Autocomputer

Protože jsem byl požádán kolegou o úpravu konstrukce počítače do auta podle AR A3, A4 1990 , která nefungovala, v rámci svého prvního projektu s jednočipem jsem se "vrhnul" do celé nové konstrukce. Protože bylo k dispozici málo místa na čelním panelu, bylo zvoleno oznámení navolené funkce hlasovým výstupem.

Výstupy autocomputeru

Autocomputer vypočítává a zobrazuje tyto údaje:

	Reálný čas (hh:mm), jako vedlejší funkce : den, měsíc, rok, den v týdnu
	Provozní čas resp. doba zapnutí zapalovací soustavy
	Dráha v km (rozlišení do 100 km 0,01 km, nad 100 km 0,1 km) max. údaj 9999 km, po překročení se zobrazí chybová zpráva ERR, počitadlo nutno vynulovat
	Okamžitá rychlost v km/h (rozlišení 0,1 km/h)
	Průměrná rychlost (na ujetou dráhu -rozlišení 0,1 km/h)
	Okamžitá spotřeba (v l/100 km) - pokud vozidlo stojí,zobrazuje se údaj přepočtený na l/hod
	Průměrná spotřeba (v l/100 km) - spotřeba na ujetou dráhu
	Zůstatek paliva - zůstatek paliva v nádrži (součástí této funkce je hlídání minimálního zůstatku paliva a upozornění na něj - po dosažení 4,00 litru následuje přechod z libovolné funkce na funkci zůstatku paliva) .V poslední verzi je změna v této funkci

Ovládání autocomputeru
Autocomputer se ovládá čtyřmi tlačítky, z nichž všechna mají několik funkcí.
Tlačítko MODE - tímto tlačítkem se mění funkce autocomputeru v pořadí uvedeném v minulém odstavci,po každé změně funkce computer oznámí hlasovou zprávou název navolené funkce. Opakovaně je možno vyvolat toto oznámení stlačením tlačítka DOTAZ. Při delším podržení tlačítka MODE vstupujeme do módu nastavování, pokud je v navolené funkci možné nastavovat údaje. V módu editace se stisknutím tohoto tlačítka přepínají editované pozice (hh na mm ap.)
Tlačítko DOTAZ - při normální funkci autocomputeru se po stlačení tohoto tlačítka ozve hlasová zpráva oznamující právě navolenou funkci. V módu editace údajů má toto tlačítko funkci uložení dat a návrat z editace.
Tlačítko NUL/UP - tímto tlačítkem se nuluje právě navolená funkce (dráha, průměrná rychlost, provozní čas) V módu nastavování se editované číslo zvyšuje. Při navolené funkci reálný čas se po stisknutí tohoto tlačítka přechází do submenu zobrazování dne, měsíce, roku a dne v týdnu. Vstup do tohoto submenu je indikován svitem desetinné tečky u poslední číslice.
Tlačítko NUL ALL/DOWN - tímto tlačítkem se nulují veškeré funkce computeru potřebné k jízdě, t.j. provozní čas, dráha, průměrná rychlost.V módu nastavování se editované číslo snižuje.

Nastavování údajů      U hodin reálného času je možno nastavovat zvlášť hodiny a minuty. Po uložení nastavení tlačítkem DOTAZ jsou vynulovány vteřiny a hodiny se rozběhnou. U dne, měsíce a roku se nastavují data vzestupně nebo sestupně. Den v týdnu je zobrazován odpovídající zkratkou (PO, Ut ap.) a možnost nastavování je také vzestupně nebo sestupně.
     Pro měření zůstatku paliva v nádrži je nutno vždy u benzinové pumpy zadat kolik se natankovalo. Nenapadla mne jiná možnost jak jednoduše a v možnostech normálního člověka změřit, kolik se do nádrže dostalo paliva (jaký snímač???). U měřidla paliva se nastavují litry ,desetiny a setiny litrů. K urychlení nastavení se tento údaj nastavuje po jednotlivých cifrách (přepínání tl. MODE). Nastavený údaj je po odeslání přičten k zůstatku paliva. Pokud je výsledné číslo po součtu vyšší než 99,99 litrů , přičtení se neprovede a zůstatek paliva se nezmění (tohoto se dá využít při nechtěném nebo omylném vstupu do editace palivoměru, kdy se zadá takové číslo, aby výsledek byl vyšší než uvedené maximum 99,99 litrů a po výstupu z editace se nic nezmění.) Pro vynulování palivoměru se zadá číslo 99,99 a po potvrzení se palivoměr vynuluje.

     V poslední verzi software je změna v palivoměru a to ta, že se již nezadává kolik paliva se natankovalo (zjistil jsem, že zapomětlivost a přirozená lenost mi v tom u pumpy zabraňují), ale palivo se počítá vzestupně od nuly do 99,99 litru a pak se palivoměr nuluje.Tato funkce tedy nyní pouze měří, kolik paliva se dostalo do motoru. Je možno kdykoliv vynulovat jako např. provozní čas.

Popis zapojení autocomputeru     Jádrem celého autocomputeru je jednočipový mikroprocesor typu 80C32. Je zapojen v klasickém zapojení s vnější pamětí programu a LATCH registrem typu 573 pro zachycení spodní části adresové sběrnice. Paměť programu je 27C512, t.j. 64 Kbyte. Program uložený v paměti má cca 54 Kbyte, vlastní část autocomputeru je dlouhá cca 3,5 Kbyte, zbytek jsou zvukové samply. Paměť je vybavováva signálem PSEN, který je přiveden jak na CE, tak na OE vstup. Procesor je nulován po zapnutí napájení obvyklým kondenzátorem na vstupu RES.

Schémata a plošné spoje najdete na samostatné stránce ve velkém náhledu (formát jpg), ke stažení jsou buď na na konci dokumentu, nebo v sekci download i v jiných formátech.

     Zapojení displeje: Displej je zapojen multiplexně, opět přes oddělovače typu 573, které jsou zapojeny jako vnější paměť RAM, kdy data jsou přiváděna datovou sběrnicí a adresování obvodů je řešeno logickým součtem signálu WR a odpovídajícího adresového vodiče(74ALS02). Jeden oddělovač spíná přes rezistory katody segmentů číslicovek na zem,druhý ovládá tranzistory, které spínají anody číslicovek na +5V.

     Zapojení tlačítek: Pro jednoduchost jsou stavy tlačítek vyčítány také multiplexně.Tato činnost je sloučena s displejem. Tlačítka jsou uspořádána do jednoduché matice mezi bit portu 0 č.1 a vývody řízení anod displeje. V klidu je na P1.0 log. úroveň H, pokud je tlačítko stisknuto, objeví se na tomto bitu stav log. L. V tomto okamžiku program zjistí dle momentálně sepnutého bitu oddělovače, o které tlačítko se jedná a provede vyhodnocení.

     Obvod reálného času: Obvod reálného času (dále RTC) je zapojen se sloučenými vývody adres a dat, která jsou rozlišena přivedením strobovacího signálu ALE, dále jsou přivedeny signály pro zápis (WR) nebo pro čtení (RD) dat. Obvod je selektován samostatným vývodem z procesoru P1.2. Výstupy obvodu jsou dva:
a) data z/do registrů dle požadavku (sekundy,minuty,hodiny,dny,dny v týdnu,měsíce,roky + ovládání RTC)
b) výstup produkující impulsy pro vyvolání přerušení procesoru INT 0 (64 Hz).

     Vstupní registr čidel: Tento registr (4013) zabezpečuje udržení úrovně log. L na vstupech přerušení procesoru do té doby, než se provede odpovídající obsloužení. Procesor je nastaven na vyvolání přerušení úrovní. Při příchodu impulsu od čidla na vstup se překlopí registr a "drží" na svém výstupu úroveň log. L i po skončení impulsu. Po vyvolání přerušení je odpovídající registr vynulován přes P3.4 resp. P3.5. Pro přerušení od RTC je využit vstup INT0, stejně jako pro načítání impulsů od snímače paliva. Výstup RTC je s výstupem registru paliva sloučen diodovou logikou. Při příchodu impulsu je vyvoláno přerušení INT0. Při jeho obsluze je dotazem do odpovídajícího registru RTC zjištěn vektor přerušení a dle něj je provedena obsluha buď RTC nebo registru paliva. Registr dráhy má samostatný vstup přerušení INT1. Vstupní impulsy od čidel jsou tvarovány Schmittovým klopným obvodem (74HC132).

     Zvukový výstup: Zvukový výstup je řešen jednotranzistorovým zesilovačem z bitu TxD procesoru a data jsou vysílána systémem PCM (pulsně kódové modulace).

     Obvod vypínání napájení: má za úkol provést korektní přepnutí autocomputeru do režimu snížené spotřeby. V tomto stavu klesá odebíraný proud z provozních cca 230mA na záložní asi 0,8mA. Prosím pozor, fotografie jsou pořizovány z doby, kdy se ještě zálohování provádělo interním akumulátorem v computeru. Toto řešení se ukázalo jako nevhodné, neboť při dlouhém stání auta se zálohovací akumulátor samovolně vybíjel (i při odběru computeru cca méně než 0,8 mA) a pak nedokázal zajistit zálohování min. 2,5 V. V důsledku toho pak docházelo ke zpožďování RTC (hodin) a k nedefinovatelným stavům vnitřní RAM paměti procesoru. Proto byla provedena úprava, která je již zanesena ve všech podkladech ke konstrukci (*.jgp a EAGLE), kdy se provádí stabilizace 12V z autoakumulátoru na cca 3,2V dvěma sériově zapojenými LED s předřadným rezistorem 15K. Tím je nastavem proud LED na přibližně 0,8mA.(Zkoušel jsem stabilizaci Zenerovou diodou, ta však při tomto malém proudu nebyla schopna správně stabilizovat). Odpadá tedy velký a neforemný akumulátor na desce plošných spojů, a jediná menší nevýhoda je ztracení údajů při odpojení vozidlové baterie.
     A nyní již vlastní popis: Vstup obvodu (báze T1) je připojen na ten kontakt spínací skříňky, kde se po vytažení klíčku objeví napětí +12V z autobaterie.V provozu na bázi není napětí, tranzistor je přes R M82 otevřen,na P1.3 procesoru je přes R 2k7 a ZD 5V1 úroveň log. H. Na bázi tranzistoru KSY 62 je kladné napětí, tranzistor zkratuje kondenzátor a tím i bázi IRF 9530 na zem ,tzn. že IRF 9530 je otevřen a na stabilizátoru je napájecí napětí +12V stabilizováno na +5V.Toto napětí jde přes diodu D1 do všech napájecích uzlů a zavírá D3,tzn. že zálohovací napětí se neuplatní. Při vypnutí klíčku se přivede +12V na bázi T1, ten se uzavře, tím připojí P1.3 na zem , tzn. oznámí procesoru požadavek přechodu do módu PD (power down). Zároveň se uzavře T KSY 62 a začne se nabíjet kondenzátor přes odpor 15k a diodu. Po určité době (dané kapacitou kondenzátoru a velikostí odporu) , ve které již procesor i v tom nejnepříhodnějším případě (obsluha několika vnořených přerušení) přešel do PD módu, se kondenzátor nabije natolik, že se zavře tranzistor IRF 9530 a tím vypne hlavní napájení computeru. Když poklesne napětí na diodách D3 a D4 pod zálohovací napětí (cca 3,6V), D3 se otevře a záložní napájení zásobuje proudem procesor (resp. paměť RAM v něm obsaženou) a RTC. Dioda D4 se uzavře a zálohování napájí pouze tyto dva obvody. Diody D1 a D2 v obvodu odpojování zdroje jsou ochranné a slouží k tomu, aby se při odpojení baterie a eventuelním zkratu + vodiče automobilu na kostru nevybil kondenzátor, což by po opětovném připojení baterie mohlo vést k nedefinovatelvým stavům autocomputeru.

     Procesor: Zpracovává vstup od matice tlačítek P1.0, požadavek chodu prov. času (provozní čas běží, pokud je zapnuto zapalování), selektuje RTC, přehrává zvukové záznamy,zpracovává přerušení, obsluhuje displej, provádí výpočty všech funkcí, uchovává ve své RAM zálohovaná data (údaje o spotřebě ap.)

Osazování      Po kontrole všech plošných spojů na nežádoucí propoje nebo přerušení se osadí desky dle obrázku osazení. Pokud nejsou k dispozici desky s prokovenými otvory,je práce složitější v tom, že je třeba postupovat s rozmyslem, které součástky zapájet dříve. (např. po osazení patice se na proletování "prokovů" již nedostaneme). Také patice je třeba upravit případným opilováním hran,aby bylo možno zaletovat je i ze strany součástek. Po kompletním osazení desek zatím nepropojujeme dohromady desku procesoru a zdroje s interfacem. Desku displeje a desku procesoru propojíme vhodně upravenými vodiči. Nezapomenout na zapojení osmi rezistorů 220R ke katodám displejů mezi tyto desky.

OživováníDeska procesoru:
     Do patic osadíme procesor, obvod RTC,Eprom,LATCHe 74573 a hradla 7402. Připojíme zem zdroje 5V na svorku 1 konektoru JP1 (napájení). Pak spojíme nakrátko svorky 4 ,5 a 2 konektoru JP1(zálohované , nezálohované napájení , přechod do POWER DOWN mode) a připojíme na ně +5V. Za okamžik by se mělo na displeji rozsvítit logo autora a zobrazit reálný čas. Pokud se tak nestane je nutno zjistit (log. sondou, osciloskopem nebo čítačem) zda jsou impulsy na vývodu ALE procesoru. Pokud nejsou, je nejspíše závada v obvodech časování nebo RESETU procesoru (Reset-po zapnutí napájení by měl vývod 9 procesoru setrvat cca 6 vteřin v úrovni H). Také je nutno zkontrolovat úroveň H na vývodu 4 (P1.3) procesoru.Pokud jsou impulsy na ALE a displej stále nic nezobrazuje, je nutno zkontrolovat impulsy na vývodu 29 procesoru (signál PSEN) , dále projít adresovou a datovou sběrnici na EPROM ,kde by každý signál měl vysokou frekvencí měnit úrovně H a L. Pokud tomu tak není, projít cesty od procesoru přes LATCH registr 74573 až po paměť. Pokud je až sem vše v pořádku a displej stále nic nezobrazuje, je nutno zkontrolovat frekvenci 64 Hz na vývodu 1 RTC 72421A. Pokud zde nenaměríme tuto frekvenci, závada je s největší pravděpodobností v okolí procesoru. Jinak je nutno otestovat vývody 11 IO5 a IO6, zda se na nich vyskytují zapisovací impulsy. Pokud ne, měřit na procesoru vývod 16 (signál WR) a pak postupovat směrem od procesoru přes IO 7402. Pokud nesvítí pouze některé číslo, závada je pravděpodobně ve spínacím tranzitoru pro danou anodu segmentovky nebo výstupu z 74573 na tento tranzistor. Pokud nesvítí jeden segment na všech číslovkách, je závada pravděpodobně v 74573 ovládajícím katody nebo v trhlina v plošném spoji pro odpovídající katodu. Po oživení ještě zjistíme,zda se po přechodu na jinou funkci objevuje na vývodu TxD (výv.11) série impulsů.

Deska zdroje + vstupní interface:
     Zatím neosazujeme IO 2 a IO 3. Spojíme svorky +12V a "Vypni computer" a přivedeme na ně +12V ss.(Máme samozřejmě připojen vodič GND). Voltmetr připojíme na svorku 4 konektoru JP 4 (Napájení).Na této svorce nesmí být napětí.Když je vše v pořádku přejdeme na další bod. Pokud napětí naměříme,měříme napětí na kolektoru T2, kde musíme naměřit napětí. Pokud zde je napětí, je s největší pravděpodobností vadný T3. Když napětí nenaměříme, postoupíme na bázi T2. Zde nesmíme naměřit napětí. Pokud zde napětí je, přesuneme se voltmetrem zpět na kolektor T2 a zkusíme vodičem propojit bázi T2 se zemí. Jestliže ani po propojení báze na kolektoru nevzroste napětí, je vadný T2. Při správné funkci T2 je už jedině možná závada v T1. Jeho správnou funkci ověříme měřením napětí na R2, kdy při odpojení svorky "Vypni computer" od +12V musí vzrůst na tomto odporu napětí a při opětovném propojení této svorky nesmíme naměřit nic.

Odpojíme svorku "Vypni computer" od +12V a měříme napětí na svorce 4 konektoru JP4 (Napájení) kde musíme naměřit +5V. Když je vše v pořádku, odpojíme +12V a osadíme zbývající IO. Zapneme napájení a můžeme ověřit funkci vstupního interface. Přivedeme impulsy o kmitočtu 50 - 100 Hz na jednotlivé vstup (Palivo, Spotřeba) a tyto impulsy musí být patrné na vývodech 3 resp. 6 IO 2. IO 3 kontrolujeme tak, že přivedeme impuls na vstup Spotřeba a výstup IO 3 (výv. 1) musí přejít do log. L. Po přivedení impulsu na vstup (výv. 6) musí stav na výstupu (výv. 1) přejít do log. H. Totéž platí pro druhou část interface.

Mechanická konstrukce Celý computer je sestaven na 3 deskách s plošnými spoji. Deska procesoru, deska zdroje a vstupních obvodů a deska displeje. Všechny desky jsou oboustranné, prokovené otvory nejsou nutností pokud se obrníte trpělivostí. Desky procesoru a zdroje jsou umístěny nad sebou a uprostřed sešroubovány přes distanční sloupek šroubem M3.

ČidlaČidlo dráhy
V původní konstrukci dle AR A3,A4 1990 se jednalo o mezikus vysoustružený z hliníku, v němž umístěná clona přerušovala paprsek mezi infra LED a optotranzistorem. Protože jsem neměl možnost soustružit, zvolil jsem metodu jinou, bez záruky s možností ! zničení tachometru ! a tou je provrtání příruby tachometru skrz přes osu náhonu. Po vyvrtání vrtákem 2,5 mm dostaneme otvor ve kterém drží samosvorně jak LED tak z druhé strany fototranzistor. Uvnitř otáčející se provrtaná osa přerušuje paprsek a tím dává vzniknout impulsům na výstupu. Protože se liší počet impulsů (u originálního řešení 1/ot.) na 2/ot. je nutno dělit impulsy (to zajišťuje procesor). Kolega již měl vysoustružený mezikus,ale vzdal to. Přesto, že měl k dispozici komplet dokumentaci,schéma a mojí plnou podporu tak to vzdal a proto není verze pro klasickou clonu plně dotažená, ale i tak ji dávám k dispozici. Na verzi s provrtanou přírubou se nadále pracuje a software je k dispozici. Schéma zapojení čidla je na obr.1

Obr.1 Schéma zapojení snímače dráhy
Čidlo paliva
     Jako snímač průtoku paliva byl použit průtokoměr, kdysi sériové vyráběný v NDR pro nové vozy WARTBURG 353S. U nás byl běžně dostupný v prodejnách náhradních dílů za 235 Kčs. Tento typ snímače byl prodáván v NDR (společně s analogovým měřidlem, držákem a propojovacími hadicemi) i pro všechny vozy ŠKODA. Já jsem jej sehnal na vrakovišti za cca 50,- Kč.
     Sestává ze dvou základních částí. Jednou z nich je nádobka, která má za úkol "integrovat" průtok paliva z benzinového čerpadla. Palivo vstupuje do této nádobky otvorem ve víčku, vtéká na pryžovou membránu, která tvoří dno, a opět opouští tento prostor otvorem ve víčku. Výsledkem je plynulejší průtok paliva do druhé části snímače. Nejdůležitější součástí je vrtulka z plastu, uložená v hrotových ložiskách. Na tuto vrtulku je ve směru tečny přiváděno palivo z integrační nádobky a stejným způsobem po změně směru o 270° vzhledem k ose rotace vystupuje a pokračuje do karburátoru. Listy vrtulky přerušují světelný paprsek, dopadající na fototranzistor, pracující podobně jako luminiscenční dioda v infračervené oblastí. Součástí prodávaného snímače průtoku je deska s plošnými spoji s elektronickými obvody, které signál z fototranzistoru zesílí, tvarují a převádějí na impulsy konstantní šířky monostabilním klopným obvodem. Malá úprava na této desce je popsána v dále.

