Fonte de alimentação de bolso programável com display OLED

Componentes e suprimentos

Arduino UNO

Arduino Nano R3

XL 6009 DC DC Boost

SparkFun Botão de pressão 12 mm

Cristal 16 MHz

Conector do bloco de terminais

Regulador linear com saída ajustável

Regulador linear (7805)

1N4007 - Alta tensão, diodo nominal de alta corrente

Cabo USB-A para B

Potenciômetro de precisão multivoltas - 10k ohms (25 voltas)

OP07 Instrumentation OpAmp

Caixa de soquete genérica

FR4 Proto Board

Fios de jumpers (genérico)

Cabeçalho masculino 40 posição 1 linha (0,1 ")

Resistor 10k ohm

Resistor 22,1 k ohm

Resistor 1k ohm

Arduino Latching Relay 5v 2A

SparkFun MCP 4131 Potenciômetro digital de 10k

Fita de cobre Arduino

Arduino LM358 Opamp

Arduino 1306 OLED

Ferramentas e máquinas necessárias

Ferro de soldar (genérico)

Pistola de cola quente (genérica)

Mini motor de perfuração

Aplicativos e serviços online

Arduino IDE

Sobre este projeto

A ideia

Como pessoas amadoras, frequentemente precisamos alimentar nossos protótipos, verificar a tensão, a corrente, os limites de energia de nossos projetos, testar um componente recém-comprado. A necessidade de uma fonte de alimentação variável está sempre presente nesta linha de trabalho. Mas, infelizmente, nem todos nós temos fontes de alimentação de bancada / laboratório. Também é caro se comprado e volumoso se necessário para carregar. Buscava uma fonte de alimentação programável de menor custo, com portabilidade e produtividade para alimentar meus protótipos e testar componentes. Então, decidi fazer um.

Possui os seguintes recursos:

programável
Recarregável
portátil
Variável de etapa
Medidor de tensão / corrente / potência
Relé protegido
Personalizável, compacto e bonito
Interface de usuário OLED legal
Botão de controle do usuário e navegação baseada em menus
Firmware atualizável para mais recursos!

E a fonte de alimentação mais versátil para projetos eletrônicos de baixa potência.

Ação ao vivo!

Confira este vídeo que demonstra a operação do dispositivo:

Especificações do dispositivo

O dispositivo possui as seguintes especificações:

Corrente de carga CC de saída máxima:400 mA
Faixa de tensão:2,0 Volts - 12,0 Volts
Etapa de tensão:0,1 Volts aprox.
Melhor eficiência:75%
Precisão da medição atual:+/- 1 mA
Precisão de medição de tensão:+/- 0,02 Volts

Observe que este dispositivo é um protótipo rápido. É possível fazer 0-30, até mesmo alimentação negativa e mais corrente de saída usando baterias de alta capacidade, eletrônicos adicionais e design atualizado.

Princípio de funcionamento

O design em si exige muito do hardware. Muitas coisas acontecendo aqui. Um diagrama de blocos bruto do sistema é mais ou menos assim:

A fonte de alimentação é a bateria Li-Po de 3,7 V, recarregável por USB. Usando um módulo boost DC-DC XL6009 primeiro, fazemos 15,6 volts com o Li-Po. Para executar o MCU, também fazemos um 5 Volt usando o regulador 7805.

O clone Atmega328P do Arduino UNO é conectado com 2 Interruptores de entrada do usuário baseados em uma tela de saída OLED elegante. Porta de upload de firmware Rx / Tx / DTR (esboço) através de USB / Serial do PC. (Módulo 1)

O coração do projeto é o Potenciômetro Digital MCP4131 (Digipot) + LM 358 OpAmp Gerador de Tensão de Etapa baseado em degraus. Esta tensão é a tensão de controle do regulador ajustável LM317. (módulo 2)

O Digipot é controlado a partir do Arduino por meio de um comando semelhante ao Pseudo-SPI. LM317 é projetado de forma que a Tensão do pino de saída é sempre 1,25 Volts mais alto do que Ajustar a tensão do pino desde que a tensão do pino INPUT seja alta o suficiente (aqui 15,6 volts). (módulo 3)

A tensão do degrau é fornecida ao pino de ajuste para criar uma saída variável do Arduino conforme a necessidade do usuário.

O ADC mede todas as tensões associadas à supervisão e proteção; a voltagem da bateria, a voltagem aumentada, a voltagem do sensor de carga e a voltagem de saída são condicionadas através da rede divisora de voltagem para alimentar a faixa ADC, que é de 0-1,1 volts aqui. Usei a REFERÊNCIA INTERNA do Arduino, que cria uma voltagem de referência de 1,1 volts.

Para a detecção de corrente, o retorno (Load Gnd) da Output Load é conectado em série com 1 Ohms Current Sense Resistor para o System Gnd. Quando a corrente flui pelas cargas externas, também há uma queda de tensão neste resistor de detecção. Esta tensão é amplificada através do Amplificador de Operação de Precisão OP07 e alimentada para um dos pinos ADC.

Por último, para o carregamento da bateria, 5 volts do USB são conectados em série com um diodo 4007 e um resistor limitador de corrente de 5 ohms à bateria Li-Po. Este é um método de carregamento rudimentar, não o melhor para carregamento Li-Po.

Operação Summery: O Potenciômetro Digital MCP4131 cria tensões de passo com uma faixa de 0-5 Volts em passo de cerca de 40mV (7 bits 10K Digipot tem 129 passos 5V / 128 =0,40 mV), que é então 2,5 vezes amplificado pelo LM358 que dá 0-12,5 volts controlam a faixa de tensão com etapas de 0,1 volts. Este sinal de tensão amplificado é alimentado ao pino de ajuste do LM317. O LM317 gera uma tensão de saída de V_Step + 1,25 Volts que é fornecida às cargas externas. O retorno / aterramento da carga externa é conectado ao aterramento interno por meio do resistor de detecção de corrente de 1 ohms. Suponha: x A corrente mA está fluindo para a carga externa, criará x queda de mV (Ohms Law V =I * R) no resistor de detecção de corrente de 1 Ohms. Este pequeno sinal de tensão é alimentado para Low Offset (10uV) OpAmp OP07 configurado com 2,5X de ganho, que irá gerar 2,5 x Saída mV. O Arduino ADC é configurado com referência interna de 1,1 Volts para que as tensões de 0 a 1100 mV possam ser detectadas em etapas de cerca de 1 mV (1100/1023). A saída do OP07 é conectada ao Arduino ADC para detecção de corrente. É por isso que o limite de corrente é 400mA. Pode ser aumentado / reduzido alterando o ganho de OP07. Da mesma forma, a faixa de tensão de saída pode ser alterada alterando a tensão de reforço e o ganho do LM358. Outras tensões são medidas com tensões de atenuação de rede divisora de tensão resistiva para se adequar à faixa do ADC. O relé de trava possui 2 bobinas. Aplicando energia momentânea a qualquer bobina, os contatos do relé podem ser comutados. Uma vez ligado, ele permanece lá, então a bobina é desligada imediatamente.

Construindo o Projeto

Primeiro, começamos com uma única caixa de soquete de interruptor e fazemos os cortes e alinhamentos necessários para colocar a bateria, porta de carregamento USB, interruptor de alimentação, etc.

Em seguida, o dissipador de calor é feito com fita de cobre e moeda para o módulo de reforço DC-DC.

O módulo de reforço é colocado dentro da caixa de encaixe:

Usando as partes acima, os seguintes 3 módulos são feitos:

Arduino + I / O + Módulo de controle
Módulo regulador ajustável e de tensão de etapa
Módulo de detecção de corrente

Finalmente, as conexões da teia de aranha entre todas as placas são conectadas e soldadas.

Depois de usar a cola quente como preenchimento, finalmente temos:

Desenvolvimento do firmware e procedimento operacional

O firmware (Arduino Sketch) agora é 1.0.2 Beta. Nem todos os recursos estão disponíveis no momento. Porém, os recursos mais importantes, como controle de tensão, relé de conexão / desconexão e visualização de informações, estão ativados. Na configuração void () existem poucas funções de inicialização para aquecer os pinos do Arduino associados a diferentes hardwares externos.

ENTRADA :Existem 2 botões de entrada baseados em interrupção para aumentar / diminuir a tensão de saída, menu de acesso (não disponível nesta versão). INT0 e INT1 no Arduino Pin 2 e 3 são codificados para FALLING EDGE INTERRUPT. Você verá 2 capacitores em paralelo com interruptores mecânicos para de-bouncing. O código é escrito para disparar interrupções quando o usuário pressiona essas chaves para ligar / desligar a saída por meio do relé ou aumentar / diminuir a tensão (Beta).

SAÍDA :O 1306 OLED mostra informações de saída adquirindo dados do ADC, temporizador interno (para tempo de atividade do dispositivo) e variáveis de sinalização para informar ao usuário sobre o status de habilitação / desabilitação de saída. Com base na biblioteca U8G, o OLED imprime informações como texto e numéricas. Tenho planos para usar representação gráfica (tipo analógico).

5 pinos digitais do SSD1306 (OLED do Waveshare) clk, din, cs, d / c, res são conectados ao Arduino 10, 9, 11, 13, 12 pinos e programados de acordo. No loop principal update_display () A função é sempre chamada para atualizar as informações no OLED.

O temporizador interno 1 do Atmega328P está configurado para acionar periodicamente a cada 1 segundo para controlar o tempo.

CONTROLE: O Potenciômetro Digital MCP 4131 é controlador com increment_digipot () & decrement_digipot () funções em que os dados são deslocados com clock e retardo adequados usando os pinos 6, 7, 8 como CS, Clk, pinos de dados. É como um SPI lento e suave. Como já usei os pinos SPI de hardware em outro lugar, essa era a única solução.

Dois pinos digitais 4 e 5 são usados para controlar o relé de travamento. Um pulso curto e alto é alimentado para os transistores de acionamento do relé para energizar as 2 bobinas para inverter o relé. Acontece automaticamente (durante sobrecarga / curto-circuito) ou manualmente pelo usuário.

ADC: O calc_VI () função no loop principal executa analogRead para obter informações de tensão e corrente com média de 20 vezes e atualizar a variável para novas informações que são então impressas no display

O esboço é escrito em várias guias para organizar o código para diferentes funções associadas a diferentes operações. Existem ADC, Digipot, Display_Fn , Guias Interrupt, Relay e Timer organizando todas as funções definidas pelo usuário. Vou tentar adicionar mais comentários explicando todas as funções, mas você não deve achar difícil de entender porque essas funções são baseadas em várias funções do Arduino realizando certas tarefas.

Limitação

Existem algumas limitações sérias deste dispositivo:

A tensão não pode ser inferior a 2,0 V
A saída de tensão é escalonada não contínua
A medição de corrente cria deslocamento de solo para alta corrente
A medição ADC tem baixas resoluções
A eficiência é a pior da classe em carregamento de baixa tensão e alta corrente
Carregamento Li-Po não padrão e ligeiramente inseguro

Referências

Você pode aprender mais sobre cada componente nestes tutoriais:

Potenciômetro rotativo
Tutorial do botão

Conclusão e

Esta fonte de alimentação programável me ajudará a fazer projetos / protótipos com mais eficiência. Medição da potência da corrente de tensão sem o uso de multímetro.

Código

Fonte de alimentação portátil programável Arduino
Code Ver 1.0.1 Beta
Code Ver 1.0.2 Beta
Code versão 1.0.3

Fonte de alimentação portátil programável Arduino Arduino

Ver 1.0.1 com informações de pin out nos comentários

 // Pin Reset, D0 e D1 para fazer upload do Sketch // Pin D9, D10, D11, D12, D13 para controlar o display OLED // ADC A0 Pin for Sensing V_boost // Pino ADC A2 para detecção V_batt (LiPo) // Pino ADC A3 para detecção I_Output (carga) // Pino ADC A4 para detecção V_USB (carregamento) // Pino ADC A5 para detecção V_Output (carga) // Latch Relay's 2 Coils Driving Pin D4 e D5 # define RC1 4 # define RC2 5 // Chaves de entrada do usuário conectadas ao pino D2 e D3 # define SW1 2 # define SW2 3 // Pino D6, D7, D8 para pinos de controle digital do potenciômetro # define CS_PIN 6 # define CLK_PIN 7 #define DATA_PIN 8volatile uint8_t Switch1 =1; volátil uint8_t Switch2 =1; float V_Out =0.0; float I_Out =0.0; float V_Bat =0.0; float V_Bst =0.0; float V_Chg =0.0; uint32_t time =0; #include "U8glib. h "// Pinos de controle de exibição OLED // SSD1306 wavehare oled (clk, din, cs, d / c, res); // ISTO PARA WAVESHAREU8GLIB_SSD1306_128X64 u8g (10, 9,11, 13,12); void setup (void) {// virar a tela, se necessário analogReference (INTERNAL); u8g.setRot180 (); button_init (); relay_init (); init_timer1 (); digipot_init (); } loop void (void) {update_display (); calc_VI (); if (Switch1 ==0) {rc1_latch (); Switch1 =1; increment_digipot (); } if (Switch2 ==0) {rc2_latch (); Switch2 =1; decrement_digipot (); } atraso (100); }