К вопросу о вертолетиках или как я провел выходные

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:

1. Я инженер и мне интересно, как такая игрушка устроена (вернее, я уже догадываюсь, как она устроена и хотел бы проверить свои догадки);
2. 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:

1. Начальная задержка ~2 секунды после подачи питания;
2. Изменение скорости вращения путем управления транзистором — ШИМ модуляция с изменяемой скважностью;
3. Прием сигнала от датчика наличия препятствий;
4. Контроль напряжения аккумулятора с целью исключения переразряда;
5. (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.

1. Каждую функцию, в принципе, можно реализовать на таймере типа 555, но все сразу на одном корпусе — я точно не смогу, так что вряд ли.
2. На микросхеме вроде счетверенного ОУ 324 можно, наверное, реализовать все функции сразу, но тут явно другой корпус.
3. Заказная или полузаказная аналоговая микросхема в устройстве за 3 доллара — это не смешно.
4. 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:

1. Таймер (желательно с режимом ШИМ) для управления мотором;
2. Компаратор (лучше АЦП, но можно и без него) для контроля перегрузки двигателя;
3. Компаратор (опять-таки можно АЦП) для контроля ИК датчика;
4. Компаратор (можно использовать BOD) для контроля питания;
5. 4 либо 3 свободные ноги для подключения перечисленного;
6. Оперативная память — 8 регистров будет достаточно, если взять еще ячеек 16, то больше и не придумать зачем;
7. 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):

1. Датчик ИК излучения подключен к ноге 4 ();
2. Затвор транзистора подключен к ноге 6 ();
3. Исток транзистора через резистор подключен к ноге 5 ().
4. 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:

1. 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).
2. 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.
3. ИК излучатель (TSAL6100) — 6/6 .
4. ИК приемник (входит в набор за 6 рублей) — /3 .
5. транзистор 20В,2А (n327) 5/4.
6. 6 ярких светодиодов 3 цветов (HL3010) 2/0.2*6 = 12/1.2.
7. резисторы и конденсаторы типоразмера 0603 всего 16 штук 0.3/0.2 *16 = 4.8/3.2 .
8. выключатель (3/0.4) / разъем питания (8/8) / и кабель питания /8 .
9. плата печатная площадью (ДПП+М+2Ш) 0.4дм*0.2дм=0.08 * 170(Резонит)/ = 13/ .
10. 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: