Sistema de aquisição e visualização de dados para uma bicicleta elétrica de corrida MotoStudent: 23 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Um sistema de aquisição de dados é um conjunto de hardware e software trabalhando em conjunto para coletar dados de sensores externos, armazená-los e processá-los posteriormente para que possam ser visualizados graficamente e analisados, permitindo que os engenheiros façam os ajustes necessários para obter o melhor desempenho do veículo ou dispositivo.

O Sistema de Aquisição de Dados trabalha em conjunto com um Sistema de Visualização de Dados que permite ao piloto ver os dados relevantes em tempo real para a direção. Consiste em uma tela de IHM que se comunica com o Sistema de Aquisição de Dados para recuperar e mostrar os dados dele.

Este sistema se comunica com a ECU (unidade de controle do motor) da bicicleta e recebe informações internas e variáveis do motor através do barramento CAN. Ele usa um USB para o armazenamento dos dados recebidos, bem como os dados recuperados dos sensores conectados ao Sistema de Aquisição de Dados.

Suprimentos

Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000

Plataforma de lançamento

Tela Nextion Enhanced 5.0’’

PC com software Matlab

GPS GY-GPS6MV2

Sensor de suspensão AIM

Acelerômetro VMA204

Teclado

USB

Sensor indutivo IME18-08BPSZC0S

Regulador de tensão LMR23615DRRR

Regulador de tensão LM25085AMY / NOPB

Regulador de tensão MAX16903SAUE50 x2

Sensor de temperatura pt100

5-103669-9 conector x1

5-103639-3 conector x1

5-103669-1 conector x1

LEDCHIP-LED0603 x2

FDD5614P Mosfet

TPS2051BDBVR Interruptor de alimentação

Adaptador MicroUSB_AB

Diodo SBRD10200TR

Resistor 1K Ohm x5

Resistor 10K Ohm

Resistor 100 Ohm x1

Resistor 100k Ohm x7

Resistor 51K Ohm

Resistor 22, 1 K Ohm x2

Resistor 6 Kohm x2

Resistor 6K8 Ohm x2

Resistor 2,55K Ohm

Resistor 38,3 K Ohm x1

Resistor 390 Ohm x1

Resistor 20K Ohm x2

resistor 33K Ohm x2

Capacitor 15 uF x5

Capacitor 10 uF x3

Capacitor 4.7uF x4

Capacitor 47uF x2

Capacitor 68uF

Capacitor 0,1uF x1

Capacitor 1nF x1

Capacitor 100nf x1

Capacitor 470nF x1

Capacitor 2.2uF x2

Capacitor 220 uf x1

Capacitor 100uF x1

Indutor 22uH x1

Indutor 4.5uH x1

Indutor 4.7uH x1

Indutor 3.3uHx1

Amplificador Instrumental AD620

Cabeçalho de 2 pinos x3

Cabeçalho de 4 pinos x6

Cabeçalho de 5 pinos x3

Etapa 1: Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Este microcontrolador está embutido em uma placa de desenvolvimento cujas características o tornam adequado para o desenvolvimento de aplicações como o Sistema de Aquisição de Dados e a ECU:

- Interface de depuração e programação USB

- Interface de barramento CAN com transceptor integrado

- 14 pinos ADC (conversores analógico para digital)

- 34 pinos GPIO (entrada / saída de uso geral)

- 2 canais de comunicação de protocolo serial (SCI)

- 2 canais de comunicação do protocolo I2C

- Programação com o software livre Code Composer Studio

Gerencia os sensores externos, o GPS, o armazenamento dos dados dentro do USB, a comunicação com a ECU e a comunicação com a tela do painel.

Etapa 2: PC com software Matlab

O software Matlab é usado para processar e analisar os dados armazenados no USB. A posição e a trajetória da bicicleta podem ser visualizadas juntamente com o valor dos sensores, simultaneamente, como pode ser visto na foto.

Etapa 3: Tela Nextion Enhanced 5.0’’

É usado para mostrar as informações mais relevantes para o piloto, bem como o status dos sistemas da bicicleta. Ele recebe os dados do microcontrolador F28069M C2000 via comunicação serial.

Etapa 4: GPS GY-GPS6MV2

O GPS obtém a posição instantânea da bicicleta, para que sua trajetória possa ser posteriormente plotada no software Matlab junto com os valores dos demais sensores. Ele envia os dados GPS para o microcontrolador F28069M C2000 via comunicação serial.

Etapa 5: Sensor de suspensão AIM

Instalado na suspensão dianteira e traseira, o deslocamento da suspensão da bicicleta pode ser medido.

Etapa 6: Acelerômetro VMA204

É usado para medir a aceleração e as forças que a bicicleta suporta nos eixos x, y e z. Ele envia os dados de aceleração para o microcontrolador F28069M C2000 via comunicação de barramento I2C.

Etapa 7: teclado

O teclado é usado para selecionar o modo de condução (ECO, Sport), configurar a tela do piloto e controlar os tempos de aquisição de dados.

Etapa 8: USB

Ele armazena os dados dos sensores, do GPS e da ECU.

