Diseño y construcción de un sistema de visualización para el monitoreo de parámetros del vehículo eléctrico (EVEO).
Diego Haro S., Oswaldo Naranjo E., Nelson Sotomayor Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador
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Abstract-
Como parte de la investigación y el desarrollo que se lleva a cabo en la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional, se ha diseñado y construido un prototipo de vehículo eléctrico denominado EVEO (Electrical Vehicle Ecuadorian Owl) que ha incursionado en el desarrollo de tecnologías no contaminantes utilizando Sistemas Microprocesados y Electrónica de Potencia para sustituir el motor de combustión interna que en la actualidad es uno de los mayores contaminantes.
Pensando que este prototipo puede ser parte del cambio de la matriz productiva que vive el Ecuador, en el presente proyecto de titulación mediante el uso de microprocesadores ATMEL de arquitectura avanzada de 32 bits, indicadores digitales de última generación con tecnología OLED, pantalla gráfica LCD con panel táctil resistivo y del estándar CAN para las comunicaciones en el vehículo, se diseña y construye un sistema de visualización moderno acorde con las tendencias actuales que sirva para el monitoreo de parámetros del prototipo EVEO, creando de esta manera un sistema más amigable y de fácil para acceso para el conductor.
I.
supervisadas para la detección de posibles anomalías y prevención de problemas en el momento de conducir. El presente proyecto integra las señales de monitoreo en un solo sistema de visualización haciendo uso de la tecnología del BUS CAN para la transmisión de información y de una HMI para mejorar la estética. estética. Además se mejora la funcionalidad del sistema de comunicación de acuerdo al estándar automotriz basándonos en la utilización del bus CAN, el cual por su estructura reduce sustancialmente el cableado y minimiza la posible contaminación de la información producida por causa de EMI/RFI o por los aspectos constructivos del sistema. II.
El sistema de visualización y monitoreo de parámetros para el vehículo eléctrico eléctrico requiere la implementación implementación de un Bus CAN para el intercambio de información (Figura 1), se establece CAN como protocolo a utilizarse debido a que este es un protocolo abierto de alta seguridad y utilizado como estándar en el área automotriz [1].
I NTRODUCCIÓN
Cualquier persona que haya conducido un vehículo puede notar la importancia de una buena visualización de los parámetros del automotor, lo útiles que le resultan para alertar niveles críticos en baterías, aire, presión, combustible, etc., además ayudan para confirmar luces, puertas, cinturón de seguridad, seguridad, entre otros. En el caso de un vehículo eléctrico la importancia del sistema de visualización no se debe menospreciar ya que inclusive existen más variables que necesitan ser
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA
Módulo Principal
Módulo De Instrumentos
Módulo Indicador De Hora
1 2:00 00
TERMINAL DE LINEA
TERMINAL DE LINEA
Bus CAN
Módulo De Adquisición
Fig.1 Estructura del sistema de visualización y monitoreo. monitoreo.
Se establecen cuatro nodos de comunicación mediante la implementación de cuatro módulos denominados: Módulo principal Módulo de instrumentos Módulo de adquisición Módulo indicador de hora
las baterías mediante los Micro-Air Core y la cuenta de kilómetros recorridos, contador de distancia (Odómetro) y señales de alarma a través de la pantalla OLED según los datos enviados por módulo principal. Adicionalmente el módulo de instrumentos consta de un sistema de iluminación que puede ser personalizado por el usuario.
Cada módulo presenta diferente funcionalidad.
OLED
A. Módulo Principal
Este módulo es la unidad principal, pr incipal, puesto que es aquí donde se manejan los periféricos que permiten al usuario interactuar con todo el sistema, ya sea para obtener la información del vehículo, personalizar el módulo de instrumentos, o simplemente para modificar algunos de los parámetros propios como la calibración del ingreso táctil, nivel de volumen de la alarma auditiva, brillo, contraste de la pantalla, etc.
