Стельки с подогревом и ДУ

Автор: SSMix
Опубликовано 21.09.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

В статье описывается способ изготовления (или модернизации покупных) стелек с подогревом и дополнением их радиоуправлением с пульта.

На сайте Aliexpress есть большой выбор стелек для обуви с подогревом, питающихся как от USB, так и от аккумуляторов. Последний вариант более мобилен, т.к. позволяет в холодное время года сохранять ноги в тепле на улице. Аккумуляторы вкладываются в карман сумочек, которые крепятся к лодыжкам. Стельки подсоединяются к аккумуляторам при помощи разъёмов. Стоимость подобных стелек начинается от нескольких $.
Вот такие стельки были приобретены на распродаже в ноябре 2019 года за 13.57$.

Рассчитаны они на напряжение 3,7В, в комплекте были аккумуляторы на 2000мАч и блок питания для их зарядки на 5В 1200 мА.
На поверку, несмотря на значительную цену 16,57 $ (до распродажи), вещь оказалась обычным китайским фуфлом. Нет, стельки, конечно грели, правда не очень сильно и только в средней части. Зимой при нулевой температуре на улице стоял в них на автостанции 40 минут в ожидании автобуса. Ощущение двоякое. С одной стороны, вроде ощущается тепло в сапогах, но пальцы мёрзнут, и приходилось как-то двигаться, чтобы не замёрзнуть. Войдя в переполненный автобус, стоя отключить стельки уже возможности нет, выходит заряд аккумулятора расходуется зря, так что по прибытию в пункт назначения имеем разряженные аккумуляторы. Никакой защиты от разряда в них не предусмотрено. Во всяком случае платы контроллера под чёрной оболочкой не прощупывается. Протестированная ёмкость аккумуляторов составила 1720 и 1750 мАч. При токе потребления порядка 0,6А их должно хватить на 2,8 часа.
Стельки склеены из двух слоёв, между которыми имеется ткань белого цвета, прошитая высокоомной проволокой. Размеры такого "нагревателя" примерно 170х30мм. Вот фото этих стелек с сайта Aliexpress одного из покупателей в отзывах, сделанное тепловизором:

Видно, что обещанных 50°С нет, и это при +19°С. При небольшом морозе в несколько градусов нагрев от таких стелек практически не ощущается.
Первой доработкой этих стелек была установка кнопок для оперативного управления нагревом. Так вот, поскольку по положению кнопок определить в каком они находятся состоянии невозможно, приходилось полагаться на тепловые ощущения. При -2°С понять греют они или нет, щелкая кнопкой, было не возможно.
С зарядкой экономные (или скупые?) китайцы учудили нечто странное (страшное?), что для них совсем и не удивительно. Зная их склонность к скупердяйству, когда в качестве контроллера зарядки литиевых аккумуляторов во многих устройствах используется последовательно включенные диод с резистором, и всё это подключается к 5-вольтовому блоку зарядки, в результате чего имеем вздувшийся аккумулятор после первой же зарядки, данный блок питания был вскрыт. По печатной плате была нарисована схема:

Как видно, никакого контроллера зарядки нет и в помине - есть только индикация двухцветным светодиодом тока нагрузки, на что китайцы не пожалели дополнительную микросхему сдвоенного ОУ LM358! Два её ОУ использованы в качестве компараторов, сравнивающих опорное напряжение около 25 мВ с резистивного делителя с падением напряжения на R9. Порог переключения с красного на зелёный светодиод составляет 0,025 В / 0,2 Ω = 0,125А.
Еще теплилась надежда, что контроллер зарядки спрятан в штекере, но нет, звонится напрямую. В самих аккумуляторах на ощупь - ничего. При постановке аккумуляторов на заряд они соединяются параллельно к заряднику 5В!!! При подключении аккумулятора напряжение на выходе зарядника проседает до 4,7В. Благодаря очень тоненьким проводкам на аккумуляторах напряжение становится чуть меньше, но конечное напряжение будет стремиться к 5В, вместо 4,2В. Может китайцы изобрели какую-то новую схему отсечки зарядки и встроили её в сам аккумулятор? Вряд ли.
Поэтому в разрыв зарядного кабеля были запаяны по модулю зарядки на TP4056.

Ток в каждом модуле был задан резистором R3 по 0,5 А (сопротивление увеличено с 1,2кОм до 2,4 кОм), т.к. зарядка более 1 А не выдаёт, и то при этом напряжение на выходе проседает с 5,3 до 4,1 В.
Следующая доработка коснулась самих стелек. Возникла идея добавить ещё по нагревательному элементу в область носка в каждую стельку. Сначала была изготовлена платка из тонкого стеклотекстолита, на которую были запаяны SMD-резисторы типоразмера 0603. Дополнительные нагреватели были подключены параллельно штатным, но идея потерпела фиаско. Нет, нагрев увеличился, и пальцам было тепло какое-то время, но поскольку в движении происходил изгиб платы, керамическое основание SMD-резисторов не выдерживало, трескалось и цепочки резисторов обрывались одна за другой.
Тогда на том же Aliexpress были заказаны отдельные нагревательные элементы "из углеродного волокна" (из такого же углеродного волокна по описанию и должны были быть купленные ранее сами стельки, но китайцы наобещать и написать могут что угодно, например, что стельки имеют "интеллектуальный термостат"):

Изготовлено сие изделие весьма примитивно сарайно-кустарным способом. На токопроводящий материал с одной стороны наложены по краям по две медные полоски из фольги и всё это дело заламинировано, предварительно пробив в плёнке отверстия для подпайки проводов напротив медных полосок. Омическое сопротивление такого нагревателя не постоянно, составляет около 7...8 Ом и очень сильно зависит от степени надавливания на фольгу. Очевидно, что при такой "технологии" изготовления контакт с токопроводящим волокном оставляет желать лучшего. Если в исходном состоянии потребляемый ток нагревательной пластины от 4В составлял около 0,5 А, то при помещении её в стельку под действием веса человека прижим медной полоски к волокну становился сильнее и ток потребления возрастал до 1А !
В движении потребляемый ток получался плавающим в значительных пределах. Один из нагревателей был разобран с целью доработки для улучшения контакта, но токопроводящее волокно расслоилось и частично осталось на обеих половинках плёнки.
Поэтому нагревательные элементы из углеродного волокна были оставлены в покое и было решено сделать дополнительный нагреватель носков из высокоомной проволоки. Только где её проще всего достать, да ещё такую, которая бы легко паялась? Из проволочного резистора! Для этого был использован проволочный 5-ваттный зелёный резистор KNP (Royal) номиналом 10 Ом:

Аккуратно соскоблив с одного торца зелёный герметик, был найден конец провода, потянув за который последний легко сматывается, после чего очищается от прилипших частичек герметика. В результате имеем отрезок искомого высокоомного провода сопротивлением 10 Ом, который легко залуживается и паяется. При напряжении 4В рассеиваемая мощность составит 4*4/10=1,6Вт.
Далее этот провод укладывается на липкий слой скотча в форме носка стельки, заклеивается сверху вторым куском скотча, оставив снаружи выводы под пайку, и в результате имеем такой нагреватель:

Подпаивается он параллельно основному в стельке. Со второй стелькой проделываем то же самое. В результате имеем умощнённые стельки с сопротивлением около 3,5 Ом, и потребляющие ток порядка 1-1,2 А от аккумулятора.
При изготовлении собственных стелек покупаются обычные 2 пары, изготавливается нагреватель по вышеописанной технологии на всю площадь стелек, и укладывается между стельками, можно и приклеить.
Теперь, что касается удобства использования. На Aliexpress имеются в продаже стельки с радиопультом и даже есть с регулировкой температуры, стоимость их начинается от 20$:

Внутри встроен аккумулятор, в результате толщина стельки в районе пятки составляет не менее 12 мм, что довольно не удобно и не в каждую обувь такую стельку вставишь. к тому же давить всем весом на нежный и легковоспламеняющийся литиевый аккумулятор не комфортно психологически.
Но идея с пультом толковая. Пультом можно легко управлять нагревом стелек даже в переполненном транспорте, лишь бы была возможность засунуть руку в карман с пультом.
На том же Aliexpress есть готовые пульты с приёмниками, работающие на частотах 315 и 433 Мгц. Пульты как правило собраны на основе микросхемы PT2262, а приёмная часть на PT2272:

Есть также более продвинутые обучаемые приёмные модули, работающие с пультами на основе разных микросхем:

К их достоинствам следует отнести приёмную часть, выполненную на микросхеме с кварцем без использования катушек индуктивности, что обеспечивает хорошую термостабильность и отсутствие необходимости регулировки.
С целью миниатюризации конструкции был выбран самый миниатюрный четырёхканальный
обучаемый модуль приёмника TYJM01A-K на частоту 433 МГц, имеющий габаритные размеры 18.8x14.8x5мм:

Модуль имеет следующие параметры (указаны на сайте продавца):
- Рабочее напряжение: 2 ~ 5,5 В
- Рабочий ток:
2.8мА (315 МГц)
3.5мА (433 МГц)
- Метод модуляции: ASK/00 K
- Чувствительность приемника:-108 дБм
- Скорость передачи данных: до 10 КПБ
- Возможность привода на порт ввода-вывода: <= 20 мА
- Диапазон рабочих температур:-40 ~ 85 градусов Цельсия
- Поддерживаемые чипы чипов фиксированного кода: EV1527, PT2262, HX2262, SC2260, SC5211, HS2240 и т. д.
- четыре режима работы: L4, T4, M4 и H4
- 4 выхода, светодиодный индикатор обучения.
Пульт был выбран также четырёхканальный, обучаемый, малогабаритный с размерами 55 мм x 28 мм x 14 мм:

4 кнопки управления пульта было решено задействовать следующим образом:
А - нагрев на 1/3 мощности;
B - нагрев на 2/3 мощности;
D - нагрев на полную мощность;
C - выключено.
Для сопряжения модуля приёмника со стельками была разработана плата управления на микроконтроллере ATtiny13A (DD1) и ключом на полевом транзисторе IRLML6244 (VT2), коммутирующем подачу питания с аккумулятора на стельку:

Т.к. расположение платы управления предполагалось на лодыжке (в носке), реализован виброотклик на выполнение команд с пульта:
A - 1 короткий сигнал (нагрев на 1/3 мощности);
B - 2 коротких сигнала (нагрев на 2/3 мощности);
D - 3 коротких сигнала (нагрев на полную мощность);
C - 1 длинный сигнал (выключено).
Так незаметно для окружающих можно понять, в какой режим переключается устройство. Вибромоторчик использован от неисправного мобильника. Ток потребления порядка 100 мА. Управление через VT1 IRLML6244.
Также на микроконтроллер возложена задача контролировать напряжение аккумулятора (делитель R8, R9) и отключать нагрев при его снижении до 3 В. При этом происходит подача 1 длинного вибросигнала.
На силовую часть схемы напряжение с аккумулятора подаётся через самовосстанавливающийся предохранитель FU1 3А, 6В, поскольку надежды на то, что в аккумулятор встроена какая-либо защита не было.
Порт PB5 (RESET) микроконтроллера решено было не трогать, т.к. при активировании фьюза RSTDISBL пропала бы возможность оперативной заливки прошивки через разъём X1. Через этот же разъём подключается и кнопка для обучения модуля приёмника через развязывающий диод VD4. В рабочем режиме и при программировании микроконтроллера этот диод закрыт и не влияет на работу схемы.
Оставшиеся свободные 2 порта PB0 и PB1 задействованы для подачи сигналов управления с приёмного модуля TYJM01A-K. Для этого 4 управляющих сигнала кодируются в 2 при помощи резисторов R5...R7 и диодной сборки VD1. Выходы D1 и D3 подключены к портам PB0 и PB1 соответственно через ограничительные резисторы R5 и R7. Режим работы модуля TYJM01A-K задан L4 (4 зависимых канала с фиксацией), т.е. если включается один выход, все другие выключаются. Поэтому на выходах модуля всегда присутствует только один сигнал (до подачи первой команды после включения питания все выходы в нулевом состоянии). Сигналы D1 и D3 подаются напрямую на порты PB0 и PB1. Сигнал D2 подаёт лог.1 сразу на оба порта через диоды VD1. Резисторы R5 и R7 имеют по сравнению с R6 большое сопротивление и, несмотря на логические нули на D1 и D3, на PB0 и PB1 присутствуют логические сигналы высокого уровня.
Команда D0 в схеме не задействована, т.к. при появлении на D0 сигнала на D1, D2 и D3 появляются лог. нули, и на портах PB0 и PB1 также возникают лог. нули.
Ниже схемы размещена таблица логических сигналов, поясняющая принцип кодирования.
Светодиоды HL1...HL4 разных цветов помогают визуально оценить режим работы устройства, а также оказывают ощутимую помощь в процессе программирования приёмного модуля TYJM01A-K.
Сам процесс программирования был любезно предоставлен продавцом-китайцем.
Производится программирование в два этапа. Кнопку программирования необходимо подключить между выводами VT и GND модуля.
Вначале необходимо записать в модуль фиксированный код пульта радиоуправления.
Для этого необходимо кратковременно нажать кнопку обучения, и в течение 6 секунд нажать и удерживать любую кнопку на пульте не менее 3 секунд, пока светодиодный индикатор изучения на модуле не мигнёт 2 раза. Через 6 секунд происходит автоматический выход из режима обучения. Проверить работу модуля приёмника можно тут же, нажимая по очереди 4 кнопки на пульте. По умолчанию модуль приёмника включен в режим М4, т.е. на выходе соответствующего канала лог.1 появляется только тогда, пока нажата кнопка на пульте.
Для перевода модуля приёмника в необходимый режим L4 (с фиксацией) необходимо нажать и удерживать кнопку обучения не менее 0,5 секунд. После отпускания кнопки индикатор мигнёт 2 раза. Теперь в течение 6 секунд необходимо ввести код режима работы, нажав кнопку обучения соответствующее число раз. Для режима L4 это 4 раза. После необходимо снова нажать и удерживать кнопку обучения не менее 0,5 секунд. После отпускания кнопки индикатор мигнёт 2 раза и модуль приёмника перейдёт в рабочий режим L4. Для программирования модуля приёмника TYJM01A-K не обязательно впаивать его в схему, можно спаять кнопку и светодиоды на штырьковом разъёме, чтобы не паять контактные площадки модуля. В случае проблем можно будет открыть спор и вернуть деньги.
Для монтажа схема управления стельками была разработана односторонняя печатная плата:

размеры платы составили 25х32 мм.
Модуль приёмника TYJM01A-K запаивается на плату отрезками провода. В качестве антенны используется кусок изолированного провода. Длина решающей роли не играет, т.к. расстояние от кармана до обуви около 1 метра, а чувствительность приёмника довольно высокая.

Перечень элементов для сборки 1 платы:

C1 = 0,1 (0805)
C2 = 10,0х10В (Танталовый корпус A)
C3 = 1000pF (0805)
C4 = 10,0х10В (Танталовый корпус A)

DD1 = ATtiny13A-SSUTR (SOIC-8)

FU1 = 3A, 6V (1206)

HL1 = Зелёный (0603)
HL2 = Жёлтый (0603)
HL3 = Красный (0603)
HL4 = Оранжевый (0603)
HL5 = Красный (0603)

M1 = Вибромотор

R1 = 47к (0603)
R2 = 22к (0603)
R3 = 47к (0603)
R4 = 22к (0603)
R5 = 47к (0603)
R6 = 1к (0603)
R7 = 47к (0603)
R8 = 3M (0805)
R9 = 1M (0805)
R10 = 47к (0603)
R11 = 560 (0603)
R12 = 560 (0603)
R13 = 22 (0805)
R14 = 100 (MF-12)
R15 = 560 (0805)
R16 = 560 (0603)
R17 = 22 (0603)
R18 = 100к (1206)
R19 = 47к (1206)

VD1 = BAW56 (SOT-23-3)
VD2 = 1N4148 (0805)
VD3 = BAT54C (SOT-23-3)
VD4 = MBR0540 (SOD-123)

VT1 = IRLML6244 (SOT-23)
VT2 = IRLML6244 (SOT-23)

X1 = NX 1,25-6 (Шаг 1,25мм)
X2 = (DC штекер 3,5x1,4)

Перемычки 1206 - 3 шт.

Вибромоторчик крепится на плату при помощи термоклея.
После монтажа и проверки схемы плата помещается в прозрачную (для визуального контроля светодиодов) термоусадочную трубку подходящего диаметра и прогревается для её усадки.

Программа для микроконтроллера была написана на языке Си в среде разработки WinAVR-20100110.
Микроконтроллер работает на тактовой частоте 128 кГц от внутреннего гненератора.
Фьюзы МК:
CKDIV8=1 (выключен внутренний делитель частоты на 8),
CKSEL[1:0] = 11 (Internal 128 kHz Oscillator)
SUT[1:0] = 10 (Slowly rising power)
BODLEVEL[10]=10 (Ureset<1,8В)
("0"-галочки установлены)
Регулировка мощности нагрева осуществляется ШИМ-модуляцией с периодом 3 секунды, т.е. в режиме A: 1 сек нагрев, 2 секунды пауза, в режиме B: 2 сек нагрев, 1 секунда пауза, в режиме D нагрев постоянный. Светодиод HL5 позволяет визуально наблюдать режим работы нагревателя.
Испытания устройства показали надёжность его работы и удобство использования. По сравнению с исходным китайским вариантом всё равно как пересесть с Запорожца на Мерседес. Появился нагрев в области пальцев. Пультом можно в любой момент задать нужный режим работы даже в переполненном транспорте. Для крепления аккумуляторов штатный китайский матерчатый крепёж с карманом на лодыжку не использовался из-за его тугой резинки. Вместо этого на аккумулятор скотчем был прикреплён отрезок одножильного провода, согнутого в виде крючка, и сам аккумулятор вешался на наружный край сапога (под штаниной его всё равно не видно). Плата управления помещалась под верхний край носка для тактильного контакта с вибромотором.

В режиме 2 продолжительность работы от одной зарядки аккумулятора ёмкостью 2000 мАч составила 1 ч 50 мин. При полном нагреве - около 1ч 10 мин.

Файлы:
KNP (Royal)
Плата
Исходник

Все вопросы в Форум.