Всем привет. Данная статья не претендует, как обычно, ни на что. Она создана с целью, показать вариант достаточно простого и бюджетного решения. Для достижения результата необходимо уметь держать в руках паяльник и не боятся трудностей. На данном этапе, этот проект сложно назвать «легкоповторяемым». Я буду очень рад, если появятся другие энтузиасты для развития. Я человек достаточно ленивый, поэтому нормальную техническую документацию не сделал. Более того, она достаточно разрознена, но этого достаточно, чтобы всё заработало. Я не знаю будет ли часть два, но предусмотрим такую возможность.

Итак, после появления системы электронного впрыска топлива на моём Днепре возник вопрос об измерении реального состава смеси, особенно на мощностных режимах, то есть когда штатный узкополосный датчик кислорода (УДК) не работает. Вариантов оборудования два (по крайней мере, известные мне), это газоанализатор и широкополосный датчик кислорода (ШДК). Почему-то слово «газоанализатор» у меня ассоциируется с каким-то специфическим оборудованием, размером, как минимум, с гараж. Но на самом деле это не так. В любом случае ШДК и понятнее и доступнее. Доступнее, это смотря с какой стороны посмотреть. Готовые решения от ребят типа Innovate очень хороши, но и цена у них около 20000 руб. Не так давно начали появляться ещё граждане «самоделкины» с ШДК в пределах 10000 руб. Найти предложения можно тут. В моём случае, ШДК это скорее игрушка, я же не занимаюсь настройками моторов профессионально. Я программист.

Далее матчасть, можно пропустить
Итак как работает ШДК. Вообще статей много, но что-то по ним как-то тяжко разбираться. Я попробую объяснить своими словами, как я это понимаю. В комментариях прошу в пух и прах меня разнести, если я ошибаюсь. Для того чтобы понять как работает ШДК, разберемся вспомним как работает УДК. Есть такое интересное вещество, диоксид циркония Zr02. Интересно это вещество тем, что является твёрдым электролитом и умеет, внимание, гонять через себя ионы (или атомы?) кислорода. Возьмём пластинку диоксида циркония и нанесём на две противоположные стороны платиновые электроды (прям как в «Приключении Электроника» — «…руки не золотые, только электроды платиновые…»). Почему платина? Не могу точно ответить, но это не просто так. Не суть. Так вот если с одной стороны пластинки диоксида циркония кислорода больше, а с другой меньше, то (о чудо!), начинает идти ток в одном направлении. Если концентрации кислорода поменять на обратные, то ток пойдет в другом направлении. По научному эта приблуда с платиновыми электродами и диоксидом циркония называется ячейка Нернста. Если применимо к жизни, то с одной стороны ячейки Нернста выхлопные газы, с другой атмосферный воздух. Важный момент, эта ячейка работает только если разогрета до больших температур, поэтому внутри живёт подогреватель. Сначала включается подогреватель, потом прогретая ячейка начинает работу. Конструктивно ячейка Нернста выполнена так, что если состав смести (отношение воздух/топливо или по-модному AFR(air-fuel raito)) равен 14.7, то ток не идёт. Подадим на ячейку 450 мВ и при составе смеси 14,7 это напряжение так и останется висеть. Самое интересно начнётся, если смесь будет богаче, ниже 14.7, тогда в ячейке Нернста начнёт течь ток и напряжение скачком подскочит в 0,7-0,9В. Если смесь забеднить, будет не менее интересно, напряжение провалится до 0,2-0,1В. Вот такой замечательный датчик, но есть одно НО, кроме 14,7 этот датчик ничего не видит. А нам нужно знать точный состав смеси, какой-нибудь отличный от 14,7. Здесь мы воспользуется вторым замечательным свойством ячейки Нернста, оказывается ячейка, она же и насос! Этот насос умеет перекачивать ионы кислорода, если подать разность потенциалов (напряжение) к платиновым электродам. Я, если честно, прифигел, когда узнал про это. Ладно, отставить панику, продолжаем. Для ШДК мы возьмём две ячейки Нернста. Одна ячейка будет измерять, а другая перекачивать ионы кислорода. Процесс работы очень прост, но у меня в голове уложился он не сразу. Представим, что у нас смесь богатая, значит в выхлопе мало кислорода. Измерительная ячейка Нернста отмечает это, и повышает напряжение на своем выходе. Теперь, внимание, мы начинаем подавать напряжение на насосную ячейку, которая начинает закачивать ионы кислорода из атмосферы в выхлопные газы. Сразу сделаю оговорку. Измерительная ячейка и насосная ячейка находятся очень близко в одной измерительной щели. Количество выхлопных газов, которые анализируется, очень малы, поэтому насосная ячейка перекачивает очень малые объёмы (если их так можно назвать) кислорода. Так вот вернёмся к нашим ячейкам. Измерительная ячейка обнаружила обогащение и мы начинаем подавать напряжение на насосную ячейку. Кислород перекачивается из атмосферы в измерительную щель и там состав смеси изменяется. И в какой-то момент, при некотором значении тока ионного насоса, сосав смеси становится стехиометрическим, то есть 14,7 и измерительная ячейка это определяет. Изменение тока ионного насоса прекращается. Чем дальше состав смести от стехиометрии, тем больше ток ионного насоса. В случае бедной смеси, всё происходит наоборот, насос выкачивает лишний кислород из измерительной щели. Чем беднее смесь, тем больше кислорода нужно выкачать, тем больше ток ионного насоса. Сухая корочка. В зависимости от состава смеси изменяется значение и направление тока ионного насоса (насосной ячейки Нернста). Нам остаётся только измерить этот ток, фигня вопрос. Да, и ещё один не менее офигенный прикол. Кислород, с которым происходит сравнение, кислород, который перекачивается, берётся из атмосферы. А как же он попадает внутрь датчика? Барабанная дробь……под изоляцией вдоль медных жил проводов. Тут мой мир вообще перевернулся. Паять провода ШДК и УДК нельзя, только обжимка, иначе припой и флюс перекроют доступ кислорода и датчик будет сходить с ума. Частый выход из строя датчиков происходит из-за попадания масла в провода и перекрытия доступа воздуха из атмосферы. Вот такая бабуйня….
Матчасть кончилась.

В сети блуждает небольшая схемка, на одном операционном усилителе (ОУ), но она скорее описывает общий принцип.



Я даже решил включить умного и сам попытался накидать что-то, но, слава Богу, нашлась готовая схема. Даже две.

Ссылки на интересные ресурсы:

Ссылка1

Ссылка2

Ссылка3(англоязычный сайт)

Итак схемы, одна для NTK, другая для LSU. Они практически идентичные.

Схема управления/измерения для NTK


Схема управления/измерения для LSU


Нагреватель


Объединённая схема (нагреватель и схема управления) с сайта



Вот ссылка на ресурс, кто захочет сделать эту самоделку, читать обязательно это:

Было принято решение надабратьнадо делать.

Часть схемы, которую я сочинил. Содержит микроконтроллер, дисплей, мост USB-UART.



Небольшое отступление. К моменту как я разобрался с ШДК и нашлась схема, мне достался условно исправный ШДК от конторы NTK (артикул 036906262 J). Этот датчик был снят с автомобиля, потому что возникала ошибка по нагревателю. Но сам нагреватель оказался в порядке, точнее сопротивление нагревателя в норме и нагреватель нагревал. Что с ним не так, было выяснено позднее, точнее это только предположение.

Развел я плату за пару вечеров. Решил, помимо схем самого управления/измерения и нагревателя разместить на плате и микроконтроллер с дисплеем, потом добавил и мост USB-UART, потому что протокол LC-1 никто не отменял. Родилась вот такая плата.



Детальки здесь, всё, что нашлось на «помойке». Покупать ничего не пришлось, пригодились старые запасы. После сборки платы, всё проверил по пунктам, как указано тут

Первые испытания.
Первые испытания были самые волнительные. Изначально контроллер ATmega8A и мост USB-UART я решил не запаивать, чего детальки попусту переводить. К выходу схемы управления/измерения просто подключил мультиметр. Результаты приятно удивили. Оно работает! Видео как я запускал вот тут

