Battery Monitor

Monitor de batería en formato relé de automoción

Hola! Estoy realmente ocupado este año y no puedo colgar todos los proyectos en los que estoy involucrado. En esta entrada voy a hablar de un diseño que realicé el año pasado para un cliente. Este cliente necesita medir la tensión de batería de un vehículo y activar dos alarmas cuando la tensión baja por debajo de dos umbrales determinados. Además, irá instalado en la caja de relés del vehículo, por lo que el diseño ha de tener la forma y tamaño de un relé de automoción para una fácil integración. Así que, después de un par de iteraciones, aquí está el diseño final del monitor de batería.

El proyecto comenzó aproximadamente hace un año. El cliente necesitaba un dispositivo para integrar en la caja de relés de un vehículo para monitorizar la tensión de batería (12V nominales). Quería dos alarmas, cuando el nivel de batería bajaba por debajo de dos umbrales de tensión fijados. Estas salidas de alarma activarán otros relés para advertir de forma externa del bajo nivel de batería, por lo que he usado dos relés de estado sólido (SSR) para estas salidas. Además, el tiempo de activación y desactivación de las alarmas es configurable: una vez que se ha detectado un valor superior o inferior de tensión al configurado, habrá un tiempo de espera (configurable) antes de activar o desactivar las señales de alarma.

  • PROTOTIPOS

Aquí está la primera prueba de concepto, con componentes que tenía por casa y montado en una tarde:




Los componentes principales de la tarjeta son:

  • PTN78000WAH: Regulador conmutado con salida ajustable y 1.5A, para obtener 5V desde los 12V de la entrada (batería). Obviamente está sobre dimensionado y su coste es prohibitivo para este diseño.
  • PIC16F88: Un pequeño microcontrolador de 8 bits de Microchip, para implementar toda la lógica de control. Es un dispositivo viejo y caro, pero lo tenía a mano y me permite empezar con el código. He utilizado el compilador mikroC PRO for PIC  y el programador mikroProg, ambos de la compañía mikroe. En el post previo se puede ver como hacer compatible este programador con el programador PicKit 3 de Microchip.
  • AQZ205: Relé de estado sólido. Permite la entrada en AC/DC, y a la salida puede manejar cargas de 100V y 4 amperios. Igualmente sobredimensionado, pero perfecto para una demo, permitiendo al cliente conectar a la salida casi cualquier tipo de relé sin problemas para activarlo. Para esta primera demo solo utilicé un relé.
  • Para medir la tensión de entrada, utilicé un simple divisor resistivo con un pequeño filtro paso bajo y el ADC interno del PIC16F88.

Después de algunos tests con el cliente , me dio el OK para continuar con diseño. La prueba de concepto estaba bien pero para el desarrollo final había que ajustar los componentes todo lo posible para tener un dispositivo con unos costes ajustados. Hice otro prototipo con los nuevos componentes y, esta vez si, con los dos relés SSR de salida:

Battery Monitor

Los nuevos componentes utilizados en esta versión fueron los siguientes:

  • MC78M05CDTRKG: Regulador lineal de salida fija a 5V y 500-mA. La tensión de entrada puede llegar a 35V. Como el consumo de la tarjeta es realmente pequeño, no habrá problemas de temperatura ni de corriente.
  • PIC16F1824: Un nuevo microcontrolador (que desconocía) de Microchip. Arquitectura de 8 bits con muchos mas periféricos que el anterior y por debajo de 1 euro / pieza. Cosas interesantes de este microcontrolador para este proyecto: oscilador interno (utilizo una frecuencia de 8Mhz), ADC configurable en cualquier pin del microcontrolador y referencia interna de tensión (seleccionable entre 1.024V, 2.048V o 4.096V). En el apartado de memoria, tiene 4K palabras de código y 256 bytes de RAM, suficientes para la aplicación.
  • AQY211EH: Relé de estado sólido con aislamiento de 5KV. Las características de la salida son de 30V / 1A, suficientes para conectar un relé externo con el dispositivo de aviso.
  • VERSION 1.0

Los test con esta tarjeta fueron correctos, por lo que llegó el momento del diseño de la PCB. Realmente se diseñaron dos PCBs: una con toda la electrónica y otra para a base de relé, donde van situados los conectores faston.

El esquema de la tarjeta de control se puede descargar aquí: DSN_CONTROL_BATERIA_V01. He añadido un MOSFET en la etapa de entrada para proteger el dispositivo contra inversiones de polaridad al conectar la batería. El divisor resistivo para la medida de la tensión está configurado para medir hasta 15V. Esta tensión máxima es convertida a 4.096V, tensión máxima de entrada al ADC del PIC cuando se usa la referencia interna de tensión (FVR). Además he añadido un led de usuario (D1) y dos leds en serie con el pin de activación de los SSR, que lucirán cuando el relé esté activo. Por último, he añadido un conector para el puerto serie del microcontrolador, que he utilizado en la etapa de depuración. Lo he usado para enviar el valor del ADC medido y comprobar la exactitud de la medida.

Battery Monitor Battery Monitor

Como se puede ver, en la parte superior derecha de la tarjeta (TOP LAYER) hay cuatro pad’s rectangulares, y uno mas en el centro a la derecha en la cara Bottom. Estos pads son para soldar la placa base y formar la estructura típica del relé de automoción.

Acerca de esta placa base, el esquema es realmente sencillo y esta aquí: DSN_BASE_RELE_5P_V01. He usado la configuración estándar de 5 pines para las señales:

  • Pin 85: 0V (negativo de batería)
  • Pin 86: 12V (positivo de batería)
  • Pin 30: Común (positivo o negativo)
  • Pin 87: SSR Salida #1
  • Pin 87A: SSR Salida #2

Aquí hay un link con información útil acerca de los pinouts de los relés de automoción. Y algunas fotos de las tarjetas ensambladas:

Battery Monitor Battery Monitor

 

Battery Monitor

La carcasa para el relé está diseñada a medida por un buen amigo, e impresa en 3D. Las dimensiones de la carcasa son de 28x28x52 mm:Battery Monitor Battery Monitor Battery Monitor

  • VERSION 1.1

La versión 1.0 funciona de forma correcta bajo las especificaciones del cliente. Tras un par de meses funcioando bien, el cliente solicitó una modificación. Ahora quería medir baterías de vehículos a 24V. El problema con la configuración actual es el regulador líneal: para 24V la caída de tensión en él es alta, lo que se traduce en mayor potencia disipada y mayor calor dentro de la caja. Así, decidí cambiar el regulador lineal por uno conmutado. He elegido el RECOM R-78E-0.5. Es un regulador conmutado de bajo coste, con una eficiencia de hasta un 95% y compatible con los reguladores lineales 78xx. El rango de entrada va desde 7 a 28VDC. La salida es de 5VDC y 0.5amps, y la eficiencia va desde 82% (mínima VIN) hasta 92% (máxima VIN). De esta forma, con este regulador se pueden cubrir los dos modelos de relé, teniendo prácticamente el mismo hardware para 12V y 24V. La única diferencia entre ambos modelos es el valor de las resistencias del divisor resistivo, adaptadas en ambos casos a los 4.096V máximos de entrada al ADC. En esta versión además he quitado los led’s que estaban en serie con los relés. Para reducir costes y por que, al final, nadie los va a ver una vez montado. El nuevo esquema se puede ver aquí: DSN_CONTROL_BATERIA_V1.1. En el lado de la PCB, he reducido el tamaño: ahora es más corta:

Battery Monitor Battery Monitor

And he’re the assemble board (3pcs):

Battery Monitor

En el lado de la PCB también he cambiado todos los componentes de cara, pasando de la cara Bottom (versión 1.0) a la cara Top (version 1.1):

Battery Monitor

La carcasa sigue siendo diseñada a medida. Ahora las dimensiones son de 28x28x40 mm (12mm más corta que la versión 1.0). Y para esta nueva versión solo he usado la base de 4 pines, por lo que el pin 87A (SSR Salida #2) no está incluido. No está incluido en la PCB, pero si en el esquema, así que si en un futuro el cliente la necesita, solo hay que fabricar la base de 5 pines (sin tener que modificar la tarjeta de control):

Battery Monitor Battery Monitor Battery Monitor

Y finalmente, una foto donde se pude ver todo el trabajo realizado: todos los prototipos y placas diseñadas hasta el momento:

Battery Monitor

Por el momento, esta es la actual versión que está instalada y funcionando desde hace unos 6 meses sin problemas conocidos.

Acerca del software implementado, no puedo postearlo aquí debido a un acuerdo con el cliente. Acordamos que podía poner toda la información del hardware pero nada acerca del software.

  • Twitter
  • del.icio.us
  • Digg
  • Facebook
  • Technorati
  • Reddit
  • Yahoo Buzz
  • StumbleUpon

This post is also available in: Inglés

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.