Politechnika Białostocka

Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Kod przedmiotu: ES1C 621 356 Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA SAMOCHODOWA Temat: U k łady stero wa nia oświe tleniem Opracował: dr inż. Wojciech Wojtkowski Politechnika Białostocka 2012

1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Celem ćwiczenia laboratoryjnego Układy sterowania oświetleniem jest poznanie nowoczesnych układów diagnostycznych oraz wspomagających zarządzanie oświetleniem pojazdu. W ramach realizacji ćwiczenia przewiduje się m.in.: poznanie zasady działania poszczególnych układów sterowania oświetleniem, dostępnych na makiecie laboratoryjnej, poznanie zastosowań sygnałów PWM w oświetleniu samochodowym, poznanie sposobów automatycznego wykrywania przepalonych żarówek, poznanie działania cyfrowego czujnika przyspieszenia sterującego oświetleniem awaryjnym, poznanie działania układów reagujących na określony poziom jasności otoczenia, poznanie wybranych funkcji implementowanych w nowoczesnych układach wspomagających zarządzanie oświetleniem pojazdu. Szczegółowy zakres ćwiczenia ustala prowadzący. 2. SYGNAŁ PWM Sygnał PWM jest wykorzystywany w wielu różnych układach funkcjonalnych w pojazdach samochodowych. Do głównych zastosowań samochodowych, wykorzystujących sygnały PWM można zaliczyć: impulsowe regulatory napięcia, impulsowe regulatory prądu, sterowanie położenia elementów za pomocą silników DC i sprężyn zwrotnych, sterowanie wtryskiwaczy paliwa, sterowanie cewek zapłonowych, regulacja prądu pierwotnego, modulatory ciśnienia w systemach antypoślizgowych,

oświetlenie wnętrza przedziału pasażerskiego oraz podświetlenie deski rozdzielczej i lampek sygnalizacyjnych. W makiecie laboratoryjnej można przetestować układ doświetlania otoczenia pojazdu działający podczas dojścia do drzwi budynku lub garażu. Włączenie tej funkcji powoduje, że światła mijania włączane są na określony czas, po którym następuje płynne wygaszenie za pomocą zmiany współczynnika wypełnienia sterującego sygnału PWM. 3. MAKIETY LABORATORYJNE W trakcie ćwiczenia Układy sterowania oświetleniem, wykorzystywane są dwie makiety laboratoryjne. Jedna z nich służy do badania dwuosiowego czujnika przyspieszenia z wyjściami PWM, druga służy do badania różnych układów funkcjonalnych inteligentnego sterowania oświetleniem samochodowym. 3. 1. Makieta układu sterowania oświetleniem Schemat blokowy układu sterowania oświetleniem samochodowym, dostępnego w trakcie ćwiczenia laboratoryjnego, jest przedstawiony na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat blokowy układu sterowania oświetleniem Elementem sterującym pracą urządzenia jest w tym przypadku mikrokontroler ATmega88 Automotive. Mikrokontroler na podstawie informacji dostarczonych przez układy wejściowe, czujniki zewnętrzne oraz panel sterujący zarządza pracą obwodów wyjściowych. Blok układów wejściowych przedstawionych na schemacie odpowiada za dopasowanie i przekazanie informacji pobieranych z obwodów elektrycznych pojazdu, w którym zainstalowane zostało urządzenie, do jednostki centralnej. Czujnik przyspieszenia na bieżąco wysyła sygnał określający aktualne przyspieszenie samochodu w osi toru jazdy. Część schematu oznaczona jako czujnik oświetlenia realizuje pomiar natężenia światła otoczenia zewnętrznego. Panel sterujący zawiera mikroprzełącznik, oraz diodę LED, która pełni rolę sygnalizacyjną pracy urządzenia. Układ wyjściowy poprzez elementy wykonawcze w postaci tranzystorów MOSFET, włącza poszczególne obwody oświetlenia pojazdu. Układ zasilany jest z instalacji elektrycznej samochodu, której znamionowa wartość napięcia wynosi 12 V, natomiast w czasie pracy alternatora jest wyższa i ma

wartość ok. 14,2 V. Do zasilania mikroprocesora zastosowano układ stabilizatora, obniżający napięcie do 5 V, który przedstawiono na Rys. 2. Rys. 2. Schemat ideowy układu zasilania Stabilizator LM2931M-5.0 posiada następujące parametry: napięcie wyjściowe 5V ± 4%, prąd wyjściowy max 100 ma, wewnętrzny pobór prądu < 1 ma dla obciążenia < 10 ma, zakres napięć wejściowych od 5,6 V do 26 V, temperatura pracy od -40 ºC do +125 ºC. Dioda D1 zabezpiecza układ przed odwrotną polaryzacją napięcia zasilającego. Kondensatory C1 oraz C2 wstępnie filtrują zasilanie. C1 wygładza tętnienia natomiast C2 odprzęga do masy zakłócenia wysokiej częstotliwości. Do prawidłowej pracy układu stabilizatora producent zaleca zastosowanie kondensatora C3 o wartości 100uF. Element C4 pełni rolę filtrowania zakłóceń wysokiej częstotliwości. Elementem sterującym jest mikrokontroler firmy Atmel oznaczony symbolem ATmega88 Automotive. Dzięki niskiemu poborowi prądu mikrokontroler ten sprawdza się w urządzeniach zasilanych z akumulatora. Schemat ideowy panelu sterującego został przedstawiony na rysunku 3.

Rys. 3. Schemat ideowy podłączenia zewnętrznego panelu sterującego Naciśniecie mikroprzełącznika SW1 powoduje zwarcie do masy jednego z pinów portu mikrokontrolera. Prąd płynący w ten sposób ograniczony jest rezystorem R25 o wartości 470 Ω. Gdy na złączu oznaczonym słowem alarm pojawi się napięcie pochodzące z instalacji auto alarmu, poprzez tranzystor T20, pin portu procesora oznaczony we sterujące zostanie zwarty do masy. Rezystory R23 oraz R24 pełnią tu rolę ograniczającą prąd, ustalając w ten sposób punkt pracy tranzystora, który pracuje jako klucz dwustanowy. Dioda LED (D3) pełni funkcję informacyjną. Sygnalizuje aktywny tryb pracy urządzenia, oraz zawiadamia o awarii żarówki w świetle stopu. Jest ona zasilana bezpośrednio z portu procesora. Rezystor R26 ogranicza prąd diody zgodnie z równaniem: U Ud 5 2,2 I = = = 6 R26 470 [ ma] Na podstawie pomiarów przyspieszenia pojazdu, mikrokontroler na bieżąco sprawdza czy pojazd jest w stanie nagłego hamowania. W sytuacji gdy przyspieszenie pojazdu przekroczy ustaloną wartość, a zwrot jego będzie przeciwny do kierunku jazdy auta, układ sterujący zarejestruje to jako awaryjne hamowanie. Wówczas trzecie światło stopu będzie pulsować ostrzegawczo. Na rysunku 4 został przedstawiony schemat ideowy podłączenia czujnika przyspieszenia. Wykorzystano czujnik typu MXD7210ML.

Rys.4. Schemat ideowy podłączenia czujnika przyspieszenia Sygnałem wyjściowym jest sygnał PWM o częstotliwości 100Hz. Zakres pomiarowy czujnika wynosi ±10 g (minimalna rozdzielczość 5 mg, napięcie zasilania 2,7.. 5,25 V). Aplikacja układu mierzącego przyspieszenie ogranicza się jedynie do zastosowania kondensatora filtrującego szumy zasilania. Producent zaleca użycie kondensatora ceramicznego o wartości 0,1 µf i umieszczenie go jak najbliżej elementu. Czujnik zasilany jest napięciem +5V. Na rysunku 5 przedstawiono poglądowy przebieg wyjściowy układu MXD7210ML. Czas T2 wynosi 10ms. Rys. 5. Przebieg wyjściowy czujnika przyspieszenia, T2 okres, T1- czas trwania impulsu Wartość przyspieszenia obliczamy z równania: T1 0,5 T 2 A = 0.04 [ g] Dla przyspieszenia równego 0 g współczynnik wypełnienia sygnału PWM wynosi 50%. Dla zmiany przyspieszenia o 1g wypełnienie przebiegu wzrasta o 4%. Wyjście czujnika ma bardzo małą obciążalność prądową (<250 µa). Pin wejściowy portu I/O układu ATmega88, w konfiguracji jako wejście podłączony jest poprzez

rezystor podciągający do plusa zasilania. Jak podaje nota katalogowa procesora, wartość tej rezystancji zawiera się w przedziale od 20 kω do 50 kω. Prąd płynący przez czujnik przyspieszenia będzie wynosił: U 5 J max = = = 250 Rpumin 20k U 5 J min = = = 100 Rpu max 50k ua ua Prąd płynący przez czujnik zawierać się będzie w granicach od 100µA do 250µA, zatem nie ma potrzeby stosować dodatkowych układów buforujących zabezpieczających element MXD7210ML przed uszkodzeniem. Pomiar natężenia oświetlenia zewnętrznego wykorzystywany jest przez mikrokontroler do zarządzania zewnętrznym oświetleniem samochodu. Podczas okresu dziennego, gdy poziom światła słonecznego jest dostatecznie wysoki, układ włącza światła do jazdy dziennej. W sytuacji niedostatecznego natężenia światła w otoczeniu pojazdu następuje zmiana oświetlenia na światła mijania. Rys. 6. Schemat ideowy układu do pomiaru natężenia oświetlenia Pomiar natężenia oświetlenia został zrealizowany przy użyciu fototranzystora BPW85B. Rezystor R20 ogranicza prąd płynący przez element Q1. Napięcie kolektor emiter fototranzystora Q1 mierzone jest przez mikrokontroler przy pomocy wbudowanego przetwornika analogowo cyfrowego.

Układ testujący żarówki w światłach stopu Układ sterowania oświetleniem wyposażony został w funkcję wykrywania przepalonej żarówki w światłach stopu. Główną zaletą zastosowanego rozwiązania jest to, że instalowany układ w najmniejszym stopniu ingeruje w instalację elektryczną auta może być wstawiony do już istniejącej instalacji bez przerywania istniejących połączeń. W najprostszym rozwiązaniu, przy zastosowaniu rezystorów do pomiaru prądu, konieczne jest modyfikowanie fabrycznej instalacji pojazdu. W przypadku projektowanego układu do wykrycia awarii jednej z żarówek świateł stopu, należy podłączyć urządzenie równolegle do przewodu włączającego te światła, jak pokazano na rysunku 7. Rys. 7. Schemat podłączenia do instalacji elektrycznej samochodu Ocena poprawności działania świateł stopu wykonywana jest na podstawie pomiaru spadku napięcia na dwóch żarówkach, połączonych ze sobą równolegle. Źródło prądowe o wydajności 1 A wymusza na odbiornikach spadek napięcia, który jest wprost proporcjonalny do rezystancji badanych odbiorników. Gdy co najmniej jedna z żarówek ulegnie przepaleniu, różnica potencjałów zmieni się znacząco. Ponieważ cały pomiar sprawności świateł wykonywany jest w czasie mniejszym od 200 ms, w żaden sposób test ten nie zakłóca normalnej pracy instalacji oświetleniowej pojazdu.

Schemat ideowy układu do wykrywania przepalonej żarówki w światłach stopu przedstawiono na rysunku 8. Rys. 8. Schemat ideowy układu do wykrywania awarii świateł stopu Pomiar rozpoczyna się od wstępnego rozgrzania żarówek połączonych równolegle. Do tego celu jako element przełączający wykorzystano tranzystor T16. Jest to tranzystor MOSFET typu IRF9Z34N. Obciążeniem obwodu tranzystora są dwie żarówki, każda o mocy 21 W. Prąd pobierany przez żarówki można wyliczyć korzystając z równania: I P 21 + 21 = = = 3, U 12 5 Rezystancja tranzystora R DS przy włączonym kanale wynosi mniej niż 0,1 Ω. Moc [ A] wydzielana przez tranzystor w takim przypadku wynosi: ( 3,5) 2 0,1 1, [ W ] Pd = J 2 R = = 225

Ponieważ tranzystor T16 jest aktywny w czasie mniejszym niż 100ms a moc strat w nim wydzielanych zbliżona jest do jednego Wata, możliwe jest zastosowanie obudowy w wersji D2-Pak bez dodatkowego radiatora. Element T15 działa jako klucz, sterując tranzystorem T16. Rezystor R6 ogranicza prąd bazy tranzystora T15 do poziomu obliczonego wg równania: U Ube 5 0,7 Ib = = = 0,43 R6 10k [ ma] ] Jako element T15 zastosowano tranzystor BC846B w obudowie SOT-23. Prąd bazy wynoszący 0,4 ma wprowadza tranzystor T15 w stan nasycenia, zwierając w ten sposób bramkę tranzystora T16 do masy, dzięki czemu kanał tranzystora zaczyna przewodzić. Rezystory R7 i R8 ograniczają prądy polaryzując bramkę tranzystora T16. Po rozgrzaniu żarówek w czasie mniejszym niż 100 ms, mikroprocesor włącza źródło prądowe o wydajności 1 A. Elementem włączającym jest tranzystor T17, którego prąd bazy ogranicza rezystor R3. Źródło prądowe składa się z elementów: T18, R1, R2 i D2. Jako tranzystor T18 użyto TIP127, dla którego napięcie Ueb w stanie aktywnym wynosi 2,5V. Spadek napięcia na diodzie Zenera D2 wynosi 5,1V. Na tej podstawie obliczono wartość rezystancji R1: Ur1 Ud 2 Ueb 5,1 2,5 R 1 = = = = 2, 6 Ie Ie 1 Najbliższą wartością rezystancji w szeregu jest 2,7Ω. [ Ω] Moc rezystora R1 wynosi: P = Ie R1 = 1 2,7 = 2, 7 [ W ] Z uwagi na to ze źródło prądowe będzie włączane na czas krótszy niż 50ms, jako opornik R1 zastosowano rezystancje 2,7 Ω o mocy 2 W. W czasie, gdy przez żarówki świateł stopu płynie prąd o wartości 1A, mikrokontroler mierzy na nich napięcie. Na podstawie otrzymanej wartości napięcia można wnioskować o przepaleniu jednej z żarówek połączonych równolegle. Rezystory R4 i R5 pełnią rolę dzielnika napięcia doprowadzonego do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego procesora.

Układ sterujący pracą kierunkowskazów Do realizacji funkcji podtrzymania kierunkowskazów wykorzystano układ przedstawiony na rysunku 9. Rozwiązanie to, ma za zadanie umożliwić mikrokontrolerowi sprawdzanie stanu w dwóch obwodach kierunkowskazów, oraz w włączenie kierunkowskazu w żądanym momencie. Rys. 9. Schemat ideowy układu sterującego pracą kierunkowskazów Tranzystory T6, oraz T9 pełnią rolę układów wejściowych mikrokontrolera, dzięki którym mikroprocesor sprawdza stan napięcia w obwodach kierunkowskazów. Gdy na jednym z wejść kier. L lub kier. P pojawia się napięcie 12V odpowiedni tranzystor poprzez rezystor ograniczający wprowadzany jest w stan nasycenia. Wówczas napięcie kolektora danego tranzystora zostaje obniżone do wartości Ucesat=0,1 V i mikrokontroler jest w stanie wykryć poziom niski na swoim wejściu. Jako element wykonawczy układu wyjściowego zastosowany został układ scalony IRF7314, w którym w obudowie typu SO-8 znajdują się dwa tranzystory MOSFET z kanałem typu p. Do głównych zalet tego układu można zaliczyć:

T8. małe wymiary, obudowa typu SO-8, stosunkowo mała rezystancja Rds(on)=0,058 Ω, prąd drenu Jd=4,3 A dla t<10sek. Tranzystory mocy sterowane jednostką centralną włączane są poprzez elementy: T7, Układ wyjściowy włączający światła mijania Układy wyjściowe, za pomocą których mikrokontroler włącza odbiorniki mocy w instalacji elektrycznej pojazdu zbudowano w oparciu o polowe tranzystory mocy. W zależności od podłączonego obciążenia dobrano odpowiednie elementy półprzewodnikowe. Na rysunku 10 przedstawiono schemat połączeń układu wyjściowego włączającego światła mijania. Rys. 10. Schemat ideowy układu włączającego światła mijania Powyższy układ ma za zadanie sterowaniem dwiema żarówkami samochodowymi w reflektorach świateł mijania o mocy 55 W każda. Prąd pobierany przez takie obciążenie wynosi: I P 55 + 55 = = = 9, U 12 2 Moc wydzielana w postaci ciepła przez tranzystor: [ A] 2 ( 9,2) 0,02 = 1, [ W ] 2 P T = J R = 7 Jako tranzystor mocy wykorzystano IRF4905:

technologia HEXFET Power MOSFET, kanał typu p, rezystancja Rds(on)=0,02 Ω, maksymalny prąd drenu Id = 74 A, temperatura pracy od -55ºC do +175 ºC. Schemat ideowy całej makiety sterowania oświetleniem jest przedstawiony na rysunku 11.

