Allarme GSM per batteria scarica – Parte 1: Hardware

L’esigenza

Nella stagione invernale, tra feste e smart working, la moto è destinata a permanere in garage più a lungo del normale e questo può determinare una anormale scarica della batteria, specialmente se vi dimenticate, come ho fatto io, di attaccarla al mantenitore di carica.

Per chi fosse interessato, questo è quello che uso io:

A nulla è servito chiudere il recinto dopo la fuga dei buoi: la tensione è scesa a 6.8V e il caricabatteria/mantenitore non è riuscito ad individuare e a ricaricare la batteria.

La morale è che ho dovuto comprarne una nuova e sostituirla.

Ma come spesso succede, ho colto l’occasione di un evento avverso per sviluppare un bel progetto e per creare un nuovo contenuto sul nostro blog.

Ecco come nasce il mio nuovo dispositivo di monitoraggio e allarme batteria moto.

Strumento di progettazione

Io utilizzo EasyEDA.com per progettare circuiti. Lo trovo estremamente funzionale. Ha una libreria di componenti assolutamente completa (per l’utilizzo che ne faccio io), permette di sviluppare il progetto in modalità schema e poi di passare alla progettazione della PCB con funzioni di sbroglio automatico. E, dulcis in fundo, con un semplice click, permette di produrre fisicamente la PCB e spedirla a casa.

Schema elettrico generale

Iniziamo con lo schema generale per avere una visione di insieme per poi passare all’analisi dei gruppi funzionali che ho separato per comodità progettuale.

Come vedete il sistema ha sostanzialmente sei gruppi distinti:

• Una CPU composta da un Arduino Nano;
• Un ingresso che sarà collegato direttamente alla batteria della moto;
• Uno stepdown (LM7805) per abbassare la tensione dai 12V della batteria della moto ai 5V di esercizio dei componenti;
• Un partitore di tensione necessario per testare la tensione della batteria utilizzando livelli compatibili con le porte analogiche della CPU;
• Il modulo GSM con uno stepdown dedicato (LM2596) per le sue specifiche tecniche
• Un piccolo monitor OLED per leggere i valori

I componenti

come sempre vi riporto i componenti che ho utilizzato per la realizzazione del progetto che scoprirete in un nuovo articolo:

Ingresso 12V da batteria moto

Iniziamo dal principio. Tutto il modulo è alimentato dalla stessa batteria che costituisce l’oggetto del monitoraggio. Ovviamente il consumo del circuito è assolutamente trascurabile rispetto alla capacità della batteria, anche grazie agli accorgimenti che ho pensato per la gestione del modulo GSM che vedremo poi.

Abbiamo due semplici fori a cui saldare il connettore che si collegherà alla batteria della moto. Sul positivo è previsto in serie un portafusibili per un fusibile da 500mA a protezione della CPU.

Stepdown 5V

Invece di usare complessi circuiti stepdown regolabili ho deciso di limitare lo spazio e la complessità utilizzando un semplicissimo e famosissimo integrato a tre piedini: LM7805. Questo integrato restituisce in uscita una tensione costante a 5V e una corrente fino a 1500mA (nominale). Noi utilizzeremo una corrente molto più bassa, ad eccezione di qualche picco che però non graverà direttamente su questo integrato.

Partitore di tensione sensore analogico

Questo è il primo elemento di controllo del circuito. Abbiamo inserito un partitore di tensione (R1=100KΩ e R2=10KΩ) che determina una caduta di tensione dai 12V in ingresso dalla batteria della moto (Vin) agli 1,09V (Vout) ai capi della R2. Per chi volesse approfondire la teoria alla base dei partitori di tensione consiglio questo articolo di Raffaele Ilardo: http://www.raffaeleilardo.it/parti.htm. Ho utilizzato le tabelle in esso riportate per il calcolo delle resistenze di tutti i partitori utilizzati nel progetto.

A questo punto possiamo collegare questo punto alla porta A0 (analogica) della nostra CPU (che accetta la tensione massima di 5V) e con una banalissima formula inserita nel programma potremo interpretare questa tensione riportandola al suo valore originario per visualizzarla sul monitor OLED e capire quando scenderà sotto la soglia minima per attivare il sistema di allarme GSM. Le specifiche software le vedremo nell’articolo dedicato alla programmazione della CPU.

Schermo OLED

È un banalissimo schermo OLED da 128X64 pixel su cui visualizzeremo il valore di carica della batteria e l’eventuale attivazione dell’allarme. Dovendo minimizzare i consumi della batteria, lo accenderemo a intervalli regolari per un breve lasso di tempo. Lo schermo è alimentato direttamente dall’uscita 5V di Arduino Nano.

Modulo GSM – sottogruppo di alimentazione

Il modulo di connessione GSM (SIM800L) per l’invio di un sms è facile da usare ma richiede qualche accorgimento per la sua alimentazione.

Innanzitutto, la tensione di alimentazione è tra i 3.4V e i 4.4V, quindi non è alimentabile direttamente dai pin di Arduino, né dal 3V3 né dal 5V.

In secondo luogo, nel momento di massimo assorbimento di energia, può arrivare a 2A, corrente assolutamente fuori dalla portata del Nano che ho utilizzato per gestire il dispositivo.

La questione dell’alimentazione e dell’assorbimento in fase di stand-by l’ho risolta con due accorgimenti.

• Tensione e corrente: sono partito di nuovo dai 12V in uscita dalla batteria della moto e ho inserito uno stepdown DC-DC composto da un LM2596 e regolatore a vite. Questo mi ha permesso di selezionare la tensione voluta (ho impostato 4.2V) e il sistema è in grado di erogare la corrente necessaria anche nei momenti di massimo assorbimento;
• Consumo: ho deciso di mandare in “sleep-mode” il modulo e di svegliarlo con la funzione “wake-up” solo nel caso di discesa della tensione sotto la soglia al fine di inviare il messaggio SMS di allarme. Ho trattato l’argomento in modo esaustivo qui.

Modulo GSM – SIM800L

Il modulo GSM colloquierà col Nano tramite comandi seriali AT, ma lo vedremo nello specifico nell’articolo dedicato al software: https://www.officinasottocasa.it/low-batt-gsm-alarm-sw/.

Al suo interno ho inserito una SIM per progetti IOT senza abbonamento della Thingsmobile.

CPU Arduino Nano

Ultimo ma non ultimo componente del dispositivo è la CPU costituita da un Arduino Nano (in realtà è la versione cinese, ma del tutto equipollente).

In questo articolo parliamo di hardware, quindi, in questo contesto, figura solo come una scheda a cui sono collegati tutti i componenti che abbiamo visto fino ad ora. Il suo ruolo è quello di gestire tutti gli I/O ad essa collegati tramite il software di cui parleremo nel prossimo articolo, in cui sarà di fatto la vera protagonista.

PCB

A questo punto l’applicativo genera automaticamente una PCB con tutti componenti. Non ho fatto altro che metterli insieme in modo ordinato e piacevole alla vista e di avviare il programma di sbroglio automatico che ha calcolato tutte le piste. Ho usato una piastra a doppia faccia. Il programma genera automaticamente il file GERBER per la produzione della PCB e ora siamo in attesa che venga recapitata. Questo il rendering grafico di cui per ora dobbiamo accontentarci.

Possibili applicazioni

Ho pensato a questo dispositivo per l’applicazione sulla mia moto ma in realtà potrebbe essere applicato su qualsiasi dispositivo a batteria, con gli opportuni accorgimenti in tema di alimentazione e partitore di tensione al sensore.

Spero che qualcuno dei miei lettori posso reinterpretare questo progetto e condividere con noi la sua apllicazione.

Mi auguro che il contenuto sia stato di vostro interesse e vi invito ad interagire lasciando un commento.

Se aveste bisogno di informazioni specifiche o di un contributo su un vostro progetto scrivetemi: https://www.officinasottocasa.it/contatti/