     Pro zvýšení odolnosti vůči rušení zmenšíme výstupní impedanci snímače průtoku paliva. Na obr. 2 je nakresleno schéma zapojení stupně s jedním tranzistorem, který je zařazen na výstup sériové vyráběného snímače průtoku. Postup při úpravě: Sejmeme plastové vičko, zakrývající kruhovou desku s plošnými spoji a chrání ji tak před hrubými nečistotami. Desku odšroubujeme, ze strany součástek přerušíme plošný spoj podle obr. 3 a pak ji opět připevníme. Podle obr. 4 připájíme ze strany spojů tranzistor T1 a rezistory R1 a R2. Všechny vývody i rezistory pečlivé izolujeme silikonovou bužírkou. Následuje kontrola funkce, činnost zkontrolujeme nejlépe osciloskopem (popř. sondou) tak, že simulujeme průtok paliva fouknutím do prostoru integrační nádobky. Objeví-li se na výstupu pravoúhlé impulsy s šířkou asi 1 ms a s napěťovými úrovněmi 5 V a O V (dáno Uces T1) je vše v pořádku a můžeme mechanicky zajistit R1, R2, T1 zakápnutím tavného lepidla. Nasadíme zpět víčko. Snímač je tímto připraven k montáži do vozu.


Obr. 2 Schéma zapojení úpravy snímače průtoku paliva	Obr.3 Přerušení plošného spoje ze strany součástek	Obr.4 Úprava za strany spojů

Rozpiska součástek

Deska procesoru:

Deska zdroje:

	C1,C2 kondenzátor keramický 18p		C1 kondenzátor tantalový 2u2/16V
	C3 tantal 10uF/16V		C2 kondenzátor elektrolyt 47u/16V
	D1,D10 dioda 1N4148		C3 kondenzátor elektrolyt 22u/16V
	IC1 mikroprocesor 8051 DIL40		C22 ,C33 kondenzátor keramický 68n
	IC2,IC5 a IC6 74HCT573		CON1,CON5 svorkovnice ARK550/2
	IC3 EPROM 27C512 naprogramovaná		CON3,CON4 svorkovnice ARK550/3
	IC4 RTC Epson RTC72421A		D1 dioda 1N5408
	IC7 7402		D2-D4 dioda 1N4148
	Q1 krystal 12 MHz pouzdro HC49U-V		D5-D6 LED 3mm
	R9 rezistor miniaturní 4k7		IC1 stabilizátor 7805
	R10 rezistor miniaturní M1		IC2 schmittův KO 74HC132
	rezistory 220R miniaturní - propoje ke katodám segmentovek		IC3 KO typu D 4013
	1x patice DIL 40 precizní		JP2 konektor z lámací lišty 2 piny
	1x patice DIL 18 precizní		Q2 tranzistor BC327-40
	1x patice DIL 14 precizní		R1 rezistor miniaturní M82
	3x patice DIL 20 precizní		R2,R4,R11,R12 rezistor miniaturní 1k
	1x patice DIL 28 precizní		R3,R6,R7 rezistor miniaturní 2k7
			R5,R10 rezistor miniaturní 15k
	Deska displeje:		R8,R9 rezistor miniaturní 6k8
	D1-D4 1N4148 1N4148 DO35-10		T1,T3 tranzistor FET IRF9530
	IO1-IO2 číslicovka dvojčíslo,hyperRED HDSP5521		T2 tranzistor univerzální KSY62
	Q1-Q4 tranzistor BC327-40		ZD2-ZD4 zenerova dioda BZX85/5V1
	R9-R12 rezistor miniaturní 1k		2x patice DIL 14 precizní
	R13 rezistor miniaturní 3k3		Chladicí křídlo na stabilizátor - hliníkový profil
	Tl1-Tl4 tlačítko P-DTE6

Program autocomputeru - starší verze	Program autocomputeru - novější verze

*Schémata a plošné spoje ve formátu .BMP / rozlišení 300 dpi**	Schémata a plošné spoje ve formátu EAGLE 4.1

A na závěr několik fotografií:
upozorňuji jen tak na okraj,že spoje jsou malované ručně trubičkovým perem


Pohled na spojené desky procesoru,zdroje a vstupních obvodů a displeje	Pohled na desku zdroje a vstupních obvodů	Pohled na stranu spojů desky zdroje a vst. obvodů


Pohled na desku procesoru a displeje	Pohled na desku procesoru a displeje zezadu	Detailní pohled na desku procesoru