. Итак – начну с питания. Несмотря на то, что схема понижения и стабилизации напряжения питания микроконтроллера, примененная в первой версии устройства работала без нареканий, ее решено было переделать. По большей части причиной послужило то, что в моем распоряжении появилась горсть low-drop регуляторов напряжения на 5 вольт – TLE4275.

Регуляторы эти хороши тем, что имеют специальный выход, подключаемый к ноге reset микроконтроллера. Таким образом, регулятор напряжения включает микроконтроллер только тогда, когда питающее напряжение устаканится. В случае повторных скачков или просадки напряжения, регулятор самостоятельно перезагрузит микроконтроллер. Величина временной задержки, между моментом, когда питающее напряжение устаканивается, и моментом, когда регулятор включает микроконтроллер, устанавливается емкостью одного из конденсаторов в обвязке регулятора. Такая схема позволяет гарантировано избежать фатальных зависаний микроконтроллера при проблемах с питающим напряжением.

Лирическое отступление: при проблемном питании, как например, в бортовой сети авто, не стоит надеяться на вотч-дог в микроконтроллере. По своему опыту могу однозначно сказать, что при скачках напряжения зависает он не хуже всего остального оборудования на чипе. Следует отдавать себе отчет, что встроенный вотч-дог предназначен главным образом для борьбы с программными зависонами – например, если программа наглухо застрянет в каком-то непредусмотренном цикле и т.п. С аппаратными проблемами встроенный вотч-дог не всегда может бороться.

Кроме того, данный регулятор питания выпускается в удобных корпусах, позволяющих расположить его горизонтально на плате, а также сертифицирован для использования в автомобильной технике.

Второе изменение в конструкции моего прибора коснулось отображения информации. Во время использования первой версии устройства, я заметил, что при особенно интенсивном разгоне, потребление топлива становится настолько большим, что если принять его за 100%, потребление во время не особо напористого движения не превышает 20-40%. Таким образом, на приборе редко загоралось больше 4-5 делений из 10.

Для борьбы с этим явлением в устройство было добавлено две кнопки, позволяющие задать порог отображения расхода. Поясню на примере. Как вы помните, устройство самообучающееся – каждый раз, обнаружив новое максимальное потребление топлива за единицу времени, система запоминает его, и впоследствии ведет отображение относительно этого нового максимального значения. Примем его за 100%. В новой версии устройства, я могу принудительно заставить шкалу заполниться полностью при, к примеру, 70% от максимума. Таким образом, при потреблении 35% от максимума, будет гореть половина шкалы, при 70% и выше – вся шкала. Меня такое положение дел вполне устроило – устройство не предназначено для точного учета расхода (хотя и этот функционал может быть совсем просто реализован – нужно лишь подключиться к датчику скорости и дописать несколько строк кода), а для эффектного визуального отображения информации.

Кроме того, я внес в схему возможность вывода цифровой процентной информации на трехзначный семи-сегментный дисплей LB203YB – я не использовал его в своем авто, а лишь припаял дисплей на саму плату, но возможно, кому-то захочется посадить его на провода и вывести на панель приборов.

Для экономии ног микроконтроллера, дисплей подключен через доступные сдвиговые регистры 74HC164 – соответственно написаны функции для динамичного вывода информации. Этот геморрой занял больше всего времени при написании софта.

В схеме также присутствуют кнопки перезагрузки и сброса настроек устройства на первоначальные значения.

Таким образом, всего есть 4 кнопки – они разведены на плате, а также предусмотрена возможность подключения внешних кнопок, через разъемы на плате.

На плате предусмотрен разъем для внутрисхемного программирования чипа – ISP. Да кстати, контроллер поменялся на Atmel Atmega8 в стандартном DIP корпусе.

Так уж получилось, что совершенно случайно я просверлил в дешборде 11 дырок для светодиодов, вместо 10. В итоге в системе появился 11тый светодиод, который постоянно неспешно мигает, сигнализируя о текущем статусе работы устройства. Например, если он мигает раз в 5 секунд, то устройство находится в штатном режиме работы. Если мигает раз в секунду – то устройство обнаружило новый максимальный расход, но еще не записало его в постоянную память EEPROM (запись произойдет в течение минуты, при этом во время записи светодиод загорится постоянно на несколько секунд). Также, светодиод мигнет пять раз и останется гореть постоянно, при входе в режим настройки отображения информации.

Для входа в режим настройки достаточно несколько секунд подержать нажатыми кнопки SW3 и SW4. После того как сигнальный светодиод отмигает свои пять раз, на цифровом дисплее отобразится процент порога отображения расхода, как я и объяснял раньше. Тот же порог отобразится и на шкале, но с разрешением в 10% – большего от простой шкалы добиться невозможно. Порог можно двигать, нажимая те же кнопки SW3 и SW4. По окончанию процесса настройки нажмите кнопки SW3 и SW4 на несколько секунд снова.

Для сброса максимального значения расхода подержите нажатой кнопку SW2 – по окончании процесса сброса, сигнальный светодиод мигнет десять раз, после чего система начнет обучаться с нуля заново.

Еще одно изменение в схеме коснулось подключения к форсунке – теперь оно осуществляется через оптрон (я использовал 4N37). Это гарантирует отсутствие фатальных помех по сигнальной линии.

В остальном схема осталась без изменений – более конкретные объяснения есть в упомянутых мной статьях о первой версии устройства.

Стоит упомянуть, что на контроллере осталось четыре неиспользованных ноги – возможно, кому-то захочется расширить функционал устройства с их помощью.

Последняя часть цикла статей о индикаторе расхода топлива. Первые две части находятся здесь и здесь.

Программа для контроллера получилась довольно комплексной, потому я постарался наполнить ее комментариями, насколько это возможно. Вдобавок, полагаю будет не лишним описать здесь весь принцип реализованного алгоритма.

Саму программу и файл прошивки можно сказать здесь.

Программа пользуется обоими таймерами, имеющимися на борту микропроцессора. Восьмибитный таймер, запущенный с делителем 1024 (т.е. работающий на частоте 8МГц/1024=7812Гц), при переполнении вызывает прерывание. За 1 секунду происходит примерно 30 таких прерываний, так что отсчитав 6 из них, можно точно отмерять промежутки времени в примерно 0.2 секунды. Это и есть те самые 0.2 секунды, задающие такт всей системе.

Шестнадцатибитный таймер использует внешнее прерывание для включения и выключения – он включается по спадающему и выключается по возрастающему фронту. Иными словами, таймер считает, когда инжектор открыт. Каждые 0.2 секунды главная функция программы сравнивает текущее значение таймера с максимально известным значением, и на основании этого сравнения, принимает решение, насколько заполнить индикатор. Теперь о максимальном значении – у программы есть два режима работы, в точности как у Терминатора – помните, у него был переключатель в мозгах, который позволял или запрещал Терминатору учиться новым вещам. Изначально программа учится – каждый раз, обнаружив новое значение таймера, которое больше предыдущего максимума, она запоминает его в энергонезависимую память EEPROM (в переменную maximum). Там-же хранится флаг (переменная learning), отвечающий за включение и отключение режима обучения – соответственно, когда этот режим выключен, программа не будет запоминать новые максимальные значения подсчетов таймера.

Возможность смены режима обучения была сделана вот для чего: как выяснилось, на максимальном “газе” (а-ля “pedal to the metal”) подача бензина столь велика, что после запоминания значений таймера в таких режимах работы, при обычном, спокойном стиле езды, индикатор заполняется всего на 2-3 деления из 10. Естественно, это не совсем удобно и устройство теряет смысл существования, при обычной езде, без гонок. Поэтому я обучил его немного газанув на разгоне, и отрубил обучающий режим. Теперь при прогреве например, горят 2 деления. При обычной езде – до 6ти, при резвом разгоне – 9-10, ну и если вообще притопить, то все 10 постоянно.

Для сброса сохраненного в EEPROM максимально известного значения таймера и переключения режимов обучения устройства, существует кнопка SW2 (смотрите схему). Если во время работы устройства подержать ее нажатой несколько секунд, то EEPROM обнулится. Если держать ее нажатой в момент инициализации микропроцессора (читай –  подачи питания на устройство), то оно переключится на другой режим обучения.

Для визуализации процессов инициализации, запоминания в EEPROM новых значений и переключения режимов обучения реализованы простые схемы подмигивания индикатором – этим занимаются функции running_bar и blinking_bar.

Поскольку запись в EEPROM процесс довольно медленный, обнаружив необходимость записать в EEPROM новое значение таймера, программа ждет примерно минуту (300 циклов по примерно 0.2 секунды), прежде чем записать его (этим занимается переменная e_eprom_w_timer). Если в течении этой минуты будет обнаружено очередное, еще более высокое значение таймера, то отсчет минуты начинается заново.

Важный момент в работе шестнадцатибитного таймера – при выключении двигателя, таймер включается по спадающему фронту внешнего прерывания, и остается включенным. Это не есть хорошо, поскольку работа всего устройства будет скомпрометирована. Решение проблемы очень простое: таймер работает с делителем 64, т.е. на частоте 8МГц/64=125КГц, следовательно он переполнится примерно за 0.5 секунды. Включаем прерывание на переполнение этого таймера. Если такое прерывание наступает, то система понимает, что двигатель остановлен, вырубает таймер, обнуляет его, отменяет запись в EEPROM нового, нереального значения таймера (ведь он продолжает непрерывно считать почти полсекунды, думая что инжектор открыт) и инициализирует систему по новой (замещает неверные максимальные значения таймера правильными, из EEPROM).

Итак, в первой части повествования мы с вами разобрались в базовой теории работы инжектора и определились с функционалом и принципом реализации будущего устройства для измерения потребления топлива.
Сердцем устройства станет, разумеется, микроконтроллер (далее МК). Мой выбор пал на самый древний, что завалялся у меня на полке — Atmel AVR AT90S2313. Его скромных возможностей выше крыши хватит для реализации задуманного. В этом МК нет никакого внутреннего резонатора – к нему нужно подключить внешний источник тактовой частоты – как правило это кварцевый резонатор. Я подчеркиваю – выбор пал на этот МК только потому что более простого у меня не оказалось.

Как было сказано, принцип работы индикатора расхода строится на измерении суммарного интервала открытия форсунки в единицу времени. Чем больше замеренный суммарный интервал, тем больше делений загорится на индикаторе. Значит пришла пора определиться с единицей времени, и сделать это можно по следующей логике: по идее, на холостом ходу мотор моего Nissan’a (да и на самом деле на большинстве других легковых авто) работает со скоростью около 700 об/мин (это по паспорту). Допустим он работает даже 600 об/мин, т.е. 10 об/сек. Таким образом, за 1 секунду, коленвал совершит 10 оборотов. Форсунка открывается 1 раз за 2 оборота, во время такта впуска. Таким образом, за секунду, форсунка откроется 5 раз, а значит минимальный отрезок времени, за который она откроется хотя-бы раз (что бы наш измеритель хоть чего-нибудь да измерил) равняется 1/5 секунды или 200мс. Ну вот и возьмем эти 200мс за единицу времени, т.е. будем мерить сколько времени была открыта форсунка за 200мс. Соответственно, с тем же 200от-миллисекундным интервалом будут обновляться показания на индикаторе.