PWM SENSOR DE VELOCIDAD
LED's RGB
Microcontrolador
SPI
MAC
TRANSCEIVER CAN
Bus CAN
Fig.4 Diagrama de bloques del módulo módulo de instrumentos.
MÓDULO GLCD
1) CONTROLADOR
Q-TOUCH
RTC
EEPROM
R-TOUCH
SPI I2C
SD/ Micro SD
Microcontrolador
Sensor para medición de velocidad UGS3060KA:
Dispositivo que posee dos sensores de efecto hall internos que responden a los cambios magnéticos diferenciales creados por cuerpos ferrosos móviles. Es ideal para detectar la velocidad con que los dientes de los engranajes se desplazan cuando están en movimiento.
BUZZER
TRANSCEIVER CAN
Bus CAN
Fig.2 Diagrama de bloques bloques del módulo módulo principal.
1) AT32UC3C2512C:
Microcontrolador de arquitectura AVR32 serie C que está diseñado para aplicaciones automotrices y control industrial, ya que incluye periféricos para comunicaciones de alta velocidad y control de motores [2].
Fig. 5 Operación del dispositivo UGS3060KA, tomado de [4] Fig. 3 Microcontrolado Mic rocontroladorr AT32UC3CxxxC, tomado de [3]
B. Módulo de Instrumentos
El módulo de Instrumentos al igual que en un vehículo comercial, está encargado de mostrar al usuario los parámetros de velocidad, revoluciones revoluciones del motor, carga de
Medidor de precisión de movimiento rotativo desarrollado y patentado para indicadores analógicos automotrices y de marina [5]. 2) Micro-Air Core (MAC):
Este dispositivo está compuesto por dos devanados con una orientación de 90° uno respecto del otro y un rotor
de imán permanente con un eje de acero inoxidable tal como se muestra en la Figura 6 [6].
y LIN que lo hacen muy útil para aplicaciones de la industria automotriz [9]. 2)
Sensor de corriente ACS758ECB-200B: Sensor
lineal basado en el efecto Hall que usa un conductor integrado de una resistencia de 100Ω [4].
Fig. 6 Estructura de un MAC, tomado de [6]
El Diodo Emisor de Luz Orgánico conocido también como OLED (Organic Light Emitting Diode) por sus siglas en inglés, se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan ante una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos [7]. 3)
OLED:
Fig. 9 Estructura interna del sensor ACS758, tomado de [4]
D. Módulo Indicador de Hora Este módulo funciona únicamente como un indicador fijo donde se muestra la hora en todo momento, su funcionamiento depende del módulo principal puesto que es allí donde se encuentra el reloj DS1307.
Microcontrolador
LATCH
DRIVER
1 2:00 00 Display VFD
TRANSCEIVER CAN
Fig.10 Diagrama de bloques del módulo módulo indicador de hora. Fig. 7 Módulo OLED NHD‐2.8‐25664UCB2, tomado de [8]
III.
C. Módulo de Adquisición El módulo de adquisición está encargado de realizar la medición de parámetros de los distintos sistemas que conforman el vehículo y luego transmitirlos al módulo principal a través del bus CAN. CAN.
DESARROLLO DE LOS PROGRAMAS DE CONTROL
Los programas de control fueron desarrollados utilizando el paquete informático gratuito Atmel Studio 6 perteneciente a la empresa ATMEL que sirve para el desarrollo y depurado de software para los microcontroladores de arquitecturas AVR y ARM propios de la empresa [10].
AMUX 8/1
CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO
CIRCUITOS LIMITADORES
Microcontrolador
AMUX 8/1
TRANSCEIVER CAN
PARÁMETROS
Bus CAN
Fig.8 Diagrama de bloques del módulo módulo de instrumentos.
1) ATmega16M1: Microcontrolador CMOS de 8 bits
de bajo consumo de energía basado en la arquitectura AVR RISC mejorada, posee periféricos de comunicación CAN
Fig.11 Estructura de los módulos módulos en ASF, tomado de [11].
Como complemento para los desarrolladores, este paquete informático posee posee una colección muy muy completa de librerías y más de 1600 ejemplos bajo el nombre de Atmel Software Framework (ASF) que facilitan al diseñador la creación de nuevas aplicaciones. A.
Programa del Módulo Principal
Como cerebro de éste módulo se tiene un microcontrolador AT32UC3C2512C, encargado de manejar una pantalla GLCD con panel táctil resistivo en la cual se ha implementado una HMI para la visualización y monitoreo de los parámetros según las tramas que recibe mediante el Bus CAN, además del control de un Bus I2C con memoria EEPROM, reloj en tiempo real y controlador co ntrolador QTOUCH, el módulo también brinda la posibilidad de almacenar los parámetros en una tarjeta de memoria SD controlada mediante comunicación SPI y el sistema de archivos FAT. B.
Fig.12 Tablero del vehículo eléctrico EVEO.
A. Mediciones de voltajes
En la HMI se puede observar el voltaje individual de cada batería perteneciente al banco de baterías y el voltaje total del mismo y se compara con la medida obtenida mediante un multímetro digital.
Programa del Módulo de Instrumentos
Este módulo incluye un microcontrolador AT32UC3C264C para el control de los indicadores analógicos Micro-Air Core mediante el controlador CS4122 con comunicación SPI, la pantalla OLED mediante una interfaz paralela, la determinación de la velocidad mediante el sensor A3060 utilizando contadores/temporizadores, el control de iluminación del tablero mediante LEDs RGB controlados con técnica PWM y la interacción con los otros módulos mediante el Bus CAN.
Fig.13 Medición del voltaje voltaje del banco de baterías.
B. Mediciones de corrientes
En la Figura 14 se observa en rojo la forma de onda de la corriente con los datos grabados en la memoria SD cada segundo, mientras que en la Figura 15 se observa la misma forma de onda capturada con un osciloscopio digital. Puede notarse que ambas son similares. El valor instantáneo de dicha corriente se puede observar en la HMI.
C. Programa del Módulo de Adquisición
Se tiene un microcontrolador ATmega16M1 encargado de digitalizar los parámetros mediante su conversor A/D e introducirlos al Bus CAN. Se hace uso de dos multiplexores analógicos DG408 para expandir el número de canales A/D y utilizar una sola tarjeta para la adquisición.
Fig.14 Medición de corriente del banco de baterías mediante mediante el sistema de visualización construido.
D. Programa del Módulo Indicador de Hora
Lee mediante el Bus CAN los datos correspondientes a la hora provenientes del módulo módulo principal y la muestra en un display de siete segmentos, de igual manera utiliza un microcontrolador Atmega16M1 para el manejo de sus periféricos. IV.
PRUEBAS Y RESULTADOS
En la Figura 12 puede observar el sistema instalado en el vehículo donde claramente puede notarse la mejora de la estética del tablero respecto al original.
Fig.15 Medición de corriente del banco de baterías mediante mediante osciloscopio digital.
C. Mediciones de temperaturas
Para este fin se utilizó sensores te temperatura LM35DZ que con la ayuda a yuda de filtros digitales se obtiene la temperatura del banco de baterías y del motor, en la Figura 16 puede observar los resultados para el motor.
Fig.19 Sistema para medición medición de velocidad del EVEO.
V.
CONCLUSIONES
Fig.16 Medición de la temperatura temperatura del motor.
D. Señales de alarma
Existen 6 señales de alarma:
Voltaje del banco de baterías bajo Voltaje de la batería de control bajo Sobretemperatura en las baterías Sobretemperatura en el motor Problema en los fusibles Problema en la batería del reloj en tiempo real
En la Figura 17 se muestra una señal de alarma en los fusibles detecta por el sistema, tanto en la pantalla GLCD como en la pantalla OLED.
Fig.17 Señales de alarma por un problema en los fusibles. fusibles.
E. Medición de velocidad
Para la medición de la velocidad fue necesario la construcción de un sistema mecánico que trabaje en conjunto con el sensor de efecto hall A3060.
