Թվային USB C սնուցվող Bluetooth էներգիայի մատակարարում ՝ 8 քայլ (նկարներով)

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:50

Երբևէ ցանկացե՞լ եք էներգիայի մատակարարում, որը կարող եք օգտագործել շարժման մեջ, նույնիսկ առանց մոտակա պատի վարդակից: Եվ հիանալի չի՞ լինի, եթե այն նաև շատ ճշգրիտ, թվային և վերահսկելի լինի համակարգչի և ձեր հեռախոսի միջոցով:

Այս ուսանելի ծրագրում ես ձեզ ցույց կտամ, թե ինչպես կառուցել հենց դա `թվային էներգիայի մատակարարում, որը սնուցվում է USB C- ով: Այն arduino- ի հետ համատեղելի է և կարող է վերահսկվել համակարգչի միջոցով USB- ով կամ ձեր հեռախոսի միջոցով Bluetooth- ով:

Այս նախագիծը իմ նախկին սնուցման աղբյուրի էվոլյուցիան է, որը աշխատում էր մարտկոցով և ունի դիսփլեյ և բռնակներ: Ստուգեք այստեղ: Այնուամենայնիվ, ես ուզում էի փոքրանալ, ուստի դրա համար էլ դա արեցի:

Սնուցման աղբյուրը կարող է սնուցվել USB C մարտկոցի բանկից կամ հեռախոսի լիցքավորիչից: Սա թույլ է տալիս մինչև 15 Վտ հզորություն, ինչը բավական է ցածր էներգիայի էլեկտրոնիկայի մեծ մասը սնուցելու համար: Այսպիսի փոքր սարքի վրա լավ միջերես ունենալու համար ես Bluetooth- ի և Android հավելվածի համար տեղադրեցի կառավարման տարրեր: Սա ստիպում է այս էներգիայի մատակարարումը ծայրահեղ դյուրակիր լինել:

Ես կցուցադրեմ նախագծման ամբողջ գործընթացը, և նախագծի բոլոր ֆայլերը կարելի է գտնել իմ GitHub էջում ՝

Եկեք սկսենք!

Քայլ 1: Առանձնահատկություններ և ծախսեր

Հատկություններ

• Աշխատում է USB C- ով
• Վերահսկվում է Android հավելվածի միջոցով ՝ Bluetooth- ի միջոցով
• Վերահսկվում է Java- ի միջոցով USB C- ի միջոցով
• Մշտական լարման և մշտական հոսանքի ռեժիմներ
• Օգտագործում է ցածր աղմուկի գծային կարգավորիչ, որին նախորդում է հետևման նախակարգավորիչը `նվազագույնի հասցնելու էներգիայի սպառումը
• Աշխատում է ATMEGA32U4- ով, ծրագրավորված է Arduino IDE- ով
• Կարելի է սնուցել USB C մարտկոցի բանկով `այն դյուրակիր դարձնելու համար
• USB C և Apple լիցքավորիչի հայտնաբերում
• BANC ադապտերների հետ համատեղելիության համար բանանի խրոցակներ 18 մմ հեռավորության վրա

Տեխնիկական պայմաններ

• 0 - 1A, 1 մԱ քայլեր (10 բիթ DAC)
• 0 - 25 Վ, քայլեր 25 մՎ (10 բիթ DAC) (իսկական 0 Վ գործողություն)
• Լարման չափում `25 մՎ լուծաչափ (10 բիթ ADC)
• Ընթացիկ չափում ՝ <40mA: 10uA բանաձև (ina219) <80mA: 20uA բանաձև (ina219) <160mA: 40uA բանաձև (ina219) <320mA: 80uA բանաձև (ina219)> 320mA: 1mA լուծում (10 բիթ ADC)

Արժեք

Ամբողջական էներգիայի մատակարարումն ինձ արժեցավ մոտ $ 100, բոլոր միանգամյա բաղադրիչներով: Թեև դա կարող է թանկարժեք թվալ, բայց շատ ավելի քիչ կատարողականությամբ և հատկանիշներով սնուցումները հաճախ ավելի թանկ արժեն: Եթե դեմ չեք, որ ձեր բաղադրիչները պատվիրեք ebay- ից կամ aliexpress- ից, գինը կնվազի մինչև $ 70: Մասերի մուտքն ավելի երկար է տևում, բայց դա կենսունակ տարբերակ է:

Քայլ 2. Գործողության սխեմատիկ և տեսություն

Շղթայի աշխատանքը հասկանալու համար մենք պետք է նայենք սխեմային: Ես այն բաժանեցի ֆունկցիոնալ բլոկների, այնպես որ ավելի հեշտ է հասկանալ. Այսպիսով, ես նաև քայլ առ քայլ կբացատրեմ գործողությունը: Այս մասը բավականին խորն է և պահանջում է էլեկտրոնիկայի լավ իմացություն: Եթե պարզապես ուզում եք իմանալ, թե ինչպես կառուցել միացումը, կարող եք անցնել հաջորդ քայլին:

Հիմնական բլոկ

Գործողությունը հիմնված է LT3080 չիպի շուրջ. Դա գծային լարման կարգավորիչ է, որը կարող է իջեցնել լարումները ՝ հիմնվելով կառավարման ազդանշանի վրա: Այս հսկիչ ազդանշանը կստեղծվի միկրոկոնտրոլերի կողմից; թե ինչպես է դա արվում, մանրամասն կբացատրվի ավելի ուշ:

Լարման կարգավորում

LT3080- ի շուրջ միացումն առաջացնում է համապատասխան կառավարման ազդանշաններ: Նախ, մենք կանդրադառնանք, թե ինչպես է լարումը կարգավորվում: Միկրոկառավարիչից լարման կարգավորումը PWM ազդանշան է (PWM_Vset), որը զտված է ցածր անցման ֆիլտրով (C23 & R32): Սա արտադրում է անալոգային լարման `0 -ից 5 Վ -ի միջև` համաչափ `ցանկալի ելքային լարման: Քանի որ մեր ելքային տիրույթը 0 - 25 Վ է, մենք ստիպված կլինենք ուժեղացնել այս ազդանշանը 5 գործոնով: Դա արվում է U7C- ի ոչ շրջադարձային ճարմանդային կոնֆիգուրացիայի միջոցով: Սահմանված քորոցի շահույթը որոշվում է R31 և R36- ով: Այս դիմադրողականները 0,1% հանդուրժող են `սխալները նվազագույնի հասցնելու համար: R39- ը և R41- ը այստեղ նշանակություն չունեն, քանի որ դրանք հետադարձ կապի մի մասն են:

Ընթացիկ կարգավորումը

Այս հավաքածուի քորոցը կարող է օգտագործվել նաև երկրորդ կարգավորման համար `ընթացիկ ռեժիմ: Մենք ցանկանում ենք չափել ընթացիկ շեղումը և անջատել ելքը, երբ այն գերազանցում է ցանկալի հոսանքը: Հետևաբար, մենք նորից սկսում ենք PWM ազդանշանով (PWM_Iset), որը ստեղծվում է միկրոկառավարիչի կողմից, որն այժմ ցածր անցուղիով զտված է և թուլացած `0 - 5 Վ միջակայքից 0 - 2,5 Վ միջակայքի անցնելու համար: Այս լարումը այժմ համեմատվում է ընթացիկ զգայուն դիմադրության լարման անկման հետ (ADC_Iout, տես ստորև) `opamp U1B- ի համեմատական կազմաձևով: Եթե հոսանքը չափազանց բարձր է, դա կմիացնի լուսարձակը, ինչպես նաև կիջեցնի LT3080- ի սահմանված գիծը գետնին (Q1- ի միջոցով) ՝ այդպիսով անջատելով ելքը: Ընթացքի և ADC_Iout ազդանշանի առաջացման չափումը կատարվում է հետևյալ կերպ. Ելքային հոսանքը հոսում է R22 ռեզիստորի միջով: Երբ հոսանքը հոսում է այս դիմադրության միջով, այն ստեղծում է լարման անկում, որը մենք կարող ենք չափել, և այն տեղադրվում է LT3080- ից առաջ, քանի որ դրա միջով լարման անկումը չպետք է ազդի ելքային լարման վրա: Լարման անկումը չափվում է դիֆերենցիալ ուժեղացուցիչով (U7B) 5 -ով: Սա հանգեցնում է 0 - 2.5 Վ լարման տիրույթի (դրա մասին ավելի ուշ), հետևաբար լարման բաժանարարը հոսանքի PWM ազդանշանին: Բուֆերը (U7A) այնտեղ է `համոզվելու համար, որ R27, R34 և R35 ռեզիստորների մեջ հոսող հոսանքը չի անցնում ընթացիկ զգայական ռեզիստորով, ինչը կազդի դրա ընթերցման վրա: Նաև նշեք, որ սա պետք է լինի երկաթուղային-երկաթուղային օպամպ, քանի որ դրական մուտքի մուտքի լարումը հավասար է մատակարարման լարմանը: Ոչ շրջադարձային ուժեղացուցիչը նախատեսված է միայն դասընթացի չափման համար, չնայած, որ շատ ճշգրիտ չափումների համար մենք ունենք INA219 չիպը: Այս չիպը թույլ է տալիս չափել շատ փոքր հոսանքներ և հասցեագրված է I2C- ի միջոցով:

Լրացուցիչ բաներ

LT3080- ի ելքի վրա մենք ունենք ևս մի քանի իրեր: Առաջին հերթին, կա ընթացիկ լվացարան (LM334): Սա ձգում է 677 uA հաստատուն հոսանք (սահմանել է R46 ռեզիստորով) ՝ կայունացնելու LT3080- ը: Այնուամենայնիվ, այն կապված չէ գետնին, այլ VEE- ին `բացասական լարման: Սա անհրաժեշտ է, որպեսզի LT3080- ը գործի մինչև 0 Վ: Երբ գետնին միացված է, ամենացածր լարումը կլինի մոտ 0.7 Վ: Սա բավականին ցածր է թվում, բայց հիշեք, որ դա թույլ չի տալիս լիովին անջատել սնուցման աղբյուրը: Unfortunatelyավոք, այս միացումը գտնվում է LT3080- ի ելքի վրա, ինչը նշանակում է, որ դրա հոսանքը կնպաստի ելքային հոսքին, որը մենք ցանկանում ենք չափել: Բարեբախտաբար, այն մշտական է, որպեսզի կարողանանք չափել այս հոսանքը: Enեներային դիոդ D7- ը օգտագործվում է ելքային լարումը սեղմելու համար, եթե այն 25 Վ -ից բարձր է, իսկ դիմադրության բաժանարարը թողնում է ելքային լարման տիրույթը 0 - 25 Վ -ից 0 - 2,5 Վ (ADC_Vout): Բուֆերը (U7D) ապահովում է, որ դիմադրողները հոսանք չեն հոսում ելքից:

Լիցքավորման պոմպ

Բացասական լարումը, որը մենք նշեցինք նախկինում, առաջանում է մի փոքր հետաքրքրաշարժ միացումից `լիցքավորման պոմպից: Այն սնվում է միկրոկառավարիչի (PWM) 50% PWM- ով:

Խթանող փոխարկիչ

Եկեք հիմա նայենք մեր հիմնական բլոկի մուտքային լարմանը `VCC: Մենք տեսնում ենք, որ այն 5 - 27 Վ է, բայց սպասեք, USB- ը տալիս է առավելագույնը 5 Վ? Իրոք, և դրա համար մենք պետք է բարձրացնենք լարումը, այսպես կոչված, խթանման փոխարկիչի միջոցով: Մենք միշտ կարող ենք բարձրացնել լարումը մինչև 27 Վ, անկախ նրանից, թե ինչ ելք ենք ուզում. այնուամենայնիվ, սա շատ էներգիա կկորցնի LT3080- ում, և ամեն ինչ կդառնա տապակած տաք: Այսպիսով, դա անելու փոխարեն, մենք կբարձրացնենք լարումը մի փոքր ավելի, քան ելքային լարումը: Մոտ 2,5 Վ -ից բարձր տեղին է `հաշվի առնելու ընթացիկ զգայարանային դիմադրության լարման անկումը և LT3080- ի թողման լարումը: Լարումը սահմանվում է ռեզիստորների կողմից խթանիչ փոխարկիչի ելքային ազդանշանի վրա: Այս լարումը թռիչքի ժամանակ փոխելու համար մենք օգտագործում ենք թվային պոտենցիոմետր ՝ MCP41010, որը վերահսկվում է SPI- ի միջոցով:

USB C

Սա մեզ տանում է դեպի մուտքի իրական լարումը `USB պորտը: USB C- ի (ճշգրիտ USB տեսակը ՝ 3.1, USB C- ն ընդամենը միակցիչի տեսակն է) օգտագործման պատճառն այն է, որ այն թույլ է տալիս 3 Ա հոսանք 5 Վ -ով, դա արդեն իսկ որոշակի էներգիա է: Բայց կա որս, սարքը պետք է համապատասխանի այս հոսանքը քաշելու և ընդունող սարքի հետ «բանակցելու» համար: Գործնականում դա արվում է `կապելով երկու 5,1k քաշքշուկի դիմադրություն (R12 և R13) CC1 և CC2 գծերին: USB 2 համատեղելիության համար փաստաթղթերը ավելի քիչ պարզ են: Մի խոսքով ՝ դուք նկարում եք ինչ հոսանք եք ուզում, քանի դեռ հաղորդավարը կարող է դա ապահովել: Դա կարելի է ստուգել ՝ վերահսկելով USB ավտոբուսի լարումը. Սա հայտնաբերվում է U1A համեմատիչի կողմից և անջատելու է ելքը: Այն նաև ազդանշան է ուղարկում միկրոկոնտրոլերին `առավելագույն հոսանքը սահմանելու համար: Որպես բոնուս, ռեզիստորներ են ավելացվել `աջակցելու խնձորի և samsung լիցքավորիչների լիցքավորիչի ID- ի հայտնաբերմանը:

5V կարգավորիչ

Արդուինոյի 5 Վ լարման լարումը սովորաբար գալիս է անմիջապես USB- ից: Բայց քանի որ USB լարումը կարող է տատանվել 4,5 -ից 5,5 Վ -ի սահմաններում, ըստ USB բնութագրի, դա բավականաչափ ճշգրիտ չէ: Հետևաբար, օգտագործվում է 5 Վ կարգավորիչ, որը կարող է արտադրել 5 Վ ցածր և բարձր լարումներից: Այնուամենայնիվ, այս լարումը սարսափելի ճշգրիտ չէ, բայց դա լուծվում է ստուգաչափման քայլով, որտեղ համապատասխանաբար կարգավորվում է PWM ազդանշանի աշխատանքային ցիկլը: Այս էլեկտրական լարումը չափվում է R42 և R43- ով ձևավորված լարման բաժանարարով: Բայց քանի որ ես այլևս անվճար մուտքեր չունեի, ես ստիպված էի կատարել կրկնակի հերթապահություն: Երբ սնուցվում են կոշիկները, այս քորոցը նախ սահմանվում է որպես մուտք. Այն չափում է մատակարարման երկաթուղին և ինքն է չափաբերում: Հաջորդը, այն սահմանվում է որպես ելք և այն կարող է քշել պոտենցիոմետրի չիպի ընտրության գիծը:

2.56 Վ լարման տեղեկանք

Այս փոքրիկ չիպը ապահովում է 2,56 Վ լարման շատ ճշգրիտ տեղեկանք: Սա օգտագործվում է որպես հղում ADC_Vout, ADC_Iout, ADC_Vbatt անալոգային ազդանշանների համար: Այդ իսկ պատճառով մեզ անհրաժեշտ էին լարման բաժանարարներ `այս ազդանշանները 2,5 Վ -ի իջեցնելու համար:

FTDI

Այս էներգիայի մատակարարման վերջին մասը դաժան, արտաքին աշխարհի հետ կապն է: Դրա համար մենք պետք է սերիական ազդանշանները փոխակերպենք USB ազդանշանների: Բարեբախտաբար, դա արվում է ATMEGA32U4- ի կողմից, սա նույն չիպն է, որն օգտագործվում է Arduino Micro- ում:

Bluetooth

Bluetooth- ի մասը շատ պարզ է. Ավելացված է Bluetooth մոդուլը, որը հոգում է ամեն ինչ մեզ համար: Քանի որ տրամաբանական մակարդակը 3.3V է (VS 5V միկրոկառավարիչի համար) ազդանշանի մակարդակը փոխելու համար օգտագործվում է լարման բաժանարար:

Եվ դա այն ամենն է, ինչ կա դրանում:

Քայլ 3: PCB և էլեկտրոնիկա

Այժմ, երբ մենք հասկանում ենք, թե ինչպես է աշխատում միացումը, կարող ենք սկսել այն կառուցել: Դուք պարզապես կարող եք պատվիրել PCB առցանց ձեր նախընտրած արտադրողից (իմը արժե մոտ $ 10), գերբեր ֆայլերը կարելի է գտնել իմ GitHub- ում ՝ նյութերի հաշիվների հետ միասին: Այնուհետև PCB- ի հավաքումը հիմնականում բաղադրիչների միացումն է `ըստ մետաքսե էկրանին և նյութերի հաշվին:

Թեև իմ նախորդ էներգապաշարն ուներ միայն անցքի բաղադրիչներ, բայց նորի չափսերի սահմանափակումը դա անհնարին դարձրեց: Բաղադրիչների մեծ մասը դեռ համեմատաբար հեշտ է զոդման, այնպես որ մի վախեցեք: Որպես օրինակ ՝ իմ ընկերոջը, որը նախկինում երբեք չէր զոդվել, հաջողվեց տեղավորել այս սարքը:

Ամենահեշտն է բաղադրիչները նախ ճակատային մասում անել, այնուհետև հետևի և ավարտել չնայած անցքի բաղադրիչներով: Երբ դա անում եք, PCB- ն չի տատանվի ամենադժվար բաղադրիչները զոդելիս: lastոդման վերջին բաղադրիչը Bluetooth մոդուլն է:

Բոլոր բաղադրիչները կարող են զոդվել, բացառությամբ բանանի 2 խցիկի, որը մենք կտեղադրենք հաջորդ քայլին:

Քայլ 4: Գործ և հավաքում

Պատրաստված pcb- ի միջոցով մենք կարող ենք անցնել գործին: Ես հատուկ նախագծել եմ PCB- ն ալյումինե 20x50x80 մմ պատյանով (https://www.aliexpress.com/item/Alumin-PCB-Instr…), ուստի այլ պատյան օգտագործելը խորհուրդ չի տրվում: Այնուամենայնիվ, դուք միշտ կարող եք 3D տպել նույն չափսերով պատյան:

Առաջին քայլը վերջնական վահանակի պատրաստումն է: Մենք պետք է որոշ անցքեր բացենք բանանի խցիկների համար: Ես դա արեցի ձեռքով, բայց եթե դուք մուտք ունեք CNC, ապա դա ավելի ճշգրիտ տարբերակ կլինի: Տեղադրեք բանանի խցիկները այս անցքերի մեջ և դրանք կպցրեք PCB- ի վրա:

Լավ գաղափար է հիմա մի քանի մետաքսե բարձիկներ ավելացնել և դրանք պահել սուպեր սոսնձի մի փոքր կաթիլով տեղում: Դրանք թույլ կտան ջերմության փոխանցում LT3080- ի և LT1370- ի և պատյանների միջև: Մի մոռացեք նրանց!

Այժմ մենք կարող ենք կենտրոնանալ առջևի վահանակի վրա, որը պարզապես պտուտակում է տեղում: Երկու վահանակների տեղում մենք այժմ կարող ենք հավաքածուն տեղադրել պատյանում և փակել այն ամբողջը: Այս պահին սարքավորումն ավարտված է, այժմ մնում է միայն ծրագրային ապահովման միջոցով որոշակի կյանք ներշնչել:

Քայլ 5: Arduino կոդ

Այս նախագծի ուղեղը ATMEGA32U4- ն է, որը մենք ծրագրավորելու ենք Arduino IDE- ով: Այս բաժնում ես կանցնեմ կոդի հիմնական գործողության միջոցով, մանրամասները կարելի է գտնել որպես կոդի ներսում մեկնաբանություններ:

Կոդը հիմնականում անցնում է հետևյալ քայլերով.

1. Տվյալներ ուղարկեք հավելվածին
2. Կարդացեք տվյալները հավելվածից
3. Չափել լարումը
4. Չափել հոսանքը
5. Հարցման կոճակ

USB գերհոսանքն աշխատում է ընդհատվող ծառայության ռեժիմով, որպեսզի այն հնարավորինս արագ արձագանքի:

Նախքան չիպը USB- ով ծրագրավորելը, բեռնիչը պետք է այրվի: Դա արվում է ISP/ICSP պորտի միջոցով (3x2 արական վերնագրեր) `ISP ծրագրավորողի միջոցով: Ընտրանքներն են AVRISPMK2, USBTINY ISP կամ arduino որպես ISP: Համոզվեք, որ տախտակը սնվում է և սեղմեք «այրել bootloader» կոճակը:

Այժմ ծածկագիրը կարող է բեռնվել տախտակին USB C պորտի միջոցով (քանի որ չիպը ունի bootloader): Խորհուրդ. Arduino միկրո ծրագրավորող. AVR ISP / AVRISP MKII Այժմ մենք կարող ենք նայել Arduino- ի և ԱՀ -ի փոխազդեցությանը:

Քայլ 6: Android հավելված

Այժմ մենք ունենք լիովին ֆունկցիոնալ էներգիայի մատակարարում, բայց այն դեռ վերահսկելու ոչ մի կերպ: Շատ նյարդայնացնող: Այսպիսով, մենք կստեղծենք Android ծրագիր ՝ Bluetooth- ով սնուցումը վերահսկելու համար:

Հավելվածը պատրաստվել է MIT ծրագրի գյուտարար ծրագրով: Բոլոր ֆայլերը կարող են ներառվել ՝ նախագիծը կլոնավորելու և փոփոխելու համար: Նախ, ներբեռնեք MIT AI2 ուղեկից ծրագիրը ձեր հեռախոսում: Հաջորդը, ներմուծեք.aia ֆայլը AI կայքում: Սա նաև թույլ է տալիս ներբեռնել ծրագիրը ձեր սեփական հեռախոսով ՝ ընտրելով «Կառուցել> հավելված (տրամադրեք QR կոդ.apk- ի համար)»:

Հավելվածից օգտվելու համար ընտրեք Bluetooth սարք ցուցակից. Այն կցուցադրվի որպես HC-05 մոդուլ: Երբ միացված է, բոլոր պարամետրերը կարող են փոխվել, և հոսանքի աղբյուրը կարող է կարդալ:

Քայլ 7: Java կոդ

Տվյալների մուտքագրման և համակարգչի միջոցով էներգիայի մատակարարումը վերահսկելու համար ես պատրաստեցի java ծրագիր: Սա թույլ է տալիս մեզ հեշտությամբ վերահսկել խորհուրդը GUI- ի միջոցով: Ինչպես Arduino կոդի դեպքում, ես չեմ մանրամասնի բոլոր մանրամասները, այլ կտամ ակնարկ:

Մենք սկսում ենք պատուհան պատրաստել կոճակներով, տեքստային դաշտերով և այլն. հիմնական GUI իրեր:

Այժմ գալիս է զվարճալի մասը `ավելացնելով USB պորտերը, որոնց համար ես օգտագործել եմ jSerialComm գրադարանը: Երբ նավահանգիստը ընտրվի, java- ն կլսի բոլոր մուտքային տվյալները: Մենք կարող ենք նաև տվյալներ ուղարկել սարքին:

Ավելին, բոլոր մուտքային տվյալները պահվում են csv ֆայլում ՝ տվյալների հետագա բուժման համար:

. Jar ֆայլը գործարկելիս նախ պետք է բացվող ընտրացանկից ընտրել ճիշտ նավահանգիստը: Միացնելուց հետո տվյալները կսկսեն մուտք գործել, և մենք կարող ենք մեր կարգավորումները ուղարկել powerupply:

Չնայած ծրագիրը բավականին հիմնարար է, այն կարող է շատ օգտակար լինել համակարգչի միջոցով այն կառավարելն ու դրա տվյալները գրանցելը:

Քայլ 8:

Այս բոլոր աշխատանքներից հետո մենք այժմ ունենք լիովին գործառնական էներգիայի մատակարարում:

Այժմ մենք կարող ենք վայելել մեր սեփական էներգիայի մատակարարումը, որը օգտակար կլինի այլ հիանալի նախագծերի վրա աշխատելիս: Եվ ամենակարևորը. Մենք շատ բաներ ենք սովորել ճանապարհին:

Եթե ձեզ դուր եկավ այս նախագիծը, խնդրում եմ քվեարկեք իմ օգտին գրպանի չափի և միկրոկոնտրոլերի մրցույթում, ես իսկապես կգնահատեի այն: