Open Hardware/Open Source Motorüberwachung

[SaabFAN]

Moin

Ich glaube, ich habe schon mal davon geschrieben, dass ich eine Motorüberwachung bauen möchte. Allerdings ist das Projekt mit der Zeit ein bisschen im Sande verlaufen.
Letzte Nacht habe ich mich dann wieder dran gesetzt und die Schaltungen komplett neu entwickelt. Fokus lag auf Miniaturisierung und möglichst einfacher Umsetzung. Zum Beispiel verfügt die neue Schaltung nur noch über EINEN Bus nicht 3, wie vorher. Außerdem verwende ich einen deutlich kleineren 8bit-Mikrocontroller (ATTiny85 statt Atmega).

Als Features werden (bisher) geboten: Drehzahlmesser, 3 Temperatur-Sensoren (frei im Motor verteilbar, werden mit Wärmeleitkleber befestigt), Anzeige über 2x16 Zeichen LCD-Display, Warn-LEDs für Temperatur und zu hohe Drehzahl mit Piepser, Aufzeichnung der Parameter in regelmäßigen Abständen auf internem Speicher mit der Möglichkeit diese Daten über USB herunterzuladen.
Gedacht ist das Ganze für kleinere Motoren, die keine Möglichkeit zur Überwachung haben.
Alles was der Motor braucht, ist eine Lichtspule. Gleichrichter ist mit auf der Platine (wenn man die Dioden verstärkt, könnte der auch noch andere Sachen mit Strom versorgen - im Moment ist der Maximalstrom 1A). Alternative Stromversorgung mit ca. 6V Solarzelle (gibts für unter 10€) ist auch möglich. Großer Speicherkondensator sorgt dafür, dass das System auch im Leerlauf weiter läuft, wenn die Lichtspule nicht die nötige Spannung liefert. Stromverbauch aller Komponenten: knapp unter 100mA im Worst-Case. Normal dürfte irgendwas um 60 bis 70mA sein.

Meine Frage an euch: Gibt es hier generell ein Interesse an so einem System? Und: Wer hätte Lust, bei der Entwicklung der Hardware und der Software zu helfen?
Das ganze wird als offene Platform gebaut und ist vom "Adafruit Trinket" inspiriert, das von der Konzeption her den fest eingebauten Mikrocontroller und die Stromversorgung ersetzen kann.

[SaabFAN]

So, Schaltung ist fertig. Habe mich doch für einen Atmega328 im DIL-28 Package entschieden, da ich mir so einen Haufen Zusatzchips sparen kann (AD-Wandler, Portexpander, etc.).
Software funktioniert zumindest im Testaufbau mit Arduino Leonardo und Anzeige sowie Sensoren auf Breadboard.
Leider hab ich beim Bohren der Platine ein paar Löcher unsauber gebohrt, sodass ich mir wohl eine neue bestellen muss. Diesmal gleich fertig gebohrt und durchkontaktiert.

Die Komponenten kosten als Einzelstück ca. 45€ (inklusive fertig geätzte Platine von Conrad). Bei größeren Stückzahlen lassen sich die Kosten, vor Allem für die Platine, relativ leicht senken.
Implementierte Funktionen:
- Drehzahl-Messung (2 Eingänge: Hallsensor und Direkter Trigger über das Zündkabel - getrennt von restlicher Elektronik durch Optokoppler, auswahl der Trigger-Methode durch Jumper)
- 4 analoge Eingänge (Vorgesehener Nutzen: 3x Temperatur-Sensor: LM35DZ [Misst Temps zwischen 0 und 120°C], 1x Drosselklappen-Poti / Maximale Eingangsspannung: 2V)
- i2c-Bus: 2 Anschlüsse über USB-Buchsen (Erlaubt die nutzung geschirmter USB-Kabel, was die Störsicherheit beim Einsatz im Motor deutlich erhöhen sollte / 1 Anschluss durch Display belegt, der andere kann für zusätzliche Hardware verwendet werden)
- Display: 2x16-Zeichen LC-Display. Angesteuert über i2c-Bus mit Hilfe eines i2c zu 8bit Parallel-Umsetzers
- Kontrollleuchten mit Piezo-Piepser (Lampen: ON, Warnung, Temperatur-Alarm, Drehzahl-Alarm)
- Aufzeichnung der Motordaten auf EEPROM (Aufzeichnungslänge: ca. 8 Stunden)
- Serieller Anschluss, über den das Motor-Log abgefragt werden kann (Benötigt einen USB-Seriell Adapter, da die Line-Pegel 0-5V sind, nicht +/-12V wie bei der "echten" Seriellen PC-Schnittstelle)
- Anschluss für unregulierte Gleichspannung aus dem integrierten Delon-Gleichrichter (Verdoppelt die Spannung der Lichtspule, um auch im Leerlauf mehr als 6,5V zur Verfügung zu haben - Maximaler Strom: 1Ampere)
- Anschluss für Optionalen 3,7V Lithium-Polymer-Akku, sowie Ladegerät für LiPo-Akkus auf Platine (Max. Ladestrom: 200mA, Standard: 80mA - Entsprechend dem verlöteten Widerstand) und automatischer Abschaltung wenn die Akkuspannung unter 3,4V fällt.

Als Mikrocontroller kommt, wie bereits erwähnt, ein Atmega328 zum Einsatz, es kann aber auch ein Atmega168 benutzt werden. Die beiden sind Pin-Kompatibel. Die Software ist in der jetzigen Ausbaustufe etwa 13Kbyte groß. Es sind also noch 3KB beim 168 übrig, die für zusätzliche Funktionen verwendet werden können.
Es sind außerdem noch 2 Pins unbelegt, die beispielsweise für Tasten, Interrupts, oder eine Öldruckkontrollleuchte für 4-Takter benutzt werden können.
Die Platine ist 10x5cm groß und sollte somit auch in kleinen Motoren Platz finden. Ich hatte vor, in meinem Motor ein kleines Gehäuse an der Halterung für den Anlasse zu befestigen
Das Display misst 8x3,6cm und ist mit dem Display-Controller zusammen etwa 2cm hoch.
Die Platine mit den Anschlüssen für die Kontrollleuchten misst 2x3cm bei einer Höhe von 2cm.

Wer von euch hätte Interesse, bei einer Sammelbestellung mitzumachen und so ein Gerät mal auszuprobieren? Man benötigt im Grunde nur die Hauptplatine mit dem Chip, der Display-Controller und die Kontrollleuchten-Platine lassen sich leicht auf Lochraster-Platinen aufbauen. Bei Conrad kostet eine 1dm²-Platine fertig geätzt und gebohrt 37€ + Versand (auf eine 1dm² Platine passen 2 Hauptplatinen).

Edit: Oder kennt hier jemand zufällig jemanden, der solche Platinen günstiger herstellen kann?

[cougar67]

Ich finde das eine gute Idee, habe aber von Elektronik leider nicht viel Ahnung.
Würde aber das ganze gerne testen.
Zu den Eingängen, 3 Temp Sensoren finde ich ein bisschen viel.
Würde es anders aufteilen.
1. Sensor Temp Motorblock
2. Sensor Temp Kühlwasser Kontrollstrahl.
3. Sensor Druck Kühlwasser Kontrollstrahl.
Im Grunde reicht auch 2 und 3, um den Motor zu überwachen wenn sich da Abweichungen zeigen passt was nicht.
Der Drosselklappen-Poti ist sehr hilfreich wenn man aufzeichnet, ideal wäre da zu noch ein Durchflusssensor für den Kraftstoff und / oder eine Tankanzeige.
Ein GPS / Geschwindigkeits-Signal würde eine Aufzeichnung perfekt machen.
Die Sensoren als Balkenanzeige dürfte auch nicht schlecht aussehen und man Abweichungen schneller erkennen.

Michael

[SaabFAN]

Zusätzliche Sensoren würde die Hardware hergeben (über den i2c-Bus angeschlossen). Es gibt auch 4-Zeilen Displays, sodass sich die zusätzlichen Werte leicht anzeigen ließen (Die Software-Anpassung ist nicht schwer).
Die Idee mit dem Drucksensor statt dem 3. Temp-Sensor ist gut. Kann man auf einen Blick sehen, ob der Impeller getauscht gehört, oder nicht Allerdings müsste man für den dann Löcher in den Motorblock bohren.

