Самодельный расходомер для автомобиля
Привет! Расскажу вам о своей попытке сделать бортовой расходомер на основе Arduino Nano. Это моё второе изделие из ардуинки, первым был шагающий паучок. После экспериментов с лампочками и сервоприводами хотелось сделать что-нибудь более полезное.
Конечно, можно было купить готовое изделие, может, даже за меньшую цену (хотя за меньшую я не находил). Но это было неинтересно, и оно могло не иметь тех функций, которые мне хотелось иметь. К тому же, хобби, как и спорт, редко оправдывает затраты в материальной форме.
Прежде, чем рассказать о процессе, покажу картинку, как это выглядит сейчас. Программа пока в стадии дебага, поэтому контроллер висит на проводах в салоне, а дисплей прилеплен на двухсторонний скотч ) В дальнейшем это будет установлено по-человечески.
Прибор вычисляет и отображает на дисплейчике километровый расход топлива: на нижней строке мгновенный, на верхней — средний за последний километр.
Мысль сделать эту штуку мне пришла давно, но этому мешала нехватка информации о том, что и как устроено в моей машине. Она у меня достаточно старая — Corolla E11 с двигателем 4A-FE. О двигателе мне было известно, что он инжекторный и что форсунки имеют более-менее постоянную производительность, на что рассчитывает и собственный блок управления. Поэтому основная идея измерения расхода — измерение суммарной длительности открытия форсунок.
ЭБУ, как подсказал хороший человек и как потом подтвердила инструкция, управляет форсункой следующим образом: плюс на неё подаётся всегда, а минус открывается и закрывается в зависимости от пожеланий ЭБУ. Стало быть, если подключиться к минусовому проводу форсунки, то можно отслеживать момент её открытия, измеряя потенциал: когда ЭБУ замыкает форсунку на массу, 14 вольт падают до нуля. Эта простая мысль меня посетила далеко не сразу, т. к. мои познания в электронике ограничены школьным курсом физики и законом Ома. Далее потребовалось превратить +14В в +5В, которые можно подавать на логический вход контроллера. Тут я каким-то образом допёр до известной всем электронщикам схемы шунтирования, но перед этим пришлось изучить мануалы и убедиться, что сопротивление форсунки пренебрежительно мало, а сопротивление логического входа почти бесконечно.
Чтобы вычислить километровый расход, необходимо было получить данные с датчика скорости. С ним оказалось всё проще, т. к. он выдаёт ступеньки 0… +5В, чем больше ступенек, тем больше пробег. Эти ступеньки пошли сразу на логический вход без преобразований.
Очень хотелось выводить данные на ЖК-дисплей. Я рассматривал разные варианты и остановился на текстовом дисплее МЭЛТ за 234 рубля на основе микроконтроллера Hitachi HD44780, с которым ардуино умеет работать с рождения.
После долгих и мучительных размышлений была составлена вот такая схема:
Помимо резисторов, понижающих напряжение с форсунки, здесь присутствуют стабилизатор напряжения, дабы запитать контроллер от бортовой сети, а также по советам деда и хорошего друга добавлены конденсаторы, дабы сгладить возможные пики напряжения, и по резистору «на всякий случай» для каждого логического входа. И да, я решил подавать сигналы с форсунки и датчика на аналоговые входы, о чём впоследствии нисколько не пожалел, т. к. в цифровом режиме аналоговые входы не хотели понимать разницу между закрытой и открытой форсункой, а в аналоговом очень чётко показывали разный уровень напряжения. Возможно, это недоработка моей схемы, но всё делалось впервые, вслепую и без тестирования на макете, в общем, наобум.
Вслед за схемой я накидал разметку печатной платы (да, я сразу ломанулся печатать, т. к. возиться с копной проводов на монтажной плате не очень хотелось):
Плату травил в первый раз и с некоторыми нарушениями технологии, поэтому результат вышел так себе. Но после лужения всё пришло в порядок. Травил методом лазерного утюга, учился по хорошо известным роликам на easyelectronics. После травления плата получилась вот такая:
Чтобы припаять на плату элементы, пришлось изрядно её продырявить. Мне не хотелось покупать дорогую дрель типа Dremel или подобной, и чтобы сэкономить пару тысяч рублей, я сколхозил микродрель из моторчика и цангового зажима, которые были куплены в радиомагазине неподалёку:
После сверления дырок, лужения и пайки плата стала выглядеть вот так:
Тут я по глупости припаял лишний стабилизатор, который впоследствии был заменён на резистор.
