К вопросу о вертолетиках или как я провел выходные

в 7:19, , рубрики: микроконтроллеры, Производство и разработка электроники, производство электроники, разработка электроники

Если Вы купили что то, и на этом нет надписи «Сделано в Китае», значит, Вы купили подделку.

Мои читатели будут несколько удивлены, но я решил похвалить не свою разработку, но куда деваться…
Купил я недавно в «Смешных ценах» (ну это в девичестве, теперь они серьезная организация и называются «Fixed Prices») забавную игрушку «Летающий шар со светом», многочисленные ссылки в Инете Вы найдете самостоятельно.
К вопросу о вертолетиках или как я провел выходные - 1

Поиграл с ней минут двадцать и одолело меня желание узнать, что у девайса внутри, исходящее из двух источников:
1) я инженер и мне интересно, как такая игрушка устроена (вернее, я уже догадываюсь, как она устроена и хотел бы проверить свои догадки);
2) я в прошлом предприниматель и мне интересно, как китайцам (я не написал, что игрушка изготовлена в КНР, но это вроде как совершенно очевидно) удается делать такие вещи за совсем небольшие деньги (я не сказал, сколько такая игрушка стоит — я ее купил за 199 рублей, менее трех долларов, Карл).

Поскольку я один, а источников желания два, долго противиться я не смог и полез за отверткой.
ВНИМАНИЕ
: поскольку в игрушке имеется (скорее всего, литиевый) аккумулятор, не снабженный платой защиты (я ее не заметил), любые манипуляции, могущие привести к короткому замыканию либо перезаряду оного, читатель проводит на свой страх и риск. Аккумулятор, конечно, маленький и к катастрофе мы прийти не должны, но кто знает. В любом случае защитные очки весьма настоятельно рекомендуются.

Поверхностный взгляд.

Разбираем корпус и в руках у нас оказываются внутренности «чуда техники» и мы можем наблюдать аккумулятор, двигатель с приводом на пластмассовых шестеренках, ось (две штуки) с пропеллерами и механизмом стабилизации плоскости вращения (ну это я так думаю, что фиговина над пропеллерами именно этим и занимается) и, самое главное, плату управления всем этим богатством. На плате наблюдаем микросхему с 8 ножками (я угадал, есть МК, но как то ножек маловато, а кто светодиодами управляет), микросхему с 5 ножками (хм) и микросхему с 3 ножками (я угадал, это транзистор включения двигателя). Кроме того, имеем дискреты в виде выключателя питания, ИК излучателя, ИК приемника, разъема зарядки, 6 больших и 1 маленького светодиода, а также рассыпухи — кондеры и резисторы.

Аккумулятор.

Измеряю напряжение на аккумуляторе, благо проводки доступны и наблюдаю 3.74В (наверное литий), подключаю зарядный кабель и напряжение повышается до 4.18В (точно литий).

Вроде все понятно, тогда микросхема с 5 ногами — просто контроллер зарядного устройства (что то вроде 4054) и маленький светодиод сигнализирует о процессе зарядки. Тогда к ноге 5 должен быть подключен резистор задания тока зарядки, измеряю его номинал — 2к3, что соответствует току в 400 мА, полная зарядка (до погасания светодиода) проводится за 15 минут. Рассчитываем емкость аккумулятора, получаем 0.4А*15мин/(60мин/ч)=100мАч.

Проверим полученную емкость методом разряда, для чего измерим разрядный ток. Поскольку паять не хочется, включаю амперметр вместо выключателя, шунтируя его контакты. Светодиоды (все шесть) загорелись, пошел ток 52 мА, через 2 секунд заработал двигатель винтокрылой машина и ток… упал и стал 44 мА. Фигня какая то, а не измерение, не может подключение двигателя уменьшать ток при том, что все светодиоды продолжают работать.

Так не бывает, но ведь есть.

