Если Вы купили что-то, и на этом нет надписи «Сделано в Китае», значит, Вы купили подделку.
Мои читатели будут несколько удивлены, что я решил похвалить не свою разработку, но куда деваться… Купил я недавно в «Смешных ценах» (ну это в девичестве, теперь они серьезная организация и называются «Fix Price») забавную игрушку «Летающий шар со светом», многочисленные ссылки в Интернете Вы найдете самостоятельно.
Поиграл с ней минут двадцать и одолело меня желание узнать, что у девайса внутри, проистекающее из двух источников:
- Я инженер и мне интересно, как такая игрушка устроена (вернее, я уже догадываюсь, как она устроена и хотел бы проверить свои догадки);
- Я в прошлом предприниматель и мне интересно, как китайцам (я не написал, что игрушка изготовлена в КНР, но это вроде как совершенно очевидно) удается делать такие вещи за совсем небольшие деньги. Совсем забыл сказать, сколько такая игрушка стоит — я ее купил за 199 рублей, менее трех долларов, Карл.
Поскольку я один, а источников желания два, долго противиться я не смог и полез за отверткой.
ВНИМАНИЕ: поскольку в игрушке имеется (скорее всего, литиевый) аккумулятор, не снабженный платой защиты (я ее не заметил), любые манипуляции, могущие привести к короткому замыканию либо перезаряду оного, читатель проводит на свой страх и риск. Аккумулятор, конечно, маленький и к катастрофе мы прийти не должны, но кто знает. В любом случае защитные очки весьма настоятельно рекомендуются.
Поверхностный взгляд
Разбираем корпус и в руках у нас оказываются внутренности «чуда техники», так что мы можем наблюдать аккумулятор, двигатель с приводом на пластмассовых шестеренках, ось (две штуки) с пропеллерами и механизмом стабилизации плоскости вращения (ну это я так думаю, что фиговина над пропеллерами именно этим и занимается) и, самое главное, плату управления всем этим богатством. На плате наблюдаем микросхему с 8 ножками (я угадал, есть МК, но как-то ножек маловато, не хватит для управления шестью светодиодами), микросхему с 5 ножками (хм) и микросхему с 3 ножками (я угадал, это транзистор включения двигателя). Кроме того, имеем дискреты в виде выключателя питания, ИК излучателя, ИК приемника, разъема зарядки, 6 больших и 1 маленького светодиода, а также рассыпухи — кондеры и резисторы.
Аккумулятор
Измеряю напряжение на аккумуляторе, благо проводки доступны, и наблюдаю 3.74В (наверное, литий), подключаю зарядный кабель и напряжение повышается до 4.18В (точно литий).
Вроде все понятно, тогда микросхема с 5 ногами — просто контроллер зарядного устройства (что-то вроде 4054) и маленький светодиод сигнализирует о процессе зарядки. Тогда к ноге 5 должен быть подключен резистор задания тока зарядки, измеряю его номинал — 2к3, что соответствует току в 400 мА, полная зарядка (до погасания светодиода) проводится за 15 минут. Рассчитываем емкость аккумулятора, получаем 0.4А*15мин/(60мин/ч)=100мАч.
Проверим полученную емкость методом разряда, для чего измерим разрядный ток. Поскольку паять не хочется, включаю амперметр вместо выключателя, шунтируя его контакты. Светодиоды (все шесть) загорелись, пошел ток 52 мА, через 2 секунд заработал двигатель винтокрылой машина и ток… упал и стал 44 мА. Фигня какая то, а не измерение, не может подключение двигателя уменьшать ток при том, что все светодиоды продолжают работать.
Так не бывает, но ведь есть
Измеряю напряжение на аккумуляторе и вижу, что при работающем двигателе оно падает с 4.1 В до 3.8 В. Ага, у аккумулятора просто большое выходное сопротивление, что объясняет снижение тока через выключатель, а ток двигателя (судя по падению, значительный) идет в обход амперметра. И точно, плюсовый провод двигателя прибит к плюсу аккумулятора, а в минусовом стоит трехногая микросхема — полевой транзистор. Данное решение позволяет исключить протекание значительного тока двигателя через слабые контакты выключателя, но приводит к определенным неудобствам, о чем далее. Не включая игрушки, подсоединяю амперметр между стоком и истоком, двигатель закрутился, пусковой ток 1.4 А, устоявшийся режим — 1.1 А. Тогда емкость аккумулятора 1.1А*6минут/(60минут/час)=110мАч — сходится с ранее рассчитанной.
Параметры мотора определяем косвенно — 2.8В*1.1А=3Вт (желающие могут перевести в лошадиные силы) — совсем неплохо для подобной крохотульки. Почему таких не было, когда я в детстве ходил в авиамодельный кружок. При работе двигатель ощутимо греется, но градусов не более, чем до 35-40. Интересно было бы определить тип двигателя, я ничего придумать не могу, кроме коллекторного, но это оставим на потом, разборка движка, скорее всего, будет необратимой процедурой.
Наружу корпуса из платы смотрят девайс с 3 ногами и фиговина с 2. Поскольку фиговина окружена трубкой, формирующей диаграмму направленности, это датчик ИК диапазона. Тогда девайс с 3 ногами — светодиод подсветки, тоже ИК диапазона. Проследим дорожки и обнаруживаем, что девайс прибит к земле и ножке МК, а фиговина — к земле и питанию, значит, мы ошиблись. Странно как-то, именно при поднесении пальца к трубке повышаются обороты двигателя, но, наверное, это боковая засветка.
Самое интересное
Остался один загадочный элемент — микросхема с 8 ногами, то есть с функциональной точки зрения вопросов нет — это управление двигателем, но на чем именно оно реализовано, пока неясно. Какие функции он должен реализовывать:
- Начальная задержка ~2 секунды после подачи питания;
- Изменение скорости вращения путем управления транзистором — ШИМ модуляция с изменяемой скважностью;
- Прием сигнала от датчика наличия препятствий;
- Контроль напряжения аккумулятора с целью исключения переразряда;
- (last, but not least) отключение двигателя при попадании лопастей в препятствие.
Кстати, какие китайцы молодцы с точки зрения безопасности — защита двигателя есть, защита рук есть — лопасти из мягкого пластика, защита конструкции есть — крепление лопастей с отстегиванием при механической перегрузке. Все, что можно было придумать для удобства использования, придумано, остается только завидовать предусмотрительности разработчиков (ну или богатому опыту травм и разрушений, тогда завидовать не стоит).
Вроде есть еще одна функция, но это не точно:
6) адаптивная коррекция системы управления, поскольку сразу после пуска вертолетик совершает значительные колебания по высоте, но со временем их амплитуда уменьшается и он начинает держать почти стабильное расстояние до уровня земли. Если его опять выключить и включить, то процесс повторяется, так что это не следствие разрядки аккумулятора.
Вернемся к управляющему элементу и прикинем возможные реализации.
- Каждую функцию, в принципе, можно реализовать на таймере типа 555, но все сразу на одном корпусе — я точно не смогу, так что вряд ли.
- На микросхеме вроде счетверенного ОУ 324 можно, наверное, реализовать все функции сразу, но тут явно другой корпус.
- Заказная или полузаказная аналоговая микросхема в устройстве за 3 доллара — это не смешно.
- А вот МК вполне справится со всеми перечисленными задачами, это основная версия, предыдущие были призваны скорее продемонстрировать мой широкий технический кругозор.
Какие ресурсы потребуются от МК для реализации перечисленных функций:
- Таймер (желательно с режимом ШИМ) для управления мотором;
- Компаратор (лучше АЦП, но можно и без него) для контроля перегрузки двигателя;
- Компаратор (опять-таки можно АЦП) для контроля ИК датчика;
- Компаратор (можно использовать BOD) для контроля питания;
- 4 либо 3 свободные ноги для подключения перечисленного;
- Оперативная память — 8 регистров будет достаточно, если взять еще ячеек 16, то больше и не придумать зачем;
- Память программ — 1КБ флэш должно хватить на все и с запасом.
Наверное, в наше время труднее найти МК, не имеющий перечисленных ресурсов, чем удовлетворяющий заявленным требованиям. Исходя из корпуса, это может быть STM8, PIC, Tiny, MSP430 и так далее. Но я ставлю на относительно новые МК тайваньской фирмы Padauk, которые имеют все необходимые ресурсы, но отличаются от перечисленных конкурентов невероятной ценой — 3 цента в партии 300 штук. Для наших широт эти МК представляются экзотикой, но для производителей из страны, расположенной южнее — почему бы и нет.
Маркировка на корпусе прибора старательно удалена, но у нас есть косвенные свидетельства. Дело в том, что МК указанной фирмы имеют специфическое расположение питания — 1 и 8 нога (как было на 555, что намекает ...) в противовес классическому 4 и 8, так что нам надо только прозвонить цепи питания. Ну и потом убедиться, что все необходимые сигналы тоже заведены на выводы, которые можно идентифицировать как порты общего назначения. Насчет интервального таймера я погорячился, у него цоколевка питания обратна МК, так что прямая замена невозможна, хотя я не понимаю, а почему именно так.