(4) SEGURO (6) SENSOR
La utilización de microcontroladores, sensores y demás dispositivos diseñados para aplicaciones automotrices resulta de vital importancia para este proyecto, ya que brindan valiosas ventajas en el funcionamiento de todo el sistema. En este proyecto se ha confirmado que la utilización del protocolo CAN dentro del ámbito automotriz es muy adecuado, por la fiabilidad en la transmisión de los datos y el ahorro considerable de cableado. El desarrollo del proyecto utilizando microcontroladores de arquitectura AVR32 resulta factible gracias a la ayuda prestada en las librerías de Atmel Software Framework. El uso de comunicaciones con topología física tipo Bus, permite que se puedan añadir otros dispositivos a la red sin interferir en los ya conectados, lo que significa que se puede expandir el sistema y realizar el monitoreo de las comunicaciones mediante módulos externos. Las pantallas gráficas de tecnología OLED presentan un consumo de energía relativamente bajo, ya que q ue para mostrar un pixel no es necesario la utilización de una fuente de retroiluminación como en el caso de la tecnología LCD. La arquitectura AVR32 presenta grandes ventajas en aplicaciones que requieran una alta velocidad de procesamiento, ya que q ue su núcleo puede ser acelerado mediante hardware. REFERENCIAS
(1) ACOPLE (2) ENGRANAJE (3) RODAMIENTO (5) ANILLO (7) EJE DE LA RUEDA
Fig.18 Estructura del sistema para la ubicación del sensor sensor de velocidad.
En la Figura 19 se muestra al sistema final construido montado en el eje de transmisión del vehículo eléctrico.
[1] LOPEZ, José, “Nodo de Comunicación Basado en el Bus CAN”, España, 2004. [2] Atmel. (2013). 32-bit AVR UC3. [Online]. Disponible: http://www.atmel.com/products/microcontrollers/avr/32BitAVRuc3.aspx. [3] RADIOLOCMAN. (2013). Atmel Introduces First 32-bit AVR Microcontroller Featuring Floating Point Unit. [Online]. Disponible: http://www.radiolocman.com/news/new http://www.radiolocman.com/news/new.html?di=69978 .html?di=69978
[4] ALLEGRO MicroSystems. (2013). Thermally Enhanced, Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 100 μΩ Current Conductor. [Online]. Disponible: http://www.allegromicro.com/ [5] SIMCO. Micro Air-Core (MAC) Movement. Movement. [Online]. Disponible: Disponible: http://www.simcoaftermarket.com/assets/p http://www.simcoaftermarket.com/assets/pdf/simco_2022-7X df/simco_2022-7XXXG.pdf [6] Powell John M. (2013). The Air-Core Approach. [Online]. Disponible: http://www.mikesflightdeck.com/instr http://www.mikesflightdeck.com/instruments/diy_airco uments/diy_aircore_instrum re_instrum ents.html [7] Wikipedia Enciclopedia Libre. (2013). OLED. [Online]. Disponible: http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_o http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_org%C3%A1nico rg%C3%A1nico_de_emisi% _de_emisi% C3%B3n_de_luz [8] NEW HAVEN DISPLAY INTERNATIONAL. (2010). NHD‐ 320240WG ‐BoSFH‐VZ# Graphic Liquid Crystal Display Module. [Online]. Disponible: http://www.newhavendisplay.com/n http://www.newhavendisplay.com/nhd2825664 hd2825664ucb2-p-3539.html ucb2-p-3539.html [9] ATMEL. (2013). AVR-based CAN MCUs. [Online]. Disponible: http://www.atmel.com/products/auto http://www.atmel.com/products/automotive/canvan/avrmotive/canvan/avr based_can_mcus.aspx based_can_mcus.aspx [10] ATMEL. (2013). Atmel Studio. [Online]. Disponible: http://www.atmel.com/tools/atmelstudio.aspx [11] ATMEL Corporation. (2012). Atmel Software