Vypracoval: Milan Ambrož

Navrhněte hardware a firmware pro zařízení, které bude monitorovat napětí na dvojici čtyř sériově zapojených olověných akumulátorů. Využijte AD převodník, hodnoty napětí jednotlivých akumulátorů vypisujte na sériovou linku po příchodu impulzu na vstupní pin. Dále indikujte stav článků pomocí LED. Využijte mikrokontrolér STM32F030K6T6

Jedná se o zařízení, modul, který slouží k monitorování napětí akumulátorů v solární elektrárně, případně kdekoliv jinde, kde je to vhodné.

Při návrhu bylo dbáno na maximální využití potenciálu zařízení, proto je zde možnost osadit deset analogových vstupů, komunikaci pomocí sběrnice RS485 a napájení i komunikace jsou galvanicky odděleny.

Software je navrhnut pro základní měření akumulátorů, viz zadání, kdy změřená napětí se odesílají po přijetí definovaného znaku.

Napájení je řešeno pomocí izolovaného zdroje z 12V na 5V. Napětí 5V je následně vyfiltrováno a stabilizováno lineárním stabilizátorem na 3,3V, kterým se dále napájí mikroprocesor. Toto řešení odstraňuje problém vzniku zemní smyčky mezi GND napájení a GND měřených akumulátorů.

Komunikace je připravena pro montáž převodkíku UART- RS485, který není nutné osazovat. Toto bylo zvoleno z důvodu, kdyby bylo potřeba komunikovat po této sběrnici. Rovněž je UART opticky oddělen pomocí dvojitých digitálních optočlenů, které umožnují jak 3,3V logickou úroveň, tak 5V.

Při použití samostatné komunikace je třeba přepojit drátovýma propojkama piny pro osazení převodníku RS485. Napájení musí být připojeno vždy, protože optočleny jsou napájené.

Protože mikroprocesor zvládne měřit pouze napětí do velikosti napájecího (3,3V). z tohoto důvodu jsou zařazeny před jednotlivé vstupy děliče napětí. Tyto děliče je potřeba vypočítat pro maximální hladinu napětí, které budeme měřit. Zároveň je třeba brát v potaz rozlišení AD převodníku, 12 bitů, nebo taktéž 4096 stavů.

Při výpočtu děliče je důležité brát v potaz maximální impedanci děliče z pohledu analogového vstupu. U tohoto mikroprocesoru, kde je AD převodník vybavený vzorkovacím kondenzátorem je impedance závislá na vzorkovací frekvenci. Pro nejpomalejší vzorkování mi bylo doporučeno použít rezistor 33k.

Pro rezistor 33k a maximálnímu měřenému napětí 3,3V odpovídá poměr 10k na 1V. Pokud vybereme tedy druhý rezistor děliče 560k, máme na něm úbytek 56V. Celkem tedy 59,3V. Toto je napětí, které lze maximálně měřit a odpovídá to napětí 14,825V na jeden akumulátor, což je příliš vysoké napětí. Maximální provozní napětí akumulátoru je 14,4V, což odpovídá při čtyřech zapojených v sérii 57,6V.

Maximální rozlišení poté bude 59,3V / 4094 = 14,5mV. Toto rozlišení plně postačuje pro monitoring olověného akumulátoru, kde postačí měření na stovky milivoltů.

Hodnota filtračních kondenzátorů pro napěťové děliče je možná příliš vysoká, ale vzhledem ke kapacitě měřených akumulátorů (200Ah) nevadí velké zpoždění reakce na změnu. Kapacita byla zvolena jednotná pro celé zapojení

Při návrhu schematu je třeba nezapomenout na nutnost programovacího rozhraní a dané piny vyvést a hlavně nepoužít k jinému účelu.

Kompletní schema zapojení:

DPS byla navrhnuta tak, aby bylo možné jej vyrobit i základní přesností domácí výroby, mezery i spoje minimálně 0,3mm a mezera GND polygonu 0,6mm. Místy je mezera menší jak 0,3mm, spoje pod rezistory, ale zde je možné případnou nedokonalost opravit proškrábnutím.

Izolační schopnost návrhu DPS je převážně z důvodu eliminace zemních smyček. Pokud by bylo potřeba většího rozdílu potenciálů GND akumulátoru, GND napájení a komunikační linky, bude nutné návrh DPS přepracovat.

Navržená DPS:

Celý program byl vytvořen v prostředí STM32CubeIDE, což je nástroj, který poskytuje výrobce mikroprocesoru.

Program je napsán pro vývojovou desku Nucleo-F030R8. Označení pinů odpovídá označení ve schematu, pouze z důvodu obsazení pinů PA2, PA3, PA5, PF0, PF1 HW periferiemi vývojového kitu, jsou využity alternativní piny portu C.

Při výrobě DPS v domácích podmínkách se mi nepodařilo vyvolat kvalitní předlohu pro výrobu, pravděpodobně mám už staré zásoby fotocitlivého kuprextitu a z tohoto důvodu jsem sestavil zařízení pomocí vývojového kitu a nepájivého pole.

ZIP archiv se schematem a PCB v SW Eagle a zdrojovými kódy:

Krátké video demonstrující funkci: