Разработана модель устройства, ограничивающее управление автотранспортным средством в состоянии алкогольного опьянения, с элементом управления мощности на нагрузке при помощи широтно-импульсной модуляции. Рассмотрена практическая реализация устройства, элементы конструкции, компоновка, а также принцип работы и применения устройства.
Ключевые слова: формирование логического сигнала, широтно-импульсная модуляция (ШИМ), микроконтроллер Arduino Pro-Mini, Bluetooth модуль, дисплей, принципиальная схема, структурная схема, микроконтроллер
Рассмотрены ряды причин, вследствие которых количество дорожно-транспортных происшествий в России нельзя не игнорировать, одна из таких причин — это вождение в нетрезвом виде. К сожалению, в большинстве стран бывшего Советского Союза управление автомобилем в состоянии алкогольного опьянения считается чуть ли не нормой. Именно вождение в нетрезвом виде приводит к самым тяжким последствиям. Статистика за 2017 год говорит о 169000 ДТП и 19000 погибших 12 процентов по вине пьяных водителей. Сегодня принимаются меры по обеспечению безопасности на дорогах путем случайной проверки водителей автотранспортных средств на состояние алкогольного опьянения, к сожалению, проверить каждого автолюбителя просто физически невозможно, поэтому на кафедре мной было разработано устройство способное осуществлять ограничение по управлению автотранспортным средством, если водитель данного средства находится в состоянии алкогольного опьянения. Подобные устройства начали испытывать в Калифорнии в 1986 году, и к 2013 году законы об их применении были приняты во всех 50 штатах. Установка прибора водителю обходится в 125 долларов, практическая реализация имела сложную конструкцию и высокую себестоимость элементов. В Росси такая технология массового производства не получила.
Разработанное мной устройство реализовано:
‒ на микроконтроллере Atmega168, который базируется на платформе ARDUINO;
‒ на беспроводном Bluetooth модуле HC-06;
‒ на дисплее LCD;
‒ на датчике паров спирта MQ-3.
Данные элементы представлены на (Рис. 1).
Рис. 1
Каждый из этих элементов выполняет определенную функцию и является неотъемлемой частью конструкции данного устройства. По структурной схеме, изображенной на (Рис. 2) можно увидеть иерархию элементов конструкции и их взаимосвязь друг с другом.
Рис. 2
Микроконтроллер является главным элементом в устройстве и связывает между собой все дополнительные элементы. Микроконтроллер — это интегральная схема, предназначенная для управления различными электронными устройствами или их отдельными функциональными блоками. По своей сути микроконтроллер — это не большой компьютер, предназначенный для выполнения несложных задач. Он содержит:
‒ Быстродействующий процессор с RISC-архитектурой;
‒ FLASH-память;
‒ EEPROM-память;
‒ Оперативную память RAM;
‒ Порты ввода/вывода;
‒ Периферийные и интерфейсные модули.
Для наглядности управление устройством осуществляется через Bluetooth модуль «HC-06». Модуль имеет следующие выводы:
‒ EN — включение или выключение модуля;
‒ VCC — питание +5В;
‒ GND — земля;
‒ TXD, RXD –UART интерфейс для общения с контроллером;
‒ STATE — индикатор состояния;
‒ KEY-нога для входа в режим AT-команд.
Модуль «HC-06» полностью совместим с любыми адаптерами, что поддерживают SPP (Standard Parallel Port) — стандартный, параллельный 8-битный порт вывода с возможностью чтения выходных линий. Сигнальные линии этого порта обеспечивают обратную связь с принтером или другим устройством. Характеристики девайса следующие:
‒ Для работы необходимо будет напряжение в 3.3В, что мы рассмотрим чуть ниже;
‒ Активные частоты радиосвязи находятся в диапазоне 2.4–2.48 ГГц;
‒ Максимальная скорость при обмене информацией от 721кбит/с — 24Мбит/с;
‒ Условная дальность связи — 10 метров, но в этой цифре не учитываются преграды и помехи.
Программирование Bluetooth модуля осуществляется с помощью сервиса «REMOTEXY» и позволяет выводить на экран подключённого телефона интерфейс устройства. «REMOTEXY» — это система разработки и использования мобильных графических интерфейсов для управления контроллерами со смартфона или планшета. В состав системы входят:
‒ Редактор мобильных графических интерфейсов для контроллеров, размещенный на сайте remotexy.com;
‒ Мобильное приложение «REMOTEXY», позволяющее подключаться к контроллеру и отображать графические интерфейсы;
Конфигурация графического интерфейса хранится в контроллере. При подключении, нет никакого взаимодействия со сторонними серверами для того, чтобы загрузить графически интерфейс. Конфигурация графического интерфейса загружается в мобильное приложение из контроллера. С одного мобильного приложения, вы можете управлять всеми своими устройствами, количество устройств не ограничено.
Для правильной компоновки элементов на макетной плате необходимо построить принципиальную схему (Рис. 3), на которой можно детально рассмотреть линии связи выводов микроконтроллера и его периферийных систем. Построение такой схемы возможно в программе «EasyEDA», представляющей собой кроссплатформенную веб-ориентированную среду автоматизации проектирования электроники, включающий в себя редактор принципиальных схем и топологических печатных плат.
Рис. 3
Для работы устройства была разработана программа в виде логических блок-схем (Рис. 4). Она позволяет создавать программное обеспечение для микроконтроллеров в графической среде Function Block Diagram (FBD) — графический язык программирования. Программа образуется из списка цепей выполняемых последовательно. Управление устройством осуществляется путем формирования логического сигнала на дисплее (DISP) за счет управляющих переменных (вперед, назад) и разрешающих переменных (вперед_sys, назад_sys). Логический блок — «RemoteXY», который содержит в себе программный код, обеспечивающий управление переменными (Вперед, Назад, Вправо, Влево), а блок «Switch» используется, как переключатель и служит для передачи на выход одного из аналоговых сигналов, подаваемых на вход «0» или «1» в зависимости от логического уровня на входе «S». При логическом нуле на входе «S», на выход передается сигнал с входа «0», а при логической единице — с входа «1».
Рис. 4
Устройство позволяет провести предварительную диагностику перед запуском (Рис. 5), на предмет несанкционированного включения двигателей, посредством возникновения логической единицы на переменных (Вперед, Назад). А также на предмет несанкционированного включения двигателей, посредством случайной логики на драйвере двигателя. При обнаружении паров спирта в окружающем пространстве, происходит формирование сигнала тревога, с последующим отключением двигателей через пять секунд после этого. Задержка в пять секунд осуществляется с помощь таймера -«TON». При первоначальном подключении питания к устройству, происходит анализ состояния логических входов, отвечающих за запуск двигателей, и если на этих контактах сигнал равен логическому нулю, то происходит формирование на дисплее сигнала готовности устройства, в противном случае вырабатывается сигнал тревога (Alarm), c индикацией сигнала (Spirt и Stop). Далее на переменных (Вперед, Назад) широтно-импульсная модуляция (ШИМ) будет равен 0, с дальнейшим выводом значений (UP и DW) на экран. До поступления сигнала с датчика паров спирта, который формирует состояние тревога и отключает управление нагрузкой, даже в том случае если сигнал с датчика пара спирта больше не поступает. Сброс до рабочего состояния в данном случае происходит специальной кнопкой (функциональное значение которой может быть любым), далее устройство функционирует в режиме управления двигателями с помощью широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Управляющая кнопка «DISBL» является частной реализацией логического уровня, отключающего сигнал тревога.
Рис. 5
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) это способ управления мощностью на нагрузке с помощью изменения скважности импульсов при постоянной амплитуде и высоте сигнала. На (Рис. 6) представлен график ШИМ.
Рис. 6
‒ Ui — амплитуда импульсов;
‒ Ton — время активного (включенного) состояния сигнала;
‒ Toff — время отключенного состояния сигнала;
‒ Tpwm — время периода ШИМ.
Соотношение, определяющее коэффициент заполнения ШИМ, записывается в следующем виде:
Мощность на нагрузке пропорциональна соотношению времени включенного и отключенного состояния сигнала.
Запуск двигателей осуществляется с помощью ШИМ для плавного увеличения напряжения на нагрузке, это происходит с помощью двух генераторов и счетчика. Элементы блок схемы сформированы в программе для микроконтроллера (Рис. 7). Гармоническая последовательность импульсов, генерируемая блоком «G-SM» — симметричный мультивибратор, считывается счётчиком «CTU», на выходе которого выводится аналоговый сигнал. Далее через конвертор — «SConv» из целочисленного типа данных — «Integer» переводим в строковый тип данных — «String», с дальнейшим выводом значения на дисплей. Второй генератор — одно вибратор, воспроизводит разрешающий импульс на вход «SP» счётчика и тот начинает свою работу. При обнаружении паров спирта на переменных (Вперед, Назад) ШИМ будет равен 0, с дальнейшим выводом значений (UP и DW) на экран. До поступления сигнала с датчика паров спирта, который формирует состояние тревога и отключает управление нагрузкой, даже в том случае если сигнал с датчика пара спирта больше не поступает.
Рис. 7
Применение данного устройства возможно в любых автотранспортных средствах, интегрируя устройство в автомобиль, при включении зажигания на вход устройства будет подаваться питание, и происходить его дальнейшая работа. Устройство дёшево в изготовлении и не имеет сложной конструкции.
Результаты и выводы:
Устройство реализовано на недорогих легкодоступных элементах. Повсеместное применение устройства на автомобилях позволит резко снизить количество аварий по вине пьяных водителей и наносимый ими ущерб. А также произойдёт сокращение количества сотрудников ДПС.
Литература:
- https://www.gazeta.ru/auto/2018/07/17_a_11855059.shtml?updated
- http://wiki.amperka.ru/ %D0 %BA %D0 %BE %D0 %BD %D1 %81 %D0 %BF %D0 %B5 %D0 %BA %D1 %82-arduino: %D1 %88 %D0 %B8 %D0 %BC
- https://ph0en1x.net/69-avr-microcontroller-architecture-what-is-inside-avr-microcontroller.html
- http://amperka.ru/product/hc-06-bluetooth-module
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino
- http://electrik.info/main/automation/1320-yazyk-funkcionalnyh-blokovyh-diagramm-fbd-i-ego-primenenie.html
- http://remotexy.com/ru/