Framework – User User Guide. [Online]. Disponible: http://www.atmel.com/Images/Atmelhttp://www.atmel.com/Images/Atmel8431-8-and32-bit-Microcontrollers-AVR4 8431-8-and32-bit-Microcontrollers-AVR4029-Atmel-Software029-Atmel-SoftwareFramework-User-Guide_Application-Note.pdf [12] Powell John M. (2013). The Air-Core Approach. [Online]. Disponible: http://www.mikesflightdeck.com/ins http://www.mikesflightdeck.com/instruments/diy truments/diy_aircore_instrum _aircore_instrum ents.html [13] SENA. (2009). Arquitectura de la Pantalla LCD. [Online]. Disponible: http://es.scribd.com/doc/35859895/112-Arquitectura pantalla-LCD#download pantalla-LCD#download [14] HowstuffWorks. (2005). How OLEDs Work. [ Online]. Disponible: http://www.howstuffworks.com/oled1.htm [15] MOLERO, Bastante María, “Bus CAN Diseño de Sistemas Críticos”, Abril 2005. [16] CHAMÚ, Carlos, “Desarrollo de un Sistema Educativo para la Enseñanza del Protocolo de Comunicaciones CAN”, México, 2005. [17] ZITZMANN, Reiner, “Seminario sobre uso del Bus CAN y el pr otocolo otocolo CANopen”, España, 2010.
BIOGRAFÍA El Ingeniero Oswaldo Naranjo Estrada, nació en Quito-Ecuador el 31 de diciembre de 1988, sus estudios secundarios los realizó en el Instituto Tecnológico Superior “Central Técnico”, donde obtuvo el título de Bachiller Técnico Industrial en la especialidad de Electrónica y fue designado Abanderado del Pabellón Nacional en el año 2006, en 2007 obtuvo la mención de Mejor Egresado de su promoción. Sus estudios superiores los realizó en la Escuela Politécnica Nacional donde obtuvo el título de Ingeniero en Electrónica y Control en 2013. Tiene una suficiencia en el idioma inglés obtenida en el Centro de Educación Continua de la Escuela Politécnica Nacional.
Sus áreas de interés son la Automatización y Control Industrial, Sistemas Microprocesados, Robótica y Electrónica de Potencia. (
[email protected])
El ingeniero Diego Haro Sandoval, nació en Ambato el 13 de Enero de 1989. Realizó sus estudios secundarios en el Colegio Técnico “Atahualpa” en “Atahualpa” en la ciudad de Ambato, para el año 2006 se se graduó de Bachiller Técnico Industrial en la especialidad de Electrónica, y fue designado abanderado del Pabellón Nacional y mejor egresado. Sus estudios superiores los realizó en la Escuela Politécnica Nacional donde obtuvo el título de Ingeniero en Electrónica y Control. Tiene una suficiencia en inglés obtenida en el Centro de Educación Continua de la Escuela Politécnica Nacional. Sus áreas de interés son los Sistemas Embebidos, Sistemas de Control, Robótica. (
[email protected])
Nelson Sotomayor, nació en Quito-
Ecuador el 9 de Septiembre de 1971. Realizó sus estudios secundarios en el Instituto Nacional Mejía. Se graduó en la Escuela Politécnica Nacional como Ingeniero en Electrónica y Control en 1999. Obtuvo su título de Magíster en Ingeniería industrial en junio del 2006 en la Escuela Politécnica Nacional. En septiembre del 2008 como becario del Gobierno de México y la Agencia de Cooperación Internacional Internacional del Japón (JICA), (JICA), participó en el IV Curso Internacional de Robótica Aplicada, en el Centro Nacional de Actualización Docente CNAD ubicado en México DF. Actualmente desempeña el cargo de Profesor Principal T/C en el Departamento de Automatización y Control Industrial de la Escuela Politécnica Nacional. Áreas de interés: robótica móvil, informática y redes, microcontroladores, automatización y control industrial. (
[email protected])