После того, как изделие было готово, я приступил к тестированию в боевых условиях, т. е. прямо на машине. Для этого по моей просьбе провода от форсунки и датчика были выведены в салон. Для микроконтроллера я написал тестовую программу, которая писала в COM-порт сырые данные — число импульсов с датчика скорости и милисекунды, в течение которых была открыта форсунка. Посидев в машине с ноутбуком и увидев, что данные соответствуют действительности, я несказанно обрадовался и пошёл домой писать рабочую версию программы.
После двух-трёх сеансов тестирования программа стала показывать годные данные. Поначалу я вычислял средний расход по временному интервалу (5-10 минут), что вызвало интересный эффект: после пяти минут стояния на светофоре (даже не пробка, а лёгкое подобие) километровый расход подскакивал до запредельных величин в 50-100 литров на 100 км. Я поначалу недоумевал, а потом понял, что это обычное дело, т. к. расход километровый, а усредняю я по времени: часики тикают, бензин льётся, а машина стоит. После этого мне пришла в голову светлая идея усреднять по пробегу: в текущей версии программа вычисляет, сколько бензина было израсходовано за последний километр, и показывает, сколько литров уйдёт, если проехать 100 км в таком же темпе. «Моментальный» же расход вычисляется как средний за последнюю секунду и каждую секунду обновляется.
Исходный код (если кому интересно) я выложил на PasteBin. Тут ещё найдётся что доработать, хотя бы сам стиль программы, т. к. она писалась довольно спонтанно.
Источник
Расходомер топлива для авто своими руками
В одной из статей первого номера журнала «Радио» за 1986 год был описан вариант устройства, позволяющего осуществлять контроль над количеством жидкости и ее скоростью (в данном случае нас интересует топливо для авто), которая протекает в магистральных трубах.
В связи с высокими требованиями к точности обработки, могут возникнуть определенные сложности при повторении описанного расходомера, а так же в процессе его налаживания. Электронный блок этого прибора должен быть хорошо защищен от помех, в связи с тем, что в автомобильной бортовой сети уровень помех достаточно высокий. У этого устройства имеется и другой недостаток. Речь идет об том, что при сокращении скорости топливного потока, погрешность измерения неизбежно увеличивается.
Устройство, описанное ниже, не имеет указанных недостатков, конструкция датчика у него более простая, так же, как и схема электронного блока. Это устройство не имеет прибора, контролирующего скорость топливного расхода – для данной функции предназначен счетчик суммарного расхода. Водитель на слух воспринимается скорость топливного расходования, которое пропорционально частоте срабатывания. В городских условиях интенсивного движения это особенно важно, поскольку не отвлекает водителя от управления автомобилем.
Из чего состоит расходомер?
1. Датчик с электрическим клапаном.
Датчик встроен в топливную магистраль, и располагается между карбюратором и бензонасосом. Электронный блок находится в салоне. На рисунке изображена конструкция датчика. 1 Эластичная диафрагма 4 зажата между поддоном 2 и корпусом 8. Она разделяет внутренний объем на две полости – нижнюю и верхнюю.
Направляющая втулка 7 выполнена из фторопласта. В ней свободно перемещается шток 5. В его нижней части зажата диафрагма с помощью гайки и двух шайб 3. Постоянный магнит 9 установлен на верхнем конце штока. Параллельно каналу, где расположен шток, вверху корпуса, имеется 2 дополнительных канала. В эти каналы входят два геркона 10. Один геркон срабатывает при нижнем положении магнита и диафрагмы, другой – при верхнем положении.
Puc.1. 1-Штуцер, 2 – Поддон, 3- Шайбы, 4 – Диафрагма, 5- Шток, 6 – Пружина, 7 – Втулка, 8 – Корпус, 9 – Магнит, 10 – Герконы
Диафрагма переходит в верхнее положение, благодаря действию давления топлива, которое поступает от бензонасоса. В нижнее положение она возвращается с помощью пружины 6. Чтобы датчик включился в топливную магистраль, на корпусе предусмотрено два штуцера, на поддоне – один. Штуцеры 3. На рисунке показана 2 гидравлическая схема расходомера. Топливо от бензонасоса, через электроклапан и канал 3, начинает поступать в каналы 1, 2, заполняя в датчике нижнюю и верхнюю полости. А в карбюратор оно поступает через канал 4. Клапан переключается под воздействием электронного блока и поступающих от него сигналов (на данной схеме не указан). Эл.блок управляется герконовым коммутатором, установленным в датчике.
Puc.2 Гидравлическая схема расходомера топлива.
Обмотка электроклапана в исходном состоянии обесточена, каналы 3 и 1 сообщаются между собой, в то время, как канал 2 перекрыт. На схеме показано, что диафрагма располагается в нижнем положении. В нижней полости 6 возникает избыток давления жидкости с помощью бензонасоса. Диафрагма начнет постепенно подниматься, по мере выработки топлива двигателем, из верхней полости а датчика, сжимая пружину.
Геркон 1 сработает по достижении верхнего положения, тогда электроклапан откроет канал 2 и закроет канал 3. При этом канал 1 постоянно открыт. Диафрагма немедленно переместится вниз под действием сжатой пружины. Она вернется в свое исходное положение, пропустив топливо из полости б в а, через каналы 1 и 2. Затем наблюдается повтор цикла в работе расходомера.
К электроклапану и датчику подключают электронный блок, с помощью гибкого кабеля, через разъем ХТ1. В датчике установлены горкомы SF1 и SF2. По схеме – ни на один из них не воздействует магнит. Транзистор VT1 закрыт в исходном положении, обмотка электромагнита клапана Y1 обесточена, 2 реле К1 разомкнуты. рРядом с герконом SF2 находится магнит датчика, поэтому геркон не проводит ток.
Puc.3 Электронный блок расходомера топлива.
Магнит постепенно перемещается, по мере расхода топлива, между герконами SF2 и SF1, из полости а датчика. В определенный момент переключается геркон SF2, но изменений в блоке это не вызовет никаких. Магнит, в конце хода переключает геркон SF1, и базовый ток транзистора VT1 потечет резистор R2 и через геркон SF1. Открывается транзистор, срабатывает реле К1, и включает электромагнит клапана контактами К1.2. При этом цепь питания счетчика импульсов Е1 замкнет контактами К1.1.
В итоге магнит и диафрагма быстро будут перемещаться вниз. В определенный момент, после обратного переключения, геркон SF1 размыкает цепь базового тока транзистора. При этом он остается открытым, поскольку теперь базовый ток протекает через диод VD2, замкнутые контакты К1.1 и геркон SF2. Это является причиной того, что шток с магнитом и диафрагмой продолжают перемещаться.
Магнит переключает геркон SF2 в конце обратного хода. После этого выключатся счетчик Е1 и электромагнит Y1 клапана, транзистор закроется и система возвращается в свое исходное состояние, после чего она готова новому циклу работы. Как видим, число циклов фиксирует счетчик Е1. При этом один цикл соответствует тому или иному объему топлива, равного объему ограниченного диафрагмой пространства, расположенной в нижнем и верхнем положениях.
Умножением объема топлива, использованного в ходе одного цикла, на показания счетчика, и определяют расход топлива, который устанавливают во время тарировки датчика. Чтобы было удобнее рассчитывать расходуемое топливо за один цикл, его объем приравнен к 0,01 литра. Этот объем можно изменить, увеличив или уменьшив, меняя при этом между герконами расстояние по высоте.
