Sistema de adquisición y visualización de datos para una bicicleta de carreras eléctrica MotoStudent: 23 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Un sistema de adquisición de datos es una colección de hardware y software que trabajan juntos para recolectar datos de sensores externos, almacenarlos y procesarlos posteriormente para que puedan ser visualizados gráficamente y analizados, permitiendo a los ingenieros realizar los ajustes necesarios para obtener el mejor desempeño. del vehículo o dispositivo.

El sistema de adquisición de datos funciona junto con un sistema de visualización de datos que permite al piloto ver los datos relevantes en tiempo real para la conducción. Consiste en una pantalla HMI que se comunica con el Sistema de Adquisición de Datos para poder recuperar y mostrar datos del mismo.

Este sistema se comunica con la ECU (unidad de control del motor) de la bicicleta y recibe información interna y variables del motor a través del bus CAN. Utiliza un USB para el almacenamiento de los datos recibidos, así como los datos recuperados de los sensores conectados al Sistema de Adquisición de Datos.

Suministros

Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000

Plataforma de lanzamiento

Pantalla Nextion Enhanced 5.0 ""

PC con software Matlab

GPS GY-GPS6MV2

Sensor de suspensión AIM

Acelerómetro VMA204

Teclado

USB

Sensor inductivo IME18-08BPSZC0S

Regulador de voltaje LMR23615DRRR

Regulador de voltaje LM25085AMY / NOPB

Regulador de voltaje MAX16903SAUE50 x2

Sensor de temperatura pt100

5-103669-9 conector x1

5-103639-3 conector x1

5-103669-1 conector x1

LEDCHIP-LED0603 x2

Mosfet FDD5614P

Interruptor de encendido TPS2051BDBVR

Adaptador MicroUSB_AB

Diodo SBRD10200TR

Resistencia 1K Ohm x5

Resistencia 10K Ohm

Resistencia 100 ohmios x1

Resistencia 100k Ohm x7

Resistencia 51K Ohm

Resistencia 22, 1 K Ohm x2

Resistencia 6 Kohm x2

Resistencia 6K8 Ohm x2

Resistencia de 2,55 K ohmios

Resistencia 38,3 K ohmios x1

Resistencia 390 ohmios x1

Resistencia 20K Ohm x2

resistencia 33K Ohm x2

Condensador 15 uF x5

Condensador 10 uF x3

Condensador 4.7uF x4

Condensador 47uF x2

Condensador 68uF

Condensador 0.1uF x1

Condensador 1nF x1

Condensador 100nf x1

Condensador 470nF x1

Condensador 2.2uF x2

Condensador 220 uf x1

Condensador 100uF x1

Inductor 22uH x1

Inductor 4.5uH x1

Inductor 4.7uH x1

Inductor 3.3uHx1

Amplificador instrumental AD620

Encabezado de 2 pines x3

Encabezado de 4 pines x6

Encabezado de 5 pines x3

Paso 1: Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Este microcontrolador está integrado en una placa de desarrollo cuyas características lo hacen adecuado para desarrollar aplicaciones como el Sistema de Adquisición de Datos y la ECU:

- Interfaz de programación y depuración USB

- Interfaz de bus CAN con transceptor integrado

- 14 pines ADC (convertidores analógicos a digitales)

- 34 pines GPIO (entrada / salida de uso general)

- 2 canales de comunicación de protocolo serie (SCI)

- 2 canales de comunicación de protocolo I2C

- Programación con el software gratuito Code Composer Studio

Gestiona los sensores externos, el GPS, el almacenamiento de los datos dentro del USB, la comunicación con la ECU y la comunicación con la pantalla del tablero.

Paso 2: PC con software Matlab

El software Matlab se utiliza para procesar y analizar los datos almacenados en el USB. La posición y trayectoria de la bicicleta se puede visualizar junto con el valor de los sensores, simultáneamente, como se puede ver en la imagen.

Paso 3: Pantalla Nextion Enhanced 5.0 ""

Se utiliza para mostrar la información más relevante al piloto, así como el estado de los sistemas de la bicicleta. Recibe los datos del microcontrolador F28069M C2000 mediante comunicación serie.

Paso 4: GPS GY-GPS6MV2

El GPS obtiene la posición instantánea de la bicicleta, por lo que su trayectoria se puede trazar posteriormente en el software Matlab junto con los valores de los otros sensores. Envía los datos GPS al microcontrolador F28069M C2000 mediante comunicación en serie.

Paso 5: Sensor de suspensión AIM

Instalado en la suspensión delantera y trasera, se puede medir el desplazamiento de la suspensión de la bicicleta.

Paso 6: Acelerómetro VMA204

Se utiliza para medir la aceleración y las fuerzas que soporta la bicicleta en los ejes x, y y z. Envía los datos de aceleración al microcontrolador F28069M C2000 a través de la comunicación del bus I2C.

Paso 7: teclado

El teclado se utiliza para seleccionar el modo de conducción (ECO, Sport), configurar la pantalla del piloto y controlar los tiempos de adquisición de datos.

Paso 8: USB

Almacena los datos de los sensores, el GPS y la ECU.

Paso 9: Sensor inductivo IME18-08BPSZC0S

Se utiliza para contar los pulsos de una parte magnética de la rueda. Cuanto mayor sea la velocidad, más vueltas harán las ruedas y más pulsos contará el sensor inductivo. Así es como funciona la medición de la velocidad.

El diagrama de conexión se muestra en la imagen.

Paso 10: Sensor de temperatura Pt100

Los sensores pt100 son un tipo específico de detectores de temperatura. Varía su resistencia en función de la temperatura. La característica más importante es que está compuesta de platino y tiene una resistencia eléctrica de 100 Ohm a 0ºC.

Paso 11: Reguladores de voltaje

El sistema necesita 4 reguladores de voltaje diferentes para obtener los niveles de voltaje necesarios para el microcontrolador y los sensores:

LMR23615DRRR

Es capaz de convertir de un suministro de amplio rango de voltaje a un voltaje de salida fijo. Para esta aplicación, necesitamos que suministre 3,3 V al microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000.

LM25085AMY / NOPB

Es capaz de convertir de un suministro de amplio rango de voltaje a un voltaje de salida fijo. Para esta aplicación, necesitamos que suministre 5 V al microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000.

MAX16903SAUE50

Es capaz de convertir de un suministro de amplio rango de voltaje a un voltaje de salida fijo. Para esta aplicación, necesitamos 2 de ellos:

Uno para suministrar 5 V a los sensores externos que requieran tal voltaje.

El otro para suministrar 3,3 V a los sensores externos que requieran dicho voltaje.

Paso 12: Mosfet FDD5614P

Un mosfet es un dispositivo semiconductor similar a un transistor utilizado para conmutar señales.

Paso 13: Interruptor de encendido TPS2051BDBVR

Este componente se utiliza para evitar cortocircuitos. Cuando la carga de salida excede el umbral de límite de corriente o hay un corto, el dispositivo limita la corriente de salida a un nivel seguro al cambiar a un modo de corriente constante. Si la sobrecarga no se detiene, corta la tensión de alimentación.

Paso 14: LED y diodos

Los LED se utilizan para visualizar si el sistema tiene energía o no. También mantienen la corriente fluyendo en una sola dirección, evitando la polarización incorrecta del circuito.

Los diodos funcionan como LED pero sin luz; mantienen la corriente fluyendo en una sola dirección, evitando la polarización incorrecta del circuito.

Paso 15: Conectores, conectores y adaptadores

La placa PDB requiere una cierta cantidad de conectores, cabezales de pines y adaptadores de diferentes características para funcionar e integrarse con los diferentes dispositivos periféricos. Las unidades utilizadas son las siguientes:

5-103639-3

5-103669-9

5-103669-1

MicroUSB_AB

Paso 16: Resistencias, condensadores, inductores

Los fundamentos de cualquier circuito electrónico

Paso 17: Diseño esquemático de la placa: conectores externos para fuente de alimentación y comunicación CAN

Paso 18: Diseño esquemático de la placa: Microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000 Launchpad

Incluye:

- Conexión del sensor, mediante encabezados de clavijas de diferentes tamaños para entradas analógicas y digitales

- Acondicionamiento de señales para los sensores:

o Filtros de paso bajo para evitar interferencias electromagnéticas que perturben las señales. La frecuencia de corte es de 15 Hz.

o Puente de Wheatstone y un amplificador instrumental para que el sensor de temperatura pt100 funcione correctamente

- Pines de comunicación para dispositivos externos:

o SCI para la pantalla y el GPS

o I2C para el acelerómetro

Paso 19: Diseño esquemático de la placa: fuente de alimentación para el microcontrolador

A través de reguladores de voltaje, que convierten 24V (bajo voltaje proveniente de la batería) a 3.3V (LMR23615DRRR) y 5V (LM25085AMY / NOPB)

Paso 20: Diseño esquemático de la placa: Conexión USB

Paso 21: Diseño esquemático de la placa: suministro de energía a los sensores y dispositivos externos

A través de reguladores de voltaje (MAX16903SAUE50), que

Convierta 24 V (bajo voltaje proveniente de la batería) a 3,3 V y 5 V. El sistema es redundante y también puede proporcionar energía al microcontrolador en caso de que falle su regulador de voltaje.

Paso 22: Diseñe la placa PCB

1) Fuente de alimentación para el microcontrolador.

2) La plataforma de lanzamiento del microcontrolador Texas Instruments F28069M C2000

3) Entradas digitales y analógicas y filtrado de señales (3.1)

4) conexión USB

5) encabezados de pines de dispositivos externos

6) acondicionamiento de la señal del sensor de temperatura pt100

7) Fuente de alimentación para los sensores y dispositivos externos

Paso 23: Solicite la placa PCB

Con el diseño terminado, es el momento de pedir la PCB en la web JLCPCB.com. El proceso es simple, ya que solo tiene que ir a JLCPCB.com, agregar las dimensiones y capas de su placa PCB y hacer clic en el botón COTIZAR AHORA.

JLCPCB también patrocina este proyecto. JLCPCB (ShenzhenJLC Electronics Co., Ltd.), es la empresa de prototipos de PCB más grande de China y un fabricante de alta tecnología especializado en prototipos de PCB rápidos y producción de PCB en lotes pequeños. Puede pedir un mínimo de 5 PCB por solo $ 2.

Necesita generar los archivos gerber de su proyecto y ponerlos en un archivo ZIP. Al hacer clic en el botón "agregar su archivo gerber", el diseño se carga en la web. Las dimensiones y otras características aún se pueden cambiar en esta sección.

Cuando se cargue, JLCPCB comprobará que todo está correcto y mostrará una visualización previa de ambos lados del tablero.

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