Etapa 9: Sensor Indutivo IME18-08BPSZC0S

É usado para contar os pulsos de uma parte magnética da roda. Quanto maior a velocidade, mais voltas as rodas farão e mais pulsos contará o sensor indutivo. É assim que funciona a medição da velocidade.

O diagrama de conexão é mostrado na imagem.

Etapa 10: Sensor de temperatura Pt100

Os sensores pt100 são um tipo específico de detectores de temperatura. Varia sua resistência em função da temperatura. A característica mais importante é que é composto por platina e tem uma resistência elétrica de 100 Ohm a 0ºC.

Etapa 11: reguladores de tensão

O sistema precisa de 4 reguladores de tensão diferentes para obter os níveis de tensão necessários para o microcontrolador e os sensores:

LMR23615DRRR

É capaz de converter de uma fonte de ampla faixa de tensão em uma tensão de saída fixa. Para esta aplicação, precisamos fornecer 3,3 V para o microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000.

LM25085AMY / NOPB

É capaz de converter de uma fonte de ampla faixa de tensão em uma tensão de saída fixa. Para esta aplicação, precisamos fornecer 5 V para o microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000.

MAX16903SAUE50

É capaz de converter de uma fonte de ampla faixa de tensão em uma tensão de saída fixa. Para esta aplicação, precisamos de 2 deles:

Um para fornecer 5 V aos sensores externos que precisam dessa tensão.

O outro para fornecer 3,3 V aos sensores externos que precisam dessa tensão.

Etapa 12: Mosfet FDD5614P

Um mosfet é um dispositivo semicondutor semelhante a um transistor usado para comutar sinais.

Etapa 13: Chave de alimentação TPS2051BDBVR

Este componente é usado para prevenir curtos-circuitos. Quando a carga de saída excede o limite do limite de corrente ou um curto está presente, o dispositivo limita a corrente de saída a um nível seguro mudando para um modo de corrente constante. Se a sobrecarga não parar, ela corta a tensão de alimentação.

Etapa 14: LEDs e diodos

Os LEDs são usados para visualizar se o sistema está energizado ou não. Eles também mantêm a corrente fluindo em apenas uma direção, evitando a polarização errada do circuito.

Os diodos funcionam como um LED, mas sem luz; eles mantêm a corrente fluindo em apenas uma direção, evitando a polarização errada do circuito.

Etapa 15: conectores, cabeçalhos de pinos e adaptadores

A placa PDB requer uma certa quantidade de conectores, cabeçotes de pinos e adaptadores de características diferentes para funcionar e se integrar com os diferentes dispositivos periféricos. As unidades utilizadas são as seguintes:

5-103639-3

5-103669-9

5-103669-1

MicroUSB_AB

Etapa 16: resistores, capacitores, indutores

O básico para qualquer circuito eletrônico

Etapa 17: Projeto esquemático da placa: conectores externos para fonte de alimentação e comunicação CAN

Etapa 18: Projeto esquemático da placa: Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Apresentando:

- Conexão do sensor, através de cabeçotes de pinos de diferentes tamanhos para entradas analógicas e digitais

- Condicionamento de sinal para os sensores:

o Filtros de passagem baixa para evitar que a interferência eletromagnética atrapalhe os sinais. A frequência de corte é 15Hz.

o Ponte Wheatstone e um amplificador instrumental para que o sensor de temperatura pt100 funcione corretamente

- Pinos de comunicação para dispositivos externos:

o SCI para a tela e o GPS

o I2C para o acelerômetro

Etapa 19: Projeto esquemático da placa: Fonte de alimentação para o microcontrolador

Por meio de reguladores de tensão, que convertem 24 V (baixa tensão proveniente da bateria) em 3,3 V (LMR23615DRRR) e 5 V (LM25085AMY / NOPB)

Etapa 20: Desenho esquemático da placa: conexão USB

Etapa 21: Projeto esquemático da placa: Fonte de alimentação para os sensores e dispositivos externos

Por meio de reguladores de tensão (MAX16903SAUE50), que

converter 24V (baixa tensão proveniente da bateria) para 3,3V e 5V. O sistema é redundante e também pode fornecer energia ao microcontrolador no caso de falha do regulador de tensão.

Etapa 22: Projetar a placa PCB

1) Fonte de alimentação para o microcontrolador

2) Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000 launchpad

3) Entradas digitais e analógicas e filtragem de sinal (3.1)

4) conexão USB

5) Cabeçalhos de pinos de dispositivos externos

6) condicionamento do sinal do sensor de temperatura pt100

7) Fonte de alimentação para os sensores e dispositivos externos

Etapa 23: solicitar a placa PCB

Com o design concluído, é hora de solicitar o PCB na web JLCPCB.com. O processo é simples, pois você só precisa acessar JLCPCB.com, adicionar as dimensões e camadas de sua placa PCB e clicar no botão CITAR AGORA.

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Você precisa gerar os arquivos gerber do seu projeto e colocá-los em um arquivo ZIP. Ao clicar no botão “adicionar seu arquivo gerber”, o design é carregado na web. As dimensões e outros recursos ainda podem ser alterados nesta seção.

Quando carregado, o JLCPCB verificará se tudo está correto e mostrará uma visualização prévia de ambos os lados do tabuleiro.

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