Измеряю напряжение на аккумуляторе и вижу, что при работающем двигателе оно падает с 4.1 В до 3.8 В. Ага, у аккумулятора просто большое выходное сопротивление, что объясняет снижение тока через выключатель, а ток двигателя (судя по падению, значительный) идет в обход амперметра. И точно, плюсовый провод двигателя прибит к плюсу аккумулятора, а в минусовом стоит 3х ногая микросхема — полевой транзистор. Данное решение позволяет исключить протекание значительного тока двигателя через слабые контакты выключателя, но приводит к определенным неудобствам, о чем далее. Не включая игрушки, подсоединяю амперметр между стоком и истоком, двигатель закрутился, пусковой ток 1.4 А, устоявшийся режим — 1.1 А. Тогда емкость аккумулятора 1.1А*6минут/(60минут/час)=110мАч — сходится с ранее рассчитанной.

Параметры мотора определяем косвенно — 2.8В*1.1А=3Вт (желающие могут перевести в лошадиные силы) — совсем неплохо для подобной крохотульки, почему таких не было, когда я в детстве ходил в авиамодельный кружок. При работе двигатель ощутимо греется, но градусов не более, чем до 35-40. Интересно было бы определить тип двигателя, я ничего придумать не могу, кроме коллекторного, но это оставим на потом, разборка движка, скорее всего, будет необратимой процедурой.

Наружу корпуса из платы смотрят девайс с 3 ногами и фиговина с 2. Поскольку фиговина окружена трубкой, формирующей диаграмму направленности, это датчик ИК диапазона. Тогда девайс с 3 ногами — светодиод подсветки, тоже ИК диапазона. Проследим дорожки и обнаруживаем, что девайс прибит к земле и ножке МК, а фиговина — к земле и питанию, значит, мы ошиблись. Странно как то, именно при поднесении пальца к трубке повышаются обороты двигателя, но, наверное, это боковая засветка.

Самое интересное.

Остался один загадочный элемент — микросхема с 8 ногами, то есть с функциональной точки зрения вопросов нет — это управление двигателем, но на чем именно оно реализовано, пока неясно. Какие функции он должен реализовывать:
1) начальная задержка ~2 секунды после подачи питания;
2) изменение скорости вращения путем управления транзистором — ШИМ модуляция с изменяемой скважностью;
3) прием сигнала от датчика наличия препятствий;
4) контроль напряжения аккумулятора с целью исключения пере-разряда;
5) (last, but not least) отключение двигателя при попадании лопастей в препятствие.

Кстати, какие китайцы молодцы с точки зрения безопасности — защита двигателя есть, защита рук есть — лопасти из мягкого пластика, защита конструкции есть — крепление лопастей с отстегиванием при механической перегрузке. Все, что можно было придумать для удобства использования, придумано, остается только завидовать предусмотрительности разработчиков (ну или богатому опыту травм и разрушений, тогда завидовать не стоит).

Вроде есть еще одна функция, но это не четко:
6) адаптивная коррекция системы управления, поскольку сразу после пуска вертолетик совершает значительные колебания по высоте, но со временем их амплитуда уменьшается и он начинает держать почти стабильное расстояние до уровня земли. Если его опять выключить и включить, то процесс повторяется, так что это не следствие разрядки аккумулятора.

Вернемся к управляющему элементу и прикинем возможные реализации.
1) Каждую функцию, в принципе, можно реализовать на таймере типа 555, но все сразу на одном корпусе — я точно не смогу, так что вряд ли.
2) На микросхеме вроде счетверенного ОУ 324 можно, наверное, реализовать все функции сразу, но тут явно другой корпус.
3) Заказная или полу-заказная аналоговая микросхема в устройстве за 3 доллара — это не смешно.
4) А вот МК вполне справится со всеми перечисленными задачами, это основная версия, предыдущие были призваны скорее продемонстрировать мой широкий технический кругозор.

