Dienstag, 1. August 2017

Joule-Thief XXL V2.0

Ich habe nun schon einige Batterien leer gesaugt, jedoch immer wieder das Problem, dass Manche einfach auslaufen oder gar ihre ätzende Flüssigkeit versprühen. Woran liegt das?
Die Antwort ist einfach: da die Zellen in Reihe verdrahtet sind, fließt der Strom durch alle Zellen. Wenn deren Ladung unterschiedlich ist, ist deren Spannung unter Last natürlich auch unterschiedlich. Ist eine Zelle nun leer, so fließt ja weiterhin Strom durch diese Zelle und sie wird negativ aufgeladen. Das quitieren die Batterien mit Auslaufen, je nach Stromstärke mit mehr oder weniger Getöse. Was her muss, ist eine einfache Möglichkeit die Spannung jeder einzelnen Batterie zu überwachen und bevor sie Schaden anrichten kann, muss eine Meldung kommen.

Der Joule-Thief XXL V2.0 ist geboren!
Ich habe einen meiner Arduinos mit einem LCD-Display versehen und die Spannung jeder einzelnen Zelle über ein Widerstandsnetzwerk gemessen und angezeigt. Fällt nun die Spannung einer Zelle unter +0.01V, so wird ein Piepston ausgegeben, der die Position der Zelle im Verbund angibt. So ist sichergestellt, dass auch dann, wenn die Gesamtspannung zu niedrig ist um eine vernünftige Anzeige zu erzeugen, die leere Zelle gemeldet wird.


Zur Verdeutlichung habe ich die Schaltung  mal im Eagle gemalt:

Die Spannungen werden über die Potis abgegriffen und dann so eingestellt, dass die Eingangsspannung des Arduino auf dessen Analog-Pins nicht überschritten wird. Das bedeutet dann, dass die Spannung an A0 bei 0-1.5V, an A1 zwischen 0-3.0V, an A2 zwischen 0-4.5V usw. liegt. Die Messgenauigkeit wird bei jeder weiteren Zelle schlechter, aber für meine Anforderungen reicht das vollkommen.



Und so sieht das Programm aus:
// ---------------------------------------------------------
// Batteriemessgerät
// es wird die Spannung von 6 Batterien gemessen und gleichzeitig
// auf einem LCD-Display dargestellt.
// ---------------------------------------------------------

#include

#define DEBUG
#include "log.h"

struct _Batterie
{
    float spannung;  // die gemessene Spannung
    bool ausgetastet;  // wird die Spannung gerade angezeigt, oder ausgetastet
    float abschaltspannung;  // darunter ist die Batterie leer
};

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // initialize the library with the numbers of the interface pins
int AnalogBatPin1 = A0;
int AnalogBatPin2 = A1;
int AnalogBatPin3 = A2;
int AnalogBatPin4 = A3;
int AnalogBatPin5 = A4;
int AnalogBatPin6 = A5;
int TasterPin = 10;
int SummerPin = 9;
int LEDPin =13;
bool Pieps; // währenddessen wird gepiepst
int Slot; // zählt immer durch
struct _Batterie Batterien[6];
bool SekundenBlinkbit; // toggle jede Sekunde
bool HalbsekundenBlinkbit; // toggle jede halbe Sekunde
bool ViertelsekundenBlinkbit; // toggle jede viertel Sekunde

#define NEIN 0  // Taste nicht gedrückt
#define KURZ 1  // Taste kurz gedrückt
#define LANG 2  // Taste lang gedrückt

// -------------------------------
void setup()
{
    SERIAL_BEGIN;
    lcd.begin(16, 2);    // set up the LCD's number of columns and rows:
    analogReference(INTERNAL);
    pinMode(TasterPin, INPUT);
    pinMode(SummerPin, OUTPUT);
    pinMode(LEDPin, OUTPUT);
    InitVariablen();
}

// -------------------------------
void InitVariablen(void)
{
    int i;

    for(i=0; i<6 br="" i="">        Batterien[i].abschaltspannung = 0.1F;
}

// -------------------------------
void MesseBatterien(void)
{
    int aval;
    float offset[6] = { 0.0F, 0.0F, 0.0F, 0.0F, 0.0F, 0.0F };
    float zaehl[6] = { 1.24F, 1.24F, 1.24F, 1.24F, 1.24F, 1.24F };
    float nenner[6] = { 0.83F, 0.83F, 0.83F, 0.83F, 0.83F, 0.83F };

    aval = analogRead(AnalogBatPin1);
    Batterien[0].spannung = (float)aval *zaehl[0] / nenner[0] / 1000.0F + offset[0];
    aval = analogRead(AnalogBatPin2);
    Batterien[1].spannung =
        (float)aval *2.0F * zaehl[1] / nenner[1] / 1000.0F + offset[1];
    Batterien[1].spannung -= Batterien[0].spannung;
    aval = analogRead(AnalogBatPin3);
    Batterien[2].spannung =
        (float)aval *3.0F * zaehl[2] / nenner[2] / 1000.0F + offset[2];
    Batterien[2].spannung -= Batterien[0].spannung;
    Batterien[2].spannung -= Batterien[1].spannung;
    aval = analogRead(AnalogBatPin4);
    Batterien[3].spannung =
        (float)aval *4.0F * zaehl[3] / nenner[3] / 1000.0F + offset[3];
    Batterien[3].spannung -= Batterien[0].spannung;
    Batterien[3].spannung -= Batterien[1].spannung;
    Batterien[3].spannung -= Batterien[2].spannung;
    aval = analogRead(AnalogBatPin5);
    Batterien[4].spannung =
        (float)aval *5.0F * zaehl[4] / nenner[4] / 1000.0F + offset[4];
    Batterien[4].spannung -= Batterien[0].spannung;
    Batterien[4].spannung -= Batterien[1].spannung;
    Batterien[4].spannung -= Batterien[2].spannung;
    Batterien[4].spannung -= Batterien[3].spannung;
    aval = analogRead(AnalogBatPin6);
    Batterien[5].spannung =
        (float)aval *6.0F * zaehl[5] / nenner[5] / 1000.0F + offset[5];
    Batterien[5].spannung -= Batterien[0].spannung;
    Batterien[5].spannung -= Batterien[1].spannung;
    Batterien[5].spannung -= Batterien[2].spannung;
    Batterien[5].spannung -= Batterien[3].spannung;
    Batterien[5].spannung -= Batterien[4].spannung;
}

