Контрольная работа: Разработка системы акваконтроля для автомобиля

Введение

Стоит набрать в поисковике фразу «вода под ковриком автомобиля» и по количеству запросов (13 млн.) становится ясно почему мы обратили внимание на эту проблему, возникающую при эксплуатации автомобиля. Когда автомобилист сталкивается с проблемой мокрых полов? При ремонте, установке дополнительной шумоизоляции, в поисках источника гнилого запаха или запотевания стекол. До этого момента можно проездить не один год с бассейном в ногах и не обнаружить этого. За это время металл днища может сгнить до дыр, от влаги размножатся различные бактерии и грибки, значительно ухудшится шумо- и теплоизоляция.

Цель проекта: Создание специализированной системы акваконтроля автомобиля, позволяющей улучшить его основные потребительские свойства, а именно, долговечность и ликвидность.

В результате выполнения проекта разработаны схемы, проведено макетирование, изготовлены и отлажены опытные образцы 3 вариантов системы, отличающиеся функциональностью, ценой и ориентированных на разные группы потребителей. Проведены успешные испытания системы в реальных условиях эксплуатации на автомобилях. Проведен патентный поиск и подготовлены материалы для заявки в Роспатент на полезную модель.

Применение системы улучшит потребительские свойства автомобиля, повысит его ликвидность при продаже, предотвратит дорогостоящий кузовной ремонт и защитит здоровье от возможного появления в салоне болезнетворных микроорганизмов. Система имеет низкую себестоимость, менее 1000 рублей на один автомобиль. Изучен спрос на новую продукцию и получены первые заказы на ее изготовление. Первыми заказчиками стали центры установки шумоизоляции и автоакустики, а также частные автолюбители, столкнувшиеся с проблемой мокрых полов. Решено изготовить опытную партию системы акваконтроля в количестве 300 штук для реализации по предварительно полученным заказам.

Данный проект выполнялся на базе МБОУДО «Центр развития творчества» объединения Клуб «Юный изобретатель» г. Сосновый Бор Ленинградской области. Клуб существует с 1993 года и за время его существования его членами, школьниками, получено более 40 патентов, различных наград за победы в международных и всероссийских конкурсах.

Основное направление работы клуба - поиск вопросов и проблем в реальной окружающей жизни, которые можно попытаться решить силами Клуба. Особый интерес к проектам, имеющим патентные перспективы и реальные шансы на практическую реализацию и внедрение. Над данным проектом автор работает второй год и уже получены практические результаты, подтверждающие возможность практического внедрения и патентования реализованной идеи.

1. Исследовательская часть

Анализ состояния вопроса.

В современном мире автотранспорт играет огромную роль в нашей жизнедеятельности. Личный автомобиль превратился в обычный атрибут жизни и ежедневного использования. Огромная индустрия автопроизводства с многомиллиардными доходами в настоящее время является одним из двигателей прогресса, внедрения новых технологических идей. В погоне за прибылью с учетом жесткой конкурентной борьбы за рынки сбыта автопроизводители пользуются различными приемами и стратегиями, не всегда учитывая интересы автовладельцев и общества в целом. Из последних громких скандалов - обман концерна Volkswagen [1], связанный с подделкой результатов тестирования автомобилей с дизельным двигателем по выбросам вредных веществ в атмосферу. Кроме того, в последние десятилетия изменился подход производителей к долговременной надежности своих автомобилей. Производители заинтересованы в том, чтобы потребитель как можно чаще менял автомобиль на новый, в том числе по причине его физического износа к 7-10 годам и экономической нецелесообразности ремонтов и обслуживания старого авто.

Как итог, ряд проблем, с которыми сталкиваются автовладельцы в процессе эксплуатации и обслуживания своих автомобилей, для автопроизводителей не являются значимыми. Несмотря на то, что решение этих проблем не представляется какой-то сверхзадачей и при современном развитии технологий, прежде всего электроники, вполне по силам как отдельным гаражным энтузиастам, так и коммерческим структурам (в виде стартапов).

В рамках данного проекта мы хотели внести свой посильный вклад в поиск и решение проблем, по каким-то причинам не интересным автопроизводителям, но снижающим потребительские свойства автомобилей.

Задачи:

Ш исследовать и проанализировать вопросы практической эксплуатации автомобиля в условиях воздействия воды на элементы кузова;

Ш разработать структурные и принципиальные схемы, конструкцию различных по сложности и функциям вариантов системы акваконтроля автомобиля;

Ш изготовить опытные образцы системы, провести их отладку и испытания;

Ш провести патентный поиск и подготовить заявку на патентование идеи.

В процессе работы над проектом выбор конкретных вариантов технических и конструкционных решений производился исходя из материально-технических и финансовых возможностей клуба «Юный изобретатель», а именно:

- элементная база (микроконтроллеры, отладочные платы, датчики, монтажные и корпусные изделия) приобреталась в интернет-магазинах ebay.com и «Терраэлектроника» (https://www.terraelectronica.ru/);

- программное обеспечение в виде ПО разработчика, библиотек и прикладных программ использовалось из комплектов приобретенных отладочных средств и бесплатного ПО с сайтов разработчиков;

- необходимая справочная информация получена путем поиска на специализированных ресурсах интернета.

2. Проектная часть

Табл. 1. План реализации проекта

3. Описание принципа действия и конструкций системы акваконтроля

Исходные данные.

Достаточно набрать в поисковике фразу «вода под ковриком автомобиля» и по количеству запросов (13 млн.) (рис. 1) становится ясно почему мы обратили внимание на эту проблему, возникающую при эксплуатации автомобиля.

Рис. 1. Результаты запроса через интернет

Когда автомобилист сталкивается с проблемой мокрых полов? При ремонте, установке дополнительной шумоизоляции, в поисках источника гнилого запаха или запотевания стекол. До этого момента можно проездить не один год с бассейном в ногах и не обнаружить этого. За это время металл днища может сгнить до дыр («пол провалился»), от влаги размножатся различные бактерии и грибки, значительно ухудшится шумо- и теплоизоляция, так как пористые материалы, из которых изготовлены штатные ковры, как губка впитывают воду (рис. 2).

Причин появления воды под коврами в авто много. Это и тающий снег, и дождь через дефектные уплотнители стекол, и забитые сливные отверстия кондиционера, и деформированные технологические заглушки на днище, и даже протечка антифриза из системы обогрева. Причем однажды попав под коврик, вода там остается практически навсегда, так как ее испарению препятствует верхний слой ковров, он сделан непромокаемым. С проблемой мокрых полов сталкиваются владельцы любых авто, от бюджетных отечественных до дорогих иномарок. Об этом хорошо знают работники центров шумоизоляции и автоакустики. От 30 до 50% автомобилей, по их статистике, имеют остаточную влагу под слоем штатной шумоизоляции и требуют дополнительных дорогостоящих работ по удалению образовавшейся ржавчины.

Рис. 2. Последствия затопления пола автомобиля

Какой вывод? Нужна система постоянного контроля за состоянием полов под штатным ковром автомобиля на наличия воды.

Существуют и продаются системы акваконтроля для бытовых помещений [2-4]. Однако они спроектированы для других условий эксплуатации и установки и без существенных доработок не могут быть установлены в автомобиль.

Потребность в адаптированной для применения в автомобиле системы акваконтроля существует. Информация об этом получена от работников автоцентров и обычных автолюбителей, обсуждающих данную проблему на специализированных сайтов.

Поэтому было решено разработать схему и конструкцию оптимальной для использования в автомобиле системы акваконтроля. Система должна быть простой, недорогой, не влиять на конструкцию и другие системы автомобиля. Применение системы улучшит потребительские свойства автомобиля, повысит его ликвидность при продаже, предотвратит дорогостоящий кузовной ремонт и защитит от возможного появления в салоне болезнетворных микроорганизмов.

Система акваконтроля со звуковым оповещением.

Первый вариант системы - самый простой и бюджетный. На рис. 3 представлена ее структурная схема.

Система состоит из выносного датчика протечки воды и блока оповещения. Датчик представляет собой плату, на которой с двух сторон нанесен проводящий слой из двух групп проводников типа «расческа». Зазор между проводниками обеспечивает высокое сопротивления датчика в сухом состоянии.

Рис. 3. Структурная схема системы акваконтроля со звуковым оповещением

При смачивании платы водой сопротивление датчика падает пропорционально количеству воды. Измерительный сигнал в виде сопротивления датчика по парному проводу поступает на вход аналогового компаратора блока оповещения, где с помощью R-цепи преобразуется в напряжение постоянного тока. На другой вход компаратора поступает регулируемое пороговое напряжение. С помощью регулировочного резистора порог срабатывания компаратора устанавливается в процессе настройки системы. Если на датчик оказался погруженным в воду, на выходе компаратора появляется уровень логической единицы - напряжение питания 5 вольт. При этом запускается формирователь импульсов, который формирует на своем выходе однократную последовательность импульсов (от 1 до 5) с периодом 0,5 секунды. Количество импульсов устанавливается перед началом использования блока вручную с помощью перемычек и служит идентификатором места расположения датчика. Например, 1 импульс - пол водителя, 2 - пол пассажира, 3- пол заднего левого пассажира, 4 -пол заднего правого пассажира, 5 - пол багажника. Импульсы с выхода формирователя поступают на вход звукового излучателя (зуммера) и преобразуются в громкий звуковой сигнал. Количество звуковых «бипов» соответствует зоне размещения сработавшего датчика. Напряжение питания элементов схемы блока оповещения составляет 5 вольт и формируется преобразователем напряжения DC-DC типа. На вход преобразователя поступает напряжение12 вольт при включении замка зажигания (заводке автомобиля). Таким образом, схема работает только на заведенном авто, т.е. в присутствии водителя и срабатывает только в момент включения зажигания. Поэтому водитель услышит сигнал наличия воды на соответствующем участке пола автомобиля только один раз при каждой очередной заводке. Не будет назойливого зуммера во время вождения. А сигнал напоминания о проблеме будет сопровождать каждый запуск двигателя авто, пока проблема не будет устранена.

Используемые элементы системы.

В качестве аналогового компаратора используется двухканальный интегральный компаратор LM393. Формирователь импульсов построен на дискретной логике К561. DC-DC преобразователь напряжения построен на чипе LM2596S в стандартном включении.

Особенности конструкции.

Проводящие дорожки датчика покрыт защитным слоем никеля, что обеспечивает его защиту от окисления. Размер датчика 5х4,5 см. Для исключения перемещения датчика и обеспечения зазора между его поверхностью и полом, в отверстиях по углам платы датчика установлены резиновые стойки (Рис. 4).

Корпус блока оповещения - стандартный пластмассовый подходящего размера, внутри которого расположены все электронные компоненты. Электронные платы и элементы покрыты специальным полиуретановым защитным лаком для защиты от возможного конденсата.

Рис. 4. Внешний вид датчика протечки

Монтаж и эксплуатация системы.

Монтаж системы не сложен, его можно повести самостоятельно, либо в любом автосервисе.

1. Определить количество и место установки датчиков протечки. Минимальное количество датчиков - 1 (пол водителя, как наиболее вероятное место появления воды). Оптимально - 2 датчика (пол водителя и переднего пассажира). На полу задних пассажиров и в багажнике вода появляется реже, но для полной уверенности лучше установить датчики и там.

2. Снять декоративные накладки порогов (рис.5).

3. Поднять вверх штатный ковер и шумоизоляцию, освободив участок пола для установки датчика (рис.5). Проверить состояние пола на отсутствие воды, ржавчины, других загрязнений. В случае необходимости устранить обнаруженные проблемы.

Рис. 5. Пол со стороны пассажира со снятыми накладками порогов

Рис. 6. Вид с поднятым ковром

4. Установить датчик желательно в нижней точке профиля пола, где в первую очередь будет скапливаться вода (рис. 7). Провод от датчика протянуть под сиденье пассажира.

Рис. 7. Установка датчика протечки воды

5. Установить с помощью перемычек количество звуковых импульсов для датчика (2 - для поля переднего пассажира). Подключить к блоку провода датчика и питания. Разместить блок под сиденьем (рис. 8). При необходимости, закрепить его с помощью пластиковых стяжек.

Рис. 8. Блок оповещения под сиденьем пассажира

6. Проверить работоспособность блока и датчика. Для этого намочить датчик (помесить в любую емкость с водой, положить на мокрый поролон и т.п.). Включить зажигание. Должен прозвучать однократно звуковой сигнал (бипер) с установленным числом «бипов».