Какие ресурсы потребуются от МК для реализации перечисленных функций:
1) таймер (желательно с режимом ШИМ) для управления мотором;
2) компаратор (лучше АЦП, но можно и без него) для контроля перегрузки двигателя;
3) компаратор (опять таки можно АЦП) для контроля ИК датчика;
4) компаратор (можно использовать BOD) для контроля питания;
5) 4 либо 3 свободные ноги для подключения перечисленного;
6) оперативная память — 8 регистров будет достаточно, если взять еще ячеек 16, то больше и не придумать зачем;
7) память программ — 1КБ флэш должно хватить на все и с запасом.

Наверное, в наше время труднее найти МК, не имеющий перечисленных ресурсов, чем удовлетворяющий заявленным требованиям. Исходя из корпуса, это может быть STM8, PIC, Tiny, MSP430 и так далее. Но я ставлю на относительно новые МК тайваньской фирмы Padauk, которые имеет все необходимые ресурсы, но отличаются от перечисленных конкурентов невероятной ценой — 3 цента в партии 300 штук. Для наших широт эти МК представляются экзотикой, но для производителей из страны, расположенной южнее — почему бы и нет.

Маркировка на корпусе прибора старательно удалена, но у нас есть косвенные свидетельства. Дело в том, что МК указанной фирмы имеют специфическое расположение питания — 1 и 8 нога (как было на 555, что намекает ...) в противовес классическому 4 и 8, так что нам надо только прозвонить цепи питания. Ну и потом убедиться, что все необходимые сигналы тоже заведены на выводы, которые можно идентифицировать, как порты общего назначения. Насчет интервального таймера я погорячился, у него цоколевка питания обратна МК, так что прямая замена невозможна, хотя я не понимаю, а почему именно так.

Небольшие придирки и нападки.

Пнп: в процессе дальнейшего изучения схемы проявился неожиданный (и даже несколько пугающий) эффект — при поиске (при помощи прозвонки авометром) ноги МК, связанной с затвором транзистора управления двигателем, последний неожиданно запустился — я бы порекомендовал своим китайским коллегам уменьшить номинал запирающего резистора между затвором и землей (сейчас 27к) для исключения подобных ситуаций (если это не есть часть защиты от реверс-инжиниринга).
Ну и еще одно замечание — даже если МК принимает решение об остановке двигателя, и переходит в режим ожидания выключения, то светодиоды продолжают светиться и будут разряжать аккумулятор. Конечно, ток совсем не тот, как при работе, но не незначительный (десятки миллиампер) и вполне способен пере-разрядить аккумулятор. Мне удалось высадить аккумулятор до 2.78 и напряжение продолжало падать со скоростью сотка в 2 секунды.
Я бы добавил еще один транзистор включения земли светодиодов либо посадил их прямо на ножки МК, тем более что три свободных осталось.

А вот и результаты прозвонки (в скобках функция ноги у МК типа PMS15A):
1) Датчик ИК излучения подключен к ноге 4 ();
2) Затвор транзистора подключен к ноге 6 ();
3) Исток транзистора через резистор подключен к ноге 5 ().
4) Земля и питание подключены к ногам 8 и 5 соответственно.
Никаких противоречий мы не обнаружили, так что вполне можно считать МК отождествленным с PS15 фирмы Padauk, у него имеется 64 байта оперативки, 0.5 кБ однократной памяти программ, 8 разрядный таймер с ШИМ, компаратор и BOD (здесь он называется LVR) на 2.7В (поскольку выключение двигателя при разрядке происходит, когда синий светодиод погасает, очень похоже). Да, это может быть и PMS150C, но в нем слишком много памяти программ, целый килобайт для такой простой задачи.

Собственно, на этом инженерная сторона любопытства удовлетворена, можно нарисовать схему устройства, но лениво, да и незачем — производить их я все равно не собираюсь, а почему именно — станет ясным после удовлетворения претензий предпринимательской части. Давайте прикинем, во что нам обойдется эквивалентная начинка, имеется в виду только электронная часть, без конструктива.

А не посчитать ли нам, состоятельные кроты?

Аккумулятор — на Али (искать на отечественных ресурсах смысла просто не вижу) есть что то похожее на наш случай, емкость несколько повыше (250 мАч) и снабжен платой защиты — стоимостью 35+ рублей (здесь и далее цены я буду давать в твердой валюте энергетической сверх-державы, а не в не имеющих ценности непонятных зеленых бумажках страны, которая с минуты на минуту потерпит окончательный крах).

Двигатель (ой, я совсем забыл его разобрать, но кроме коллекторного двигателя никто адекватно не отреагирует на изменение напряжения путем ШИМ модуляции, хотя я видел разные мнения на этот счет) — на Али (смотри примечание выше) обнаружен за 20+ рублей.

Плата управления:
1) 4054 я решил посмотреть в Платане и был несколько удивлен, когда его цена оказалась никак не выше цен на ChipFind. Я как то привык, что цену Платана надо делить на 2 и рад, что ошибся. Хотя ценовая политика данного поставщика меня несколько озадачивает: мы можем заказать прибор по цене 22 от 20 штук, можем купить из наличия по 39 от 10 штук, либо купить из наличия по 40 от 86 штук либо ждать 2 недели закупки по 130 от 1. Конечно, у меня нет кампании такого масштаба, как Платан, но нормальным подобное предложение я назвать не могу. Ну и на Али он стоит 200 рублей за 50 штук. Итоговая стоимость 22 (Платан)/2.5(Али).
2) МК — наверное самый недорогой компонент — 2 рубля, до сих пор не могу поверить в эту цифру. Хотя стоимость владения окажется несколько выше — надо добавить расходы на пайку, тогда он окажется все-таки дороже транзистора.
3) ИК излучатель (TSAL6100) — 6/6.
4) ИК приемник (входит в набор за 6 рублей) — /3.
5) транзистор 20В,2А (n327) 5/4.
6) 6 ярких светодиодов 3 цветов (HL3010) 2/0.2*6 = 12/1.2.
7) резисторы и конденсаторы типоразмера 0603 всего 16 штук 0.3/0.2 *16 = 4.8/3.2.
8) выключатель (3/0.4) / разъем питания (8/8) / и кабель питания /8.
9) плата печатная площадью (ДПП+М+2Ш) 0.4дм*0.2дм=0.08 * 170(Резонит)/ = 13/.
10) монтаж платы 5+8+3+2+3+6*2+25*2+3+3=88 точек пайки *0.5 = 44.

Итого получаем 189/153 рублей (конечно, подсчет нельзя назвать абсолютно точным, но погрешность я оцениваю процентов в 30) и вывод неутешительный — только электроника отнимет у нас почти всю продажную цену, а осталась вся конструкция, логистика, прибыль производителя, прибыль продавца и налоги, так что шансы сделать такой вертолет за такую цену у нас отличаются от нуля на пренебрежимо малую величину.

Ну и последнее замечание: именно этот шар продается на Али за 206 рублей с пультом ДУ и с пересылкой за 250 рублей, аналогичный продукт (чуть с другим корпусом, в виде вертолета либо чертика, а не шара) продается там же 350+ рублей, что как то странно. В общем, мне, наверное, просто повезло с покупкой, что косвенно подтверждается поведением моей супруги, которая на следующий день купила еще три экземпляра данной игрушки — по одной каждому внуку и внучке, а она не склонна покупать всякую фигню по завышенным ценам.

Общий вывод из выше написанного будет несколько неожиданным:
Боже, благослови Китай (ну и Америку заодно).

P.S. Прилагаю фотографию, по которой я (безуспешно) пытался восстановить схему, может, пригодится
К вопросу о вертолетиках или как я провел выходные - 2

Автор: Автушенко Игорь

Источник

* - обязательные к заполнению поля