Rys. 11. Schemat ideowy układu sterowania oświetleniem w samochodzie

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 Rysunek 12 przedstawia widok opisów elementów na płytce w warstwie TopOverlay, natomiast rysunek 13 zawiera opisy i rozmieszczenie elementów na powierzchni BottomOverlay. Widok mozaiki ścieżek przedstawiono na rysunku 14 dla warstwy górnej oraz na rysunku 15, dla warstwy dolnej. Rys. 12. Widok warstwy TopOverlay Rys. 13. Widok warstwy BottomOverlay

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 Rys. 14 Widok płytki PCB w warstwy TopLayer Rys. 15. Widok płytki PCB w warstwy BottomLayer 17

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 Rys. 16. Widok płytki PCB od warstwy TopLayer Rys. 17. Widok płytki PCB od warstwy BottomLayer 18

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 Rys. 18. Widok płytki wraz z elementami Top Side Rys. 19. Widok płytki wraz z elementami Bottom Side 19

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 Oprogramowanie układu Oprogramowanie mikrokontrolera można podzielić na bloki funkcjonalne: cześć inicjalizacyjną, główną pętlę programu oraz podprogramy realizujące poszczególne funkcje. Na rysunku 20 przedstawiono schemat blokowy programu umieszczonego w pamięci układu ATmega88 Automotive. START Deklaracja zmiennych Konfiguracja portów Tryb: POWERDOWN Przycisk wciśnięty? Nie Tak Czasowe włączenie świateł mijania ze stopniowym wygaszeniem Nie Stacyjka włączona? Tak U>13,8V? Nie Tak Procedura: Test świateł stopu Światła postojowe wyłączone Światła postojowe włączone Procedura: Pomiar natężenia oświetlenia zewnętrznego Tak Nie U>13,8V? Procedura: Pomiar przyspieszenia auta Procedura: Podtrzymanie kierunkowskazów 20 Rys. 20. Schemat blokowy programu mikrokontrolera

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 4. DO PRZYGOTOWANIA Przed przybyciem na zajęcia laboratoryjne, studenci powinni: przeczytać instrukcję i zastanowić się nad zasadami działania poszczególnych bloków funkcjonalnych, zapoznać się z algorytmem pracy oprogramowania mikrokontrolera sterującego, przygotować dokumentację czujnika przyspieszenia MXD7210ML (może być w formie elektronicznej), zastanowić się nad zasadą działania układu wykrywającego uszkodzenie żarówki STOP, przygotować dokumentację procesora ATmega88 Automotive (w formie elektronicznej), zastanowić się nad realizacją poszczególnych punktów zakresu badań. 5. PRZEBIEG ĆWICZENIA Sprawdzić w praktyce działanie makiety oświetleniowej przy wykorzystaniu algorytmu z rysunku 20. Wykryć wprowadzone błędy w algorytmie działania makiety. Przeanalizować i przetestować działanie wszystkich układów funkcjonalnych dostępnych na makiecie oświetleniowej, (analiza z wykorzystaniem schematów ideowych). Zdjąć charakterystykę czujnika przyspieszenia wykorzystując makietę do badania czujnika. Zarejestrować przy pomocy oscyloskopu i przeanalizować wybrane sygnały wskazane przez prowadzącego ćwiczenie. 6. WYMAGANIA BHP Podczas ćwiczenia Układy sterowania oświetleniem nie przewiduje się wyjątkowych zagrożeń bezpieczeństwa pracy, w związku z tym obowiązuje ogólny regulamin laboratorium pracowni 227b. W przypadku zasilania makiety z 21

Układy sterowania oświetleniem, Politechnika Białostocka 2011 akumulatora ołowiowego (zalecane), stosować zasady bezpieczeństwa wymagane przy pracy z akumulatorem ołowiowym, podane w instrukcji dotyczącej akumulatora ołowiowego. 7. SPRAWOZDANIE STUDENCKIE W sprawozdaniu powinien się znaleźć opis zadania (indywidualne zadania dla każdej grupy laboratoryjnej zostaną sformułowane przez prowadzącego ćwiczenie po przybyciu na laboratorium), opis postępowania, schemat połączeń zarówno elementów systemu mikroprocesorowego jak i aparatury kontrolno/pomiarowej i zasilającej. Wszelkie zamieszczone wyniki badań należy przeanalizować. 8. LITERATURA Materiały z wykładu elektronika samochodowa (cyfrowa generacja sygnału PWM, oświetlenie samochodowe, dopasowanie bloków peryferyjnych do portów wyjściowych mikrokontrolerów AVR Automotive) Dokumentacja mikrokontrolera ATmega88 Automotive 2012 (dostępna na www.atmel.com) Janusz W. Mazur, Wojciech Żagan: Samochodowa technika świetlna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Herner A., Riehl Hans-Jürgen: Elektrotechnika i Elektronika w pojazdach samochodowych, WKŁ, Warszawa 2003 22