// -------------------------------
void AusgabeLCD(void)
{
    char buffer1[40], buffer2[40];
    char t1[10], t2[10], t3[10], t4[10], t5[10], t6[10];

    if(Batterien[0].ausgetastet)
        strcpy(t1, "    ");
    else
        dtostrf(Batterien[0].spannung, 4, 2, t1);
    if(Batterien[1].ausgetastet)
        strcpy(t2, "    ");
    else
        dtostrf(Batterien[1].spannung, 4, 2, t2);
    if(Batterien[2].ausgetastet)
        strcpy(t3, "    ");
    else
        dtostrf(Batterien[2].spannung, 4, 2, t3);
    sprintf(buffer1, "%s %s %s  ", t1, t2, t3);

    if(Batterien[3].ausgetastet)
        strcpy(t4, "    ");
    else
        dtostrf(Batterien[3].spannung, 4, 2, t4);
    if(Batterien[4].ausgetastet)
        strcpy(t5, "    ");
    else
        dtostrf(Batterien[4].spannung, 4, 2, t5);
    if(Batterien[5].ausgetastet)
        strcpy(t6, "    ");
    else
    dtostrf(Batterien[5].spannung, 4, 2, t6);
    sprintf(buffer2, "%s %s %s  ", t4, t5, t6);

    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print(buffer1);
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print(buffer2);
}

// -------------------------------
int LeseTaster(void)
{
    int tasterGedrueckt; // und hier ist die Taste
    static long int anfang; // hier merken wir uns, seit wann der Taster gedrückt ist
    long int jetzt=millis(); // Millisekunden
    long int drueckdauer; // so lange ist der Taster bereits gedrückt
    bool gedrueckt;
    static bool letztes_gedrueckt=0;

    gedrueckt = digitalRead(TasterPin);
    digitalWrite(LEDPin, gedrueckt); // visuelle Rückmeldung

    if (gedrueckt)
    {
        drueckdauer = jetzt-anfang;
        if (drueckdauer > 1000)
            tasterGedrueckt = LANG;
        else
        {
            if (drueckdauer > 500)
                tasterGedrueckt = KURZ;
            else
                tasterGedrueckt = NEIN;
        }
        if (letztes_gedrueckt == 0)
            anfang = jetzt;
    }
    else
        anfang = jetzt; // damit die Tasten-Drück-Dauer kurz ist

    letztes_gedrueckt = gedrueckt;

//    SERIAL_PRINT(anfang);
//    SERIAL_PRINT(" ");
//    SERIAL_PRINT(jetzt);
//    SERIAL_PRINT(" ");
//    SERIAL_PRINTLN(tasterGedrueckt);

    return tasterGedrueckt;
}

// -------------------------------
void PruefeBatterien(void)
{
    int i;
    int leereBatterie = -1;

    for(i=0; i<6 br="" i="">    {
        if (Batterien[i].spannung < Batterien[i].abschaltspannung)
            leereBatterie = i+1;           
    }
    // SERIAL_PRINTLN(leereBatterie);
   
    if ((leereBatterie > Slot) && ViertelsekundenBlinkbit)
    {
        Pieps = true;
        //SERIAL_PRINT("Slot ");
        //SERIAL_PRINTLN(Slot);
    }
    else
        Pieps = false;
   
}

// -------------------------------
void loop()
{
    long int jetzt;
    int taste;
    static long int jedeSekunde=0; // für den Timer jeder Sekunde
    static long int jedeHalbeSekunde=0; // für den Timer jeder halben Sekunde
    static long int jedeViertelSekunde=0; // für den Timer jeder viertel Sekunde

    jetzt = millis();
    taste = LeseTaster();
    PruefeBatterien();

    if ((jetzt-jedeSekunde) > 1000)
    {   // was hier steht, wird zyklisch jede Sekunde ausgeführt
        MesseBatterien();

        SekundenBlinkbit = ~SekundenBlinkbit;
        jedeSekunde = jetzt;
    }

    if ((jetzt-jedeHalbeSekunde) > 500)
    {   // was hier steht, wird zyklisch jede halbe Sekunde ausgeführt
        AusgabeLCD();

        Slot++;
        if (Slot>5)
            Slot=0;

        SERIAL_PRINTLN(Slot);

        HalbsekundenBlinkbit = ~HalbsekundenBlinkbit;
        jedeHalbeSekunde = jetzt;
    }

    if ((jetzt-jedeViertelSekunde) > 250)
    {   // was hier steht, wird zyklisch jede viertel Sekunde ausgeführt
        if (Pieps)
            digitalWrite(SummerPin, HIGH);
        else
            digitalWrite(SummerPin, LOW);

        ViertelsekundenBlinkbit = ~ViertelsekundenBlinkbit;
        jedeViertelSekunde = jetzt;
    }
}

Nicht schön, aber der Code funktioniert. Wie man sieht, habe ich auch noch eine Taste mit eingebaut, damit die Maschine auch noch parametriert werden könnte. Platz für V2.1...

Zu guter Letzt habe ich noch Alles auf einer Lochrasterplatine zusammengelötet:




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