Соревнование с фирмой Sigma Sport...

или мемуары разработчика велокомпьютеров

Так получилось, что занимаясь велотуризмом, я больше двух десятков лет параллельно вёл разработку различных вариантов велокомпьютеров. Каждая изготовленная модель несет на себе отпечаток своего времени: функциональнось, использованная элементная база, габариты и т.д. Предлагаю Вашему вниманию краткий «отчет о проделанной работе».

Модель №1

Разработал и изготовил я её примерно в 1969 г. ещё будучи школьником. Модель позволяла измерять только скорость велосипеда. В качестве датчика использовался специально изготовленный барабан, по которому скользила токосъемная щетка (конструкция похожа на коллектор электродвигателя постоянного тока). Датчик был установлен на втулке заднего колеса. Барабан содержал 32 контакта, т.е., за один оборот колеса формировалось 32 импульса, которые подавались на вход одновибратора, формирующего импульсы постоянной длительности, на выходе которого стояла интегрирующая цепочка и микроамперметр. Градуировка производилась по опорной частоте 50 Гц. Данная конструкция была установлена на велосипеде «Украина». Испытания показали работоспособность схемы. Я впервые увидел реальную скорость велосипеда! Однако в процессе эксплуатации выявился недостаток: из-за попадания грязи на датчик контактирование становилось неустойчивым, и стрелка микроамперметра совершала резкие броски. Было очевидно, что необходим принципиально другой датчик. Отмечу, что герконы тогда ещё были экзотикой. К решению этой задачи я вернулся через несколько лет.

Конечно, система геркон-магнит является идеальной для велосипеда. Однако в этом случае велокомпьютер измеряет период одного оборота колеса и, зная его длину окружности, вычисляет скорость по формуле:

V=L*3.6/T ,

где V (км/ч) – скорость велосипеда;

L (м) – длина окружности колеса;

T (с) – период одного оборота колеса.

Из формулы видно, что необходимо выполнять операцию деления, что легко реализуется только на базе микропроцессора. Для прямого расчета скорости нужно, чтобы на один оборот колеса формировалось хотя бы 20 импульсов. Тогда можно использовать принцип частотомера, т.е. подсчет количества импульсов за определенный период времени. Если период обновления информации на индикаторе сделать равным 1 с, то максимальная погрешность определения скорости составит около 0,5 км/ч. Такой датчик удалось реализовать на индукционном принципе. В качестве «головки» был применен капсюль от высокоомных головных телефонов типа «ТОН-1». Капсюль содержит разомкнутую магнитную систему с постоянным магнитом и катушку сопротивлением 1600 Ом. Металлическая мембрана была удалена. Если перед капсюлем перемещать пластинку (флажок) из ферромагнитного материала, то на выводах катушки формируется импульс амплитудой несколько десятков милливольт. Для обработки импульсов был использован формирователь на базе малопотребляющего операционного усилителя 140УД12. Вся эта конструкция была залита эпоксидкой и установлена на перо рамы около заднего переключателя. В качестве флажков были применены замыкающие пластины из трансформаторного железа подходящих размеров. Флажки закреплены на защитном диске. На один оборот колеса формировался 21 импульс. Этот вариант датчика оказался очень удачным. Он эксплуатировался более 10 лет и «пережил» несколько моделей велокомпьютеров.

Рис.1. Индукционный датчик. Хорошо видны флажки.

Модель №2

Модель №2 принципиально не отличалась от первой, только была собрана на более современной элементной базе. Один из приятелей увидев её, заметил, что хорошо бы измерять и пройденный путь. Была сделана модификация конструкции – установлен электромеханический счетчик, однако испытания показали низкую надежность работы этой системы.

Модель №3

 Было ясно, что нужно делать полностью электронный вариант. В качестве дисплея подходил только жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), который имеет низкое потребление и хорошую контрастность при дневном свете. Так появилась модель №3. (1981 г.) Она имела три функции: измерение мгновенной скорости, измерение дневного и общего пробега. Переключение режимов осуществлялось с помощью сенсорных контактов. Конструкция состояла из 5 печатных плат и содержала 43 микросхемы.

Рис.2. Многоплатная книжная конструкция. Некоторые микросхемы демонтированы.

Для неё был специально изготовлен фрезерованный алюминиевый корпус. Модель эксплуатировалась более 2-х лет и неплохо себя зарекомендовала.

Рис.3. Модель 3 на руле велосипеда

Модель №4

Модель №4 сконструирована в 1984 г. Основой стали карманные электронные часы с будильником. Дополнительно реализованы функции измерения мгновенной скорости, максимальной скорости, дневного и общего пробега. Устройство было собрано на 9 печатных платах и содержало 76 микросхем. Конструкция была помещена в тот же, слегка укороченный корпус, что и модель №3. Катался я с этой системой 3 сезона.

Рис.4. Модель 4 установлена на велосипеде "Спутник"

Рис.5. Модель 4. Вид с лицевой стороны. Скорость - 0, пробег - 10,95 км

Рис.6. Всемирный день туризма. Москва, парк им.Горького. 1985 г.

Осенью 1986 г. эта модель была украдена! Повторно изготовить подобную конструкцию не было ни сил, ни желания. Однако привычка ездить с компьютером заставила придумать что-нибудь попроще. Так появились промежуточные модели.

Модель №5

  Модель №5 (1987 г.) была собрана на базе микрокалькулятора. В него был добавлен делитель частоты для согласования с индукционным датчиком. Измерялся только пройденный путь. Поездил я с этой конструкцией три сезона.

 Модель №6

Модель №6 (1990 г.) была реализована на базе электронного шагомера. Как обычно, в него был дополнительно установлен согласующий делитель частоты. Измерялся дневной пробег, общий пробег, пробег за предыдущий день и количество ходовых дней.

Рис.7. Модель на базе шагомера

В это же время один из энтузиастов-самодельщиков предложил мне изготовить приборную панель для опытного образца «солнцемобиля». В комплект приборов входили путевой компьютер, система контроля работы аккумуляторов и солнечных батарей, часы. Этот солнцемобиль участвовал в ралли по Швейцарии.

Рис.8. Общий вид солнцемобиля

Рис.9. Приборная панель солнцемобиля

Модель №7

Следующую модель по полному праву можно назвать велокомпьютером. Начало разработки относится к 1991 г. Тогда мне удалось заинтересовать этой темой директора одного из тогдашних кооперативов. Он обещал финансовую поддержку работы.

В качестве основы был выбрана единственная на тот момент однокристальная КМОП микроЭВМ КБ1013ВЕ1, способная непосредственно управлять жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ). Эта микроЭВМ использовалась (если кто помнит) в известной электронная игре «Ну, погоди!», в которой Волк ловит в корзинку падающие яйца. Запись управляющей программы в эту микроЭВМ осуществлялась на этапе изготовления микросхемы.

Велокомпьютер содержал следующие узлы:

1. МикроЭВМ с заказной управляющей программой;

2. Заказной ЖКИ;

3. Печатная плата;

4. Корпус с клавиатурой.

Рис.10. Компоненты модели 7

Было составлено подробнейшее техническое задание, в котором описаны алгоритм обработки сигналов с герконового датчика, схема подключения микроЭВМ к клавиатуре и индикатору, все возможные показания индикатора в разных режимах работы, функционирование клавиатуры и т.д. Особенностью микроЭВМ являлась низкая тактовая частота (32768 Гц), что могло приводить к пропуску импульсов от датчика вращения колеса. Алгоритм обработки предусматривал фиксацию первого импульса от датчика, запуск таймера, некоторое время на инкремент счетчиков, выполнение операции деления, затем — ожидание следующего импульса от датчика, далее — продолжение операции деления, обновление индикации и т.д.

Это ТЗ было направлено на одно из предприятий электронной промышленности. Дополнительно был изготовлен стенд, эмулирующий работу датчика и ЖКИ. Через несколько месяцев работы и многочисленных поездок на эту фирму была, наконец, готова опытная партия кристаллов. На другом предприятии был размещен заказ на разработку и изготовление опытной партии специализированных ЖКИ.

Когда эти компоненты были получены, был собран макет, и начались испытания. Практически сразу была обнаружена ошибка в управляющей программе микроЭВМ: индицировалась несколько завышенная скорость, причем это завышение было нелинейным. После анализа было установлено, что учитывался лишний оборот колеса. Ошибка была исправлена, изготовлена вторая опытная партия кристаллов. На это дело ушло ещё 3 месяца.

Были изготовлены прототипы корпусов. В одном из таких корпусов был собран макет для проведения ходовых испытаний.

Рис 11. Прототип корпуса (слева) и макет для ходовых испытаний (справа)

В это время мой велосипед представлял из себя забавное зрелище: на руле стояли две модели компьютеров со своими датчиками. Так я с ними и ездил, сравнивая их показания. Испытания выявили некоторые незначительные недостатки компьютера, в основном, замедленную реакцию на нажатие кнопок. В целом же устройство работало правильно.

Тем временем велись поиски предприятия, способного разработать и изготовить герметичный элегантный корпус компьютера. Велись переговоры с часовыми заводами, с предприятиями, производящими микрокалькуляторы. Потенциальных разработчиков пугало требование герметичности при наличии в корпусе нескольких кнопок, слышались сетования на сложность пресс-формы, на отсутствие хорошей пластмассы и т.д.

На эти переговоры ушло полгода. Начинался новый велосезон. И здесь мой спонсор прекратил финансирование. Пришлось распрощаться с мечтой сделать нормальный русский велокомпьютер. На память об этой работе у меня остались комплекты деталей, разные макеты и несколько папок с документацией.

Октябрь 2008 г.