Кратко по видео. Я вкрутил ШДК в свободную дырку отверстие в глушителе. Прошил инженерник прошивкой, в которой отсутствует управление по УДК. И дальше в онлайн режиме менял «Цилиндровое GBC» (фактически состав смеси) и смотрел как изменяются показания мультиметра. Показания мультиметра при определённых значениях «Цилиндровое GBC» были стабильны. Но измерения в «попугаях» меня не устраивали. Нужно было сопоставить эти напряжения с реальными составами смеси (AFR). Как же это сделать? Кто изучал метрологию? Правильно, будем сравнивать с эталоном. Мой хороший товарищ, который как раз профессионально занимается настройками авто, относительно давно прикупил ШДК от Innovate по какой-то дикой скидке. Решение принято, вкручиваю ШДК от Innovate и ШДК от Самсиделпаял в свою выхлопную систему. Дальше просто лабораторная работа, изменяем в онлайн режиме AFR, смотрим на эталонную ШДК, и сопостовляем с напряжением на нашем самодельном ШДК.





Кстати на момент лабораторной работы уже работал экран и АЦП контроллера. Получилась таблица AFR-Uout. Для чистоты эксперимента поменял местами два ШДК и произвёл ещё один цикл измерений. Дальше дома в Excel строится график и аппроксимация (линия тренда). Вот тут произошёл затык, потому что точки не хотели попадать ни на что адекватное, поэтому просто, прикрыв левый глаз, сделал линейную аппроксимацию.



Всё испортила точка на открытом воздухе (самая правая, далеко отстоящая от всех остальных), она совсем промазала мимо предполагаемой характеристики. Может быть, я просто что-то не понимаю. Может быть сам ШДК не совсем исправен, ЭБУ авто, с которого он был снят, выкидывало ошибку. Кстати! По поводу ШДК, который я применил в свей конструкции. Обычно, нормальный ШДК выходит в рабочий режим, примерно через 30 сек-1мин. После включения нагревателя, это видно по скачкообразному изменению выходного напряжения. Так вот этот «непонятный» датчик выходит в рабочий режим примерно через 2-3 минуты. Что-то с ним наверно не так. Но когда он работает, показания с него стабильны.

Работу самодельного ШДК я проверил в пути.



Примотал изолентой к бортовику и поехал катать. На ХХ и в стационарных режимах, когда работает УДК, ШДК показывает примерно 14,5-14,7 AFR. На мощностных режимах 14-13 AFR. При разгоне видно, что происходит обогащение. Я думаю, что всё получилось, система работает. Может быть с точностью ± лапоть, но мне этого достаточно, по крайней мере пока. Может быть, применив заведомо-исправный ШДК, показания будут точнее.

Печатная плата и прошивка
Печатная плата разведена в программе SprintLayOut5. В конце статьи приложу архив со всеми исходниками. Печатная плата двусторонняя. Извиняюсь, это накладывает некоторые сложности при изготовлении, но я уже давно делаю при помощи ЛУТ технологии только двусторонние платы. Из-за применения, в основном, SMD деталей. Технология простая. Печатаются отзеркаленые две стороны, затем складываются переводимой частью (рисунком дорожек) друг к другу, на просвет совмещаются отверстия, подрезаются и склеиваются скотчем. Подготовленный стеклотекстолит, фольгированный медью, вкладывается внутрь «конверта». Дальше как обычно, проглаживается утюгом с двух сторон. Дальше травление в хлорном железе или в медном купоросе, в зависимости от вашего мировоззрения. Вытравленная плата сверлятся и запаиваются переходные отверстия проволокой. Я использую медные жилы витой пары, очень хорошо лудятся. Самая большая сложность может возникнуть с микросхемой моста USB-UART. Применена микросхема CP2102 в корпусе QFN. Шаг мелковат, у меня вечно слипаются дорожки. После травления подрезаю скальпелем. Вообще говоря, плату можно менять как угодно и применять любые подходящие детальки. Например, можно применить FT232 с корпусом TQFP, что упростит перенос рисунка утюгом, но для CP2102 из обвязки всего четыре детальки, а для FT232 около десяти.
Монтажная плата выглядит следующим образом:



Пояснения по монтажке. Обозначения 0R это просто перемычки «соплёй» или запаянные резисторы нулевого сопротивления. Обращаю внимание, что на плате присутствуют как алюминиевые конденсаторы, так и танталовые. Синие кружки с чёрной точкой посередине, это переходные отверстия, запаивать проволокой, кроме тех, куда паяются выводные детальки. Обозначения «Vs» «Ip» «R» «COM» «HEAT+» «HEAT-» "+12-" — это всё клеммники с шагом 5.08мм. Детальки, которые обозначены над монтажкой как «КТ315 КТ361» это вариант под транзисторы КТ315 или КТ361, вместо 2N3904 и 2N3906, я не был уверен, что в своём хламе их найду. Запаивать их как переходные отверстия не обязательно, кроме одного места, в районе середины платы, обозначенного как «Запаять». Кривые лини вокруг платы это то, что кинуто проводами. Плата разрабатывалась как экспериментальная, поэтому так. Подрисованный над платой источник опорного напряжения LM431 с проводами, уходящими в плату, очень хорошо устанавливается в два обозначенных отверстия. По схеме там должен быть хитрый стабилитрон, но его я не нашёл, пришлось импровизировать. Переделанный узел вот этот:


Вот как раз D8 LM385Z-1.2 я не нашёл. Воткнул LM431 и пересчитал детальки чтобы VSref получился 450mV. Примерно посередине монтажки есть обозначение «СИД», которое обозначает светодиод (СветоИзлучающий Диод). Вообще говоря, если смотреть на плату и на схему, то можно разобраться что куда. Кроме приведённого выше узла, всё как на схемах. Хотя тут тоже надо сделать оговорку. Дурацкие номиналы, как например 2,21К или 49,9К заменены на ближайшие из ряда Е24.
Ещё раз обращаю внимание, на плате разведены три связанные схемы, это:
-Схема измерения/управления ШДК для NTK
-Схема управления нагревателем
-Схема с микроконтроллером, дисплеем и мостом USB-UART

ШДК подключается к схеме управления как указано, далее выход схемы управления/измерения Vout идёт на схему с микроконтроллером на вход операционного усилителя LM358. Нагреватель связан со схемой управления посредствам оптопары 4N35. Для того, чтобы микроконтроллер определял готовность нагревателя кинут провод от 1-ой лапки 4N35 до 2-ой лапки микроконтроллера (программно ни на что не влияет). Дисплей применён на контроллере ST7735 размером 1,8 дюйма. Один из самых дешёвых в Китае. Дисплей питается от 3,3В при помощи установленного стабилизатора LM1117-3,3. Поэтому на самом дисплее нужно запаять перемычку J1 и по желанию снести с платы дисплея стабилизатор LM1117-3,3. Кстати, стабилизатор можно перенести на основную плату.



Теперь прошивка.
В конце статьи будет архив с проектом полностью. Проект написан с применением «быдлокода», не ругайтесь. В прошивке реализованы следующие задачи:
-Измерение напряжение на Vout схемы управления ШДК
-Отображение измеренного значения напряжения
-Пересчёт напряжения в AFR по построенной в Excel характеристике
-Отображение полученного значения AFR
-Организация протокола LC-1 (внимание! протокол не проверен на 100%!)

Программа написана на обычном СИ, без каких-либо причуд. Среда разработки и компилятор CodeVision.
Поясню по некоторым строчкам кода.
Важная строчка:
vin_f=1.0194805194805194805194805194805*(2)*((adc_data*2.56)/1024);

vin_f – это число с плавающей точкой, в которое записывается реальное напряжение с Vout (после схемы управления и измерения ШДК), где «adc_data» это заначение взятое из регистров АЦП. Число «…*(2)*…» в формуле это обратный коэффициент деления. То есть на схеме перед входом АЦП стоит делитель 2,2К + 2,2К, получается коэффициент деления ½, обратный коэффициент равен 2. Если мне не изменяет память, то вот это «1.0194805194805194805194805194805» это калибровочное число АЦП. Считается просто. Пусть мы мультиметром измерили 2.45В, а микроконтроллер измерил 2.55В. Так вот нужно подобрать такое число, чтобы при умножении на 2.55 получить 2.45. Для приведённого примера калибровочное число, обозначим как k=2.45/2.55=~0.96. До процесса калибровки АЦП калибровочное число нужно выставить в k=1. Остальное в формуле «((adc_data*2.56)/1024);» это взято из даташита на ATmega8A (кому интересно, расскажу).

