В статье представлено краткое описание процесса создания умного контейнера для сбора батареек. Устройство представляет собой обычный пластиковый контейнер и крышку, к которой закреплен корпус электронной части. Элементы корпуса напечатаны на 3Д-принтере, электроника состоит из платы Arduino Nano, модуля ADS1115, дисплея LCD1602, индикаторных светодиодов и вспомогательных деталей.

Концепция

Батарейки (гальванические элементы первого рода) используются повсеместно в разных бытовых приборах, однако многие люди не знают их свойств и того, как пользоваться ими экономно [1].

У каждой батарейки есть номинальное напряжение, обусловленное её типом и внутренним строением [2]. По мере использования напряжение снижается. Разные приборы обладают разным энергопотреблением и минимальным рабочим напряжением. Например: если в фонарик вставить набор батареек, полностью их использовать, а потом их же вставить в часы или беспроводную мышку — они будут работать ещё достаточно долго. Это обусловлено тем, что фонарик разряжает батарейки не до конца, и их напряжения уже не хватает для фонарика, но ещё достаточно для маломощных приборов. Определить остаточный заряд можно мультиметром в режиме вольтметра, однако не все умеют им пользоваться [3]. Создаваемое устройство, по сути, сочетает контейнер для сбора и тестер батареек.

Электроника

Всем управляет плата микроконтроллера Arduino Nano. Для измерения используется модуль 16-битного АЦП ADS1115, поскольку встроенный 10-битный АЦП платы не обеспечивает нужной точности. Для вывода информации используется ЖК дисплей 1602 (16 знакомест, 2 строчки) и индикаторные светодиоды. Всё устройство питается от USB зарядки

В программе EasyEDA создана принципиальная схема соединений (рисунок 1), после чего для упрощения сборки разработана печатная плата (рисунок 2).

Рис. 1. Принципиальная схема

Рисунок 2. Печатная плата в программе

Плата изготовлена методом термопереноса (в среде радиолюбителей «ЛУТ», лазерно-утюжная технология). Рисунок платы напечатан на специальной глянцевой бумаге, нагревом перенесён на заготовку из фольгированного бакелита, затем плата вытравлена в растворе 3 % перекиси водорода, лимонной кислоты и поваренной соли в соотношении 100:35:5 по массе. Отверстия просверлены на миниатюрном сверлильном станке, дорожки покрыты припоем, компоненты запаяны на плату, при этом Arduino и модуль АЦП — через контактные колодки, а не напрямую.

Написание кода

После первичного тестирования функции измерения напряжения была выявлена неудовлетворительная точность, обусловленная низкой разрядностью встроенное аналого-цифрового преобразователя платы Arduino — у неё установлен 10-битный АЦП. Для измерения напряжения, поступающего на аналоговый пин платы, проводятся вычисления:

1. сначала вычисляется доля этого напряжения от максимального 5В
2. затем весь диапазон измерения 5В делится на 2 ¹⁰ =1024:

5/1024=0,0048 В/шаг. Это означает, что весь диапазон делится на 1024 шага

3. Число шагов умножается на долю напряжения
4. Полученное число умножается на величину одного шага

Полный код написан, основываясь на официальной документации модуля ADS1115 и уроках из интернета.

Для определения состояния батареек микроконтроллером измеряется напряжение на них, сравнивается с заданными диапазонами, и делается вывод о состоянии. Выбор измеряемой батарейки делается вручную кнопкой, поскольку получить автоматическое определение программно довольно сложно без узкоспециализированных микросхем.

Корпус

Элементы корпуса моделируются в программе Onshape. Корпус состоит из 5 частей — основа, крепёжная пластина, крышка корпуса, люк и внутренняя часть корпуса.

Электроника размещается внутри корпуса, на переднюю панель выведена кнопка выбора типа батареек, индикаторы и дисплей. Сбоку предусмотрены вырезы под выключатель и кабель питания. В корпусе предусмотрены отверстия для крепления винтами М3 к пластине, а также стойки для крепления крышки длинными винтами М4. Контейнер для сбора прикрыт люком, который открывается только внутрь и установлен на ось в виде резьбовой шпильки М3 (рисунок 3).

Рис. 3. Модель корпуса со стороны и в разрезе

Для измерения 9В батареек применён стандартный разъём, к которому можно приложить батарейку. Для измерения других типов спроектирован элемент со скользящим контактом, вдохновлённый различными тестерами батареек.

Сборка

Выводимые на корпус элементы соединяются проводами с платой. Элементы закрепляются клеевым пистолетом в корпусе. В конечном итоге плата укладывается внутрь, после проверки корпус закрывается крышкой. На корпус наносятся информационные наклейки и надписи.

Заключение

В ходе работы над проектом были получены навыки пайки, программирования, разработки электроники, работы с 3Д принтером. В результате получено функциональное и полезное устройство, которое займёт место во входном зале образовательного центра.

Всем людям, независимо от рода деятельности, полезно понимать особенности и свойства химических источников тока, поскольку без них уже невозможна привычная жизнь человека.

Литература:

1. Сайт компании «Мегаполис Ресурс». — URL: https://eco2eco.ru/
2. Сайт компании «НЭК». — URL: https://nec.eco/
3. Regulation (EU) 2023/1542 of the European Parliament and of the Council of 12 July 2023 concerning batteries and waste batteries, amending Directive 2008/98/EC and Regulation (EU) 2019/1020 and repealing Directive 2006/66/EC. — URL: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2023/1542/oj
4. Arduino Volt Meter (0–100V DC). — URL: https://www.instructables.com/Arduino-Volt-Meter-0–100V-DC-Version-2-better/
5. Калькулятор расчёта делителя напряжения. — URL: https://cxem.net/calc/divider_calc.php
6. База уроков Arduino. URL: https://alexgyver.ru/lessons/