Zum GPS-Empfänger: Prinzipiell möglich, wenn man ein GPS-Modul anschließt das mit i2c-Bus ausgestattet ist und dann die Software entsprechend anpasst. Das Modul müsste unter Umständen etwas vom Motor entfernt eingebaut werden. Wegen Störungen durch die Zündung. Mein Handy hat z.B. n bisschen Probleme die Position zu finden wenn der Motor läuft. Bei stehendem Motor ist die Position immer ziemlich fix gefunden.

All diese Zusatzfeatures würden dann mindestens einen Atmega328 vorraussetzen. Der kleinere Controller hätte mit nur 16KB zu wenig Programmspeicher.

Die Realisierung einer Balkenanzeige wiederum ist programmiertechnisch deutlich aufwändiger. Das würde ich von nem PC machen lassen, wenn man die Log-Daten ausgelesen hat und auf dem Display am Motor nur Zahlen anzeigen lassen. Ist auch deutlich genauer.

[cougar67]

Hallo Thorsten
Hört sich gut an, den Drucksensor würde ich in den Schlauch vom Kontrollstrahl setzen, genau wie den Temp Fühler.
Ideal wäre auch das Steigrohr nur müste man einen Abgang einarbeiten und den Sensor an eine kühlere stelle verlegen.
Ist es nicht besser die E-Box vom Motor ins Boot zu verlegen? weniger Hitze und Erschütterung.
Wenn die Werte als Zahlen angezeigt werden ist es zwar genauer, man kann sie aber im Kopf nicht so schnell umsetzen und das Lesen erfordert mehr Zeit.
Im grunde reichen auch zwei LEDs eine zB Gelb als Vorwarnung und eine Rote wenn es fast zu spät ist.
Michael

[SaabFAN]

Die Box ließe sich natürlich auch außerhalb des Motor anbringen. Allerdings sollte man die analogen Signalleitungen (Von den Sensoren) so kurz wie möglich halten. Die Erschütterungen sollten der Elektronik nicht so viel ausmachen. Die großen Komponenten (Kondensatoren) kann man auch immer noch zusätzlich mit Heißkleber befestigen.
Ich denke mal nicht, dass es unter der Haube wärmer als 80°C wird. Der Motor zieht ja konstant frische Luft von draußen durch. Die Chips sind spezifiziert von -50 bis +85°C, also kein Problem.

Eine vereinfachte Warn-Schaltung mit 2 LEDs und Piepser wäre im Übrigen auch als einfache Analog-Schaltung möglich. Da brauchts kaum mehr als Spannungsregler, Temp-Sensor und 2 Op-Amps die beim Erreichen einer Temperatur (Spannung) dann die LEDs einschalten.
Meine ursprüngliche Idee war aber gewesen, einen digitalen Drehzahlmesser für meinen Motor zu haben. Die Überwachung der Temperatur kam dann dazu, weil ein Mikrocontroller nur für Drehzahlmessungen doch ein bisschen Overkill ist

Zu dem Drucksensor: Ich hab bisher keine günsigen Sensoren gefunden. Und den Sensor in den Schlauch für den Kontrollstrahl einzubauen ist je nach Konstruktion des Motors nicht wirklich praktikabel. Bei meinem Motor zum Beispiel kommt nur dann richtig wasser da raus, wenn der Motor betriebswarm ist. Und der Thermostat macht selbst bei Vollgas nie wirklich voll auf, weil die Kühlung so leistungsfähig ist (Ist auf 15PS dimensioniert). Man müsste also einen zum einschrauben in den Motorblock finden.
Es gibt da n paar aus dem Automobil-Bereich, aber die Preise liegen durchweg über 20€.

[SaabFAN]

So, kleines Update hier: Das Aufnehmen des Drehzahl-Signals hat nicht ganz so funktioniert, wie ich mir das vorgestellt hab. Um das Drehzahlsignal direkt abzugreifen, ist eine kleine extra-Schaltung nötig. Einfach so nen Optokoppler ran hängen läuft nicht.
Ich habe das Projekt daher in 2 Teile aufgeteilt: Den Überwachungscomputer und die Signalaufbereitungs-Schaltung, die aus dem chaotischen Signal in der Induktionsspule ein verwertbares Signal macht.
Die Schaltung für die Signalaufbereitung existiert bereits auf dem Breadboard, aber muss noch getestet werden und bei meinem Motor habe ich mich jetzt für ein Drehzahlsignal aus einem Hallsensor entschieden.
Die Lösung mit dem Hallsensor müsste eigentlich bei allen Motoren relativ zuverlässig funktionieren. Das Teil reagiert auf Veränderungen im magnetischen Fluss und da unter jedem Schwungrad Magneten verbaut sind, lässt sich aus dem Signal des Hallsensors die Drehzahl ableiten.

Leider bin ich gerade etwas knapp bei Kasse, sodass ich keine Platinen bestellen kann. Ich habe aber einen günstigen Lieferanten gefunden: Haka Leiterplatten. Da würde ich 6 Hauptplatinen für 58€ inkl. Versand bekommen. Senkt die Kosten unter 20€ je Hauptplatine (inkl. aller Bauteile)!

[SaabFAN]

So, da ich studiumsbedingt in absehbarer Zeit nicht an Geld kommen werde, habe ich jetzt mal eine Crowdfunding-Kampagne gestartet: https://www.leetchi.com/c/sems

Ich wollte zuerst auf Indiegogo.com eine starten, aber da beträgt der minimale Zielbetrag 500€. Viel zu viel, wenn ich nur etwa 60€ für die Fertigung der Platinen brauche.
Mit dem Geld bekomme ich 6 Hauptplatinen. Mehr als genug für die nötigen Tests. Die Chips liegen hier alle schon bereit und die Software läuft auch bereits (auf einem Arduino Leonardo).
Wenn das Platinendesign funktioniert und keine Änderungen benötigt, hätte ich 4 Mainboards übrig, die ich dann für Spender zum Einkaufspreis der elektronik-komponenten bestücken würde.

Ich hoffe mal, ich bekomme das Geld so zusammen und kann euch dann bald ein fertiges System zeigen.

[SaabFAN]

So, angesichts der Tatsache dass man mittlerweile einen Arduino für unter 3€ bei ebay bekommen kann und ich eher nicht über 500 dieser kleinen Überwachungscomputer absetzen werde, habe ich mich entschieden keine neue Platine herstellen zu lassen.
Ich hol mir stattdessen einen Arduino, ein grafisches Display und die restliche Hardware für insgesamt weniger als 6€. Nur die Stromversorgung muss ich selbst bauen. Aber das geht auch auf Lochraster.
Nur Ärgerlich, dass ich die ganzen Bauteile dann gar nicht mehr brauche die ich schon gekauft habe...

[Ferdi]

Zitat von SaabFAN

So, angesichts der Tatsache dass man mittlerweile einen Arduino für unter 3€ bei ebay bekommen kann und ich eher nicht über 500 dieser kleinen Überwachungscomputer absetzen werde, habe ich mich entschieden keine neue Platine herstellen zu lassen.
Ich hol mir stattdessen einen Arduino, ein grafisches Display und die restliche Hardware für insgesamt weniger als 6€. Nur die Stromversorgung muss ich selbst bauen. Aber das geht auch auf Lochraster.
Nur Ärgerlich, dass ich die ganzen Bauteile dann gar nicht mehr brauche die ich schon gekauft habe...

servus Thorsten,
wo und an wen willst Du die ganzen Motorüberwacher denn dann eigentlich verkaufen ?
Machst Du das hobbymäßig oder hauptberuflich ?

[SaabFAN]

Elektronik und Elektrotechnik ist für mich nur ein Hobby, mit dem ich in Zukunft hoffentlich ein paar Euros nebenbei verdienen kann.
Deswegen macht es für mich auch keinen Sinn, eine komplett selbst entwickelte Lösung fertigen zu lassen, wenn man einzelne Komponenten in China zu so niedrigen Preisen einkaufen kann.
Wenn ich die Platinen selbst fertigen lasse, müsste ich mindestens 1000 Stück ordern, um bei den Stückpreisen unter 15€ zu kommen (alle Komponenten zusammengerechnet). Selbst wenn ich diese Sache hauptberuflich machen würde, bezweifle ich dass es einen so großen Markt für so eine Motorüberwachung gibt.
Wenn ich aber einzelne Baugruppen auf ebay aus China order und dann einfach nur miteinander verkabel und irgendwie in einem Gehäuse unterbringe, bin ich bei ca. 10€ und das schon bei einer Stückzahl von 1.
Das einzige was ich dann selbst machen muss ist die Software und dafür brauche ich nur meinen PC.