Дальше важная строчка:
ALF=3.319*vin_f+6.3208;

ALF-это рассчитанный состав смеси. Магические числа «3.319» и «6.3208», это полученные коэффициенты из линейной аппроксимации в Excel. Фактически это линейная функция f(x)=a*x+b, где a=3.319, а b=6.3208.

В прошивке происходит усреднение по 10 значениям напряжения на входе АЦП.

Страшные конструкции типа:
temp_ui=ALF_ui;
SetCharScale(8,1,(0x30+(temp_ui/1000)),4,2);
temp_ui=temp_ui%1000;
SetCharScale(8,1+2,(0x30+(temp_ui/100)),4,2);
SetCharScale(8,1+4,'.',4,2);
temp_ui=temp_ui%100;
SetCharScale(8,1+6,(0x30+(temp_ui/10)),4,2);
temp_ui=temp_ui%10;
SetCharScale(8,1+8,(0x30+(temp_ui)),4,2);

Это всего-навсего вывод чисел на экран.

Дальше вот эта часть:

TRANS_UART(0xB2);
TRANS_UART(0x82);
TRANS_UART(0x43);
TRANS_UART(0x13);
TRANS_UART((temp_ui>>7));
TRANS_UART((temp_ui&0b01111111));
delay_ms(81);
delay_us(920);

отвечает за протокол LC-1. Функция TRANS_UART выкидывает 1 байт в последовательный порт. Описания протокола LC-1 море в интеренте. Проверить полностью протокол я пока неуспел, но теоретически должен работать.

Финальная часть.
Как же настраивать эту невразумительную систему? Мне, как её создателю, всё понятно. Но наверно только мне. Постараюсь разложить по пунктам.
1) Конструкция собирается, проверяется.
2) Берется эталонный ШДК, вкручивается в одну выхлопную систему с самодельным ШДК.
3) Меняя состав смеси фиксируются напряжения на выходе схемы управления (самодельный ЩДК) и реальный AFR (эталонный ШДК).
4) По полученной таблице строится график и рассчитывается линия тренда (аппроксимация)
5) В коде программы заменяется строчка:
ALF=3.319*vin_f+6.3208;
На строчку с вашими коэффицентами
ALF={рассчитанный коэффициент a}*vin_f+{рассчитанный коэффициент b};

Даже можно заменить линейную функцию на любую другую
ALF=f(vin_f);

Переменные ALF и vin_f – это числа с плавающими точками, поэтому в формуле могут быть любые числа, не только целые.
6) Программа компилируется. Микроконтроллер прошивается. Вот тут будет больше всего трудностей… увы.
7) По возможности, скинуть мне ваши функции, исходные данные (можно прямо в Excel) и артикул применяемого ШДК. Это для того, чтобы можно было создать базу и сделать проект удобным для применения и настройки уже без эталонных ШДК.

Что же дальше?
Дальше, как говорится, больше. На момент написания статьи готовится новая версия печатной платы, там практически не будет выводных деталей. Не могу протестировать, потому что с Китая очень долго идут детальки. Также заказан новый ШДК с тем же артикулом, что и у контры Innovate (артикул 0258017025). Кстати сам ШДК я заказал у китайцев всего за 1800-1900 руб. Детальки, необходимые для изготовления платы влезут в 1000 руб. точно. Если заказывать корпус и разъём для ШДК, то там может набежит ещё 1000 руб. Я думаю, по минимум, бюджет самодельной ШДК около 2500-3000 руб. Вот такая «игрушка» оправдана, но нужно приложить некоторое количество сил и времени. Самое дорогое это сам ШДК.
Дальше развитие проекта очень простое. Нужно сделать настройку ШДК без перепрошивки контроллера. Сделать это очень просто, нужно на компьютере в специальной программе формировать таблицу AFR-Vout и передавать по USB в память контролера или в память, распаянную на плате. Как и это сделать, я знаю, это не сложно. Вопрос как рассчитывать AFR, если точка не попадает в табличное значение, я думаю, если шаг по таблице достаточно мелкий, то можно просто усреднять или опять же линейно аппроксимировать.
На этом пока всё.
Архив со всем барахлом.

З.Ы. Если я что-то забыл, если что-то непонятно (а наверняка так оно и есть). Спрашивайте, попробую объяснить, недостающие исходники прикреплю. СОздадим бюджетный ШДК всем миром!