Оптимальный ход диафрагмы, при имеющихся размерах датчика, составляет около 10 мм. Продолжительность цикла датчика – в пределах от 6 до 30 с., и находится в зависимости от режима работы двигателя. При его тарировке следует отключить от бензобака трубопровод, вставив его в мерный сосуд, наполненный топливом, далее надо запустить двигатель, чтобы выработать то или иное количество топлива – делим его на число циклов (определяем по счетчику), и в итоге получаем число единичного объема топлива, израсходованного за один цикл.
Возможность его отключения предусмотрена в расходомере, тумблером SA1. При этом топливо будет поступать в карбюратор напрямую, через полость а, по каналам 2 и 3, поскольку диафрагма датчика в это время постоянно будет находиться в нижнем положении. Чтобы отключить в электроклапане устройства, придется снять перекрывающую канал 3 резиновую манжету, однако погрешность расходомера при этом ухудшится. Монтаж электронного блока выполнен на печатной плате, изготовленной из стеклотекстолита – пластина толщиной 1,5 мм. Ее чертеж приведен на рисунке 4. устанавливаемые на плату детали обведены штрихпунктиром на схеме. Смонтирована плата в металлической коробке. Ее крепление выполнено под щитком приборов в салоне авто.
Puc.4 Чертеж платы электронного блока расходомера топлива
Что использовалось в устройстве:
– Электроклапан – П-РЭ 3/2,5-1112
При этом магнит можно брать любой, где длина 18…20 мм, а полюса имеют торцевое расположение. Важно, чтобы магнит мог свободно перемещаться в пределах своего канала, не затрагивая стенок. Для этого вполне подойдет магнит от РПС32 дистанционного переключателя, но придется его сточить до нужных размеров. Вытачивают поддон и корпус датчика из любого материала с немагнитными и бензостойкими качествами.
Между каналами магнита и герконов толщина стенки должна составлять до 1 мм, под магнит глубина отверстия – 45 мм, диаметр – 5,1+0,1 мм. Шток выполнен из стали 45 или латуни, длина резьбовой части – 8 мм, диаметр – 5 мм, общ.длина – 48 мм. На штуцерах датчика резьба – М8; отверстие с диаметром – 5 мм. На штуцерах электроклапана резьба коническая К 1/8″ ГОСТ 6111-52.
Используется пружина диаметром 0,8 мм, из стальной проволоки, ГОСТ 9389-75. Усилие полного сжатия – 300…500 г, диаметр пружины – 15 мм, длина – 70 мм, шаг – 5 мм. В случае, когда шток изготовлен из стали, магнит сам удерживается на нем.
Когда шток сделан из немагнитного металла, необходимо укрепить магнит другим способом. Чтобы давление сжимаемого воздуха, не мешало работе датчика, следует предусмотреть во втулке перепускной канал, сечением порядка 2 кв.мм. Диафрагма выполнена из полиэтилена 0,2 мм. Ее придется отформовать перед установкой в датчик. В этих целях можно использовать поддон датчика.
Из листового дюралюминия 5 мм. следует выполнить прижимное кольцо, которое по форме соответствует фланцу поддона. Шток, в сборе с ее заготовкой, для формовки диафрагмы вставляют в отверстие штуцера поддона с внутренней стороны, и зажимают технологическим кольцом всю заготовку.
Далее нагревают равномерно узел со стороны диафрагмы, удерживая его на расстоянии 60…70 см от пламени горелки. Формуют диафрагму слегка поднимая шток. Чтобы он, в дальнейшем, не теряла эластичности, надо чтобы она находилась в топливе постоянно. Поэтому придется пережимать шланг к карбюратору при длительной стоянке машины. Это исключит испарение бензина.
В моторном отсеке устанавливают электроклапан и датчик. Крепят их около топливного насоса и карбюратора на кронштейне, соединяя кабелем с электронным блоком. С помощью насоса с манометром можно проверить работоспособность расходомера, без его установки на автомобиль.
При этом манометр подключают вместо бензонасоса. Датчик срабатывает при давлении 0,1 …0,15 кг/см 2 . Расходомер был испытан на автомобилях Жигули и Москвич. В ходе проверки было установлено, что режим работы двигателя никак не влияет на точность показаний расхода топлива. Точный расход определяется расчетом погрешности установки разового объема при тарировке до 1,5…2 %.
Источник