Небольшие придирки и нападки
Пнп: в процессе дальнейшего изучения схемы проявился неожиданный (и даже несколько пугающий) эффект — при поиске (при помощи прозвонки авометром) ноги МК, связанной с затвором транзистора управления двигателем, последний неожиданно запустился — я бы порекомендовал своим китайским коллегам уменьшить номинал запирающего резистора между затвором и землей (сейчас 27к) для исключения подобных ситуаций (если это не есть часть защиты от реверс-инжиниринга).
Ну и еще одно замечание — даже если МК принимает решение об остановке двигателя и переходит в режим ожидания выключения, то светодиоды продолжают светиться и будут разряжать аккумулятор. Конечно, ток совсем не тот, как при работе, но все равно значительный (десятки миллиампер) и вполне способен переразрядить аккумулятор. Мне удалось высадить аккумулятор до 2.78 и напряжение продолжало падать со скоростью сотка в 2 секунды.
Я бы добавил еще один транзистор включения земли светодиодов либо посадил их прямо на ножки МК, тем более что три свободных осталось.
А вот и результаты прозвонки (в скобках функция ноги у МК типа PMS15A):
- Датчик ИК излучения подключен к ноге 4 ();
- Затвор транзистора подключен к ноге 6 ();
- Исток транзистора через резистор подключен к ноге 5 ().
- Земля и питание подключены к ногам 8 и 5 соответственно.
Никаких противоречий мы не обнаружили, так что вполне можно считать МК отождествленным с PS15 фирмы Padauk, у него имеется 64 байта оперативки, 0.5 кБ однократной памяти программ, 8-разрядный таймер с ШИМ, компаратор и BOD (здесь он называется LVR) на 2.7В (поскольку выключение двигателя при разрядке происходит, когда синий светодиод погасает, очень похоже). Да, это может быть и PMS150C, но в нем слишком много памяти программ, целый килобайт для такой простой задачи.
Собственно, на этом инженерная сторона любопытства удовлетворена, можно нарисовать схему устройства, но лениво, да и незачем — производить их я все равно не собираюсь, а почему именно — станет ясным после удовлетворения претензий предпринимательской части. Давайте прикинем, во что нам обойдется эквивалентная начинка, имеется в виду только электронная часть, без конструктива.
А не посчитать ли нам, состоятельные кроты?
Аккумулятор — на Али (искать на отечественных ресурсах смысла просто не вижу) есть что-то похожее на наш случай, емкость несколько повыше (250 мАч) и снабжен платой защиты — стоимостью 35+ рублей (здесь и далее цены я буду давать в твердой валюте энергетической сверхдержавы, а не в не имеющих ценности непонятных зеленых бумажках страны, которая с минуты на минуту потерпит окончательный крах).
Двигатель (ой, я совсем забыл его разобрать, но кроме коллекторного двигателя никто адекватно не отреагирует на изменение напряжения путем ШИМ модуляции, хотя я видел разные мнения на этот счет) — на Али (смотри примечание выше) обнаружен за 20+ рублей.
Плата управления:
- 4054 я решил посмотреть в Платане и был несколько удивлен, когда его цена оказалась никак не выше цен на ChipFind. Я как-то привык, что цену Платана надо делить на 2 и рад, что ошибся. Хотя ценовая политика данного поставщика меня несколько озадачивает: мы можем заказать прибор по цене 22 от 20 штук, можем купить из наличия по 39 от 10 штук, либо купить из наличия по 40 от 86 штук либо ждать 2 недели закупки по 130 от 1. Конечно, у меня нет компании такого масштаба, как Платан, но нормальным подобное предложение я назвать не могу. Ну и на Али он стоит 200 рублей за 50 штук. Итоговая стоимость 22 (Платан)/2.5(Али).
- МК — наверное самый недорогой компонент — 2 рубля, до сих пор не могу поверить в эту цифру. Хотя стоимость владения окажется несколько выше — надо добавить расходы на пайку, тогда он окажется все-таки дороже транзистора.
- ИК излучатель (TSAL6100) — 6/6 .
- ИК приемник (входит в набор за 6 рублей) — /3 .
- транзистор 20В,2А (n327) 5/4.
- 6 ярких светодиодов 3 цветов (HL3010) 2/0.2*6 = 12/1.2.
- резисторы и конденсаторы типоразмера 0603 всего 16 штук 0.3/0.2 *16 = 4.8/3.2 .
- выключатель (3/0.4) / разъем питания (8/8) / и кабель питания /8 .
- плата печатная площадью (ДПП+М+2Ш) 0.4дм*0.2дм=0.08 * 170(Резонит)/ = 13/ .
- монтаж платы 5+8+3+2+3+6*2+25*2+3+3=88 точек пайки *0.5 = 44.
Итого получаем 189/153 рублей (конечно, подсчет нельзя назвать абсолютно точным, но погрешность я оцениваю процентов в 30) и вывод неутешительный — только электроника отнимет у нас почти всю продажную цену, а осталась вся конструкция, логистика, прибыль производителя, прибыль продавца и налоги, так что шансы сделать такой вертолет за такую цену у нас отличаются от нуля на пренебрежимо малую величину.
Ну и последнее замечание: именно этот шар продается на Али за 206 рублей с пультом ДУ и с пересылкой за 250 рублей, аналогичный продукт (чуть с другим корпусом, в виде вертолета либо чертика, а не шара) продается там же 350+ рублей, что как-то странно. В общем, мне, наверное, просто повезло с покупкой, что косвенно подтверждается поведением моей супруги, которая на следующий день купила еще три экземпляра данной игрушки — по одной каждому внуку и внучке, а она не склонна покупать всякую фигню по завышенным ценам.
Общий вывод из выше написанного будет несколько неожиданным:
Боже, благослови Китай (ну и Америку заодно).
P.S. Прилагаю фотографию, по которой я (безуспешно) пытался восстановить схему, может, пригодится:
Комментарии (21)
kaSKAdik
04.06.2019 10:43Собственно, на этом инженерная сторона любопытства удовлетворена, можно нарисовать схему устройства, но лениво, да и незачем — производить их я все равно не собираюсь, а почему именно — станет ясным после удовлетворения претензий предпринимательской части.
Без схемы тяжко. Наверняка, вы рисовали схему на бумажке? Можно было бы скан приложить.
Ну и на Али он стоит 200 рублей за 50 штук. Итоговая стоимость 22 (Платан)/2.5(Али).
Тогда на Али по 4, а не по 2,5.
osipov_dv
04.06.2019 11:28Калькуляция странная, на производстве не по розничным ценам будут брать. Но в целом порядок стоимости компонентов впечатляет.
vitmeat
04.06.2019 12:27еще бы фоточку к каждому разделу, и было бы вообще красиво, красивая научпоп статейка =)
(З.Ы. а комменты я прочитать забыл)
wilderwind
04.06.2019 20:15+1фиговина над пропеллерами
Вы правы, это флайбар. Примитивный гироскоп. Есть ещё механизм Белла-Хиллера, это посложнее, и дальше уже автомат перекоса, как на настоящих вертолётах.
Соосная схема в игрушках — крайне простая, роторы противоположного вращения компенсируют моменты друг друга, флайбар добавляет устойчивости благодаря гироскопическому эффекту, в результате остаётся только передать им вращение от моторчика, и вот мы уже летим!trapwalker
04.06.2019 22:01А самое замечательное, как я понял, это контроль высоты за счет приёма модулированного сигнала с инфракрасного датчика. Фактически это простейший инфракрасный дальномер.
Я так понимаю там программно PID-регулятор реализован, чтобы балансировать на грани детектирования поверхности? Посмотреть бы что выдаёт осциллограф с ИК-приёмника при изменении расстояния до препятствия.wilderwind
05.06.2019 00:04Во многих заводских коптерах уже давно ультразвуковые датчики высоты и препятствий, позволяют летать в помещении без риска нести хаос и разрушения.
Есть также optical flow sensor, простейшая камера с примитивной матрицей «смотрит» вниз, что позволяет детектировать малейшее смещение коптера относительно поверхности под ним и очень точно зависать в воздухе (гораздо точнее, чем по GPS).
А инфракрасные сенсоры, как самые дешёвые и компактные, вполне могут находить применение вот в таких игрушках.
Tomasina
05.06.2019 00:20+1(здесь и далее цены я буду давать в твердой валюте энергетической сверхдержавы, а не в не имеющих ценности непонятных зеленых бумажках страны, которая с минуты на минуту потерпит окончательный крах).
Ржу и неистово плюсую.GarryC Автор
05.06.2019 14:54К сожаления, не я это придумал, где то видел в сборнике недавних анекдотов.
sim2q
05.06.2019 00:35А как бы добавить stm32f030p4 — это максимум и что бы оно при этом летало над танцполом — облаком, не сталкиваясь, а по окончанию заряда возвращалось на базу :)
Бонусом — мигать диодами синхронно, но это не обязательно
tormozedison
05.06.2019 07:05Помню, читал в отзывах, что шар этот довольно прочен и долговечен, несмотря на цену.
technomancer
Очень-очень не хватает фотографий. Словно читаешь книгу о вкусной и здоровой пище без иллюстраций.
UPD: Не в последнюю очередь — механики этого чуда.
UPD2: Спасибо за наводку на Padauk. Ещё бы информацию, где их без проблем достать с доставкой за пределы Москвы. #котизШрека
Orange11Sky
Присоединяюсь к спасибо за наводку на микроконтроллеры.