带OLED显示屏的可编程袖珍电源

设备规格

该设备具有以下规格：

• 最大输出直流负载电流：400 mA
• 电压范围：2.0 伏 - 12.0 伏
• 电压步长：约 0.1 伏
• 最佳效率：75 %
• 电流测量精度：+/- 1 mA
• 电压测量精度：+/- 0.02 伏

 

与外部万用表串联的电流测量检查

 

 

用万用表测量电压

 

请注意，此设备是一个快速原型。通过使用高容量电池、附加电子设备和升级设计，可以实现 0-30 甚至负电源和更多输出电流。

工作原则

设计本身是硬件密集型的。这里发生了很多事情。系统的粗略框图如下所示：

 

 

电源是 USB 可充电的 3.7 V 锂聚合物电池。首先使用 XL6009 DC-DC 升压模块，我们从 Li-Po 产生 15.6 伏的电压。为了运行 MCU，我们还使用 7805 稳压器制作了 5 伏电压。

Arduino UNO 克隆 Atmega328P 与 2 个基于中断的用户输入开关连接，一个优雅的 OLED 输出显示器。Rx/Tx/DTR 固件（草图）通过 USB/串行从 PC 上传端口。（模块 1）

该项目的核心是基于MCP4131 数字电位器 (Digipot) + LM 358 OpAmp的步进电压发生器。该电压是 LM317 可调稳压器的控制电压。（模块 2）

Digipot 通过类似 Pseudo-SPI 的命令从 Arduino 控制。LM317 的设计方式是输出引脚电压始终比调整引脚电压高 1.25 伏，前提是输入引脚的电压足够高（此处为 15.6 伏）。（模块 3）

阶跃电压被馈送到调整引脚，以根据用户的需要从 Arduino 创建可变输出。

ADC 测量与监控和保护相关的所有电压；电池电压、升压电压、充电检测电压和输出电压通过分压器网络进行调节，用于为 ADC 范围供电，此处为 0-1.1 伏。我使用了 Arduino 的内部参考，它创建了 1.1 伏的参考电压。

对于电流检测，输出负载的返回（负载接地）与 1 欧姆电流检测电阻串联连接到系统接地。当电流流过外部负载时，该检测电阻器中也会产生电压降。该电压通过 OP07 精密运算放大器放大并馈送到 ADC 引脚之一。

最后，对于电池充电，来自 USB 的 5 伏电压与 4007 二极管和 5 欧姆限流电阻串联连接到锂聚合物电池。这是一种粗略的充电方法，不是最适合锂电池充电的方法。

操作总结：MCP4131 数字电位器产生 0-5 伏特范围内的阶跃电压，阶跃约为 40mV（7 位 10K Digipot 有 129 阶 5V/128 = 0.40 mV），然后由 LM358 放大 2.5 倍，给出0-12.5 伏控制电压范围，步长为 0.1 伏。这个放大的阶跃电压信号被馈送到 LM317 的调整引脚。LM317 产生 V_Step+1.25 伏的输出电压，提供给外部负载。外部负载的返回/接地通过 1 欧姆电流检测电阻器连接到内部接地。假设：x mA 电流流向外部负载，它将产生x1 欧姆电流检测电阻上的 mV 压降（欧姆定律 V=I*R）。这个小电压信号被馈送到配置为 2.5X 增益的低偏移 (10uV) 运算放大器 OP07，这将产生2.5x毫伏输出。Arduino ADC 配置有 1.1 伏的内部基准电压，因此可以以大约 1 mV (1100/1023) 的步长检测 0 -1100 mV 的电压。OP07 的输出连接到 Arduino ADC 以进行电流感应。这就是电流限制为 400mA 的原因。可以通过改变 OP07 的增益来增加/减少它。类似地，可以通过改变 LM358 的升压电压和增益来改变输出电压范围。其他电压是使用电阻分压器网络衰减电压以适应 ADC 范围测量的。锁存继电器有 2 个线圈。通过向任何线圈施加瞬时电源，可以切换继电器触点。一旦切换，它就会保持在那里，因此线圈会立即断电。

构建项目

首先，我们从单个开关插座盒开始，并为放置电池、USB 充电端口、电源开关等进行必要的切割和对齐。

 

电池放置

 

接下来，用铜带和硬币制作散热器，用于 DC-DC 升压模块。

 

 

 

 

 

1 / 2 •散热器

 

升压模块放置在插座盒内：

 

放置的直流模块

 

 

焊接前的所有零件

 

使用以上部分，制作了以下3个模块：

• Arduino + I/O + 控制模块
• 步进电压和可调稳压器模块
• 电流感应模块

 

 

 

 

 

1 / 2 • 3 个模块

 

最后，所有板之间的蜘蛛网连接被连接和焊接。

 

互联！

 

使用热胶作为填充物后，我们终于有了：

 

Arduino电源

 

开发固件和操作程序

固件（Arduino Sketch）现在是 1.0.2 Beta。目前并非所有功能都可用。但启用了控制电压、连接/断开继电器、查看信息等最重要的功能。在void setup() 其中很少有初始化函数来预热与不同外部硬件相关的 Arduino 引脚。

输入：有 2 个基于中断的输入按钮，用于增加/减少输出电压，访问菜单（此版本不可用）。Arduino 引脚 2 和 3 上的 INT0 和 INT1 编码为下降沿中断。您将看到 2 个电容器与机械开关并联，用于去抖动。编写代码以在用户按下这些开关通过继电器打开/关闭输出或增加/减少电压（Beta）时触发中断。

输出：1306 OLED 显示从 ADC、内部定时器（用于设备运行时间）和标志变量获取数据的输出信息，以告知用户输出启用/禁用状态。基于 U8G 库，OLED 将信息打印为文本和数字。我有使用图形（模拟类型）表示的计划。

SSD1306 的 5 个数字引脚（Waveshare 的 OLED）clk、din、cs、d/c、res 连接到 Arduino 10、9、11、13、12 引脚并进行相应编程。在主循环中，每次都会调用函数来更新 OLED 上的信息。update_display()

Atmega328P 的内部定时器 1 配置为每 1 秒定期触发以跟踪时间。

控制：MCP 4131 数字电位器是一种控制器，具有以下功能：使用引脚 6、7、8 作为 CS、Clk、数据引脚，数据通过适当的时钟和延迟移出。这就像慢速软 SPI。由于我已经在其他地方用完了硬件 SPI 引脚，所以这是当时唯一的解决方案。increment_digipot()decrement_digipot()

两个数字引脚 4 和 5 用于控制自锁继电器。一个短的高脉冲被馈送到继电器驱动晶体管以激励 2 个线圈以翻转继电器。它既可以自动发生（在过载/短路期间），也可以由用户手动发生。

ADC：主循环中的函数执行 获取 20 次平均电压和电流信息并更新变量以获得新信息，然后将其打印在显示器上calc_VI()analogRead

草图写在多个选项卡中，以组织与不同操作相关的不同功能的代码。有 ADC、Digipot、、中断、继电器和定时器选项卡排列所有用户定义的功能。我也会尝试添加更多注释来解释所有功能，但您应该不会觉得难以理解，因为这些功能是基于执行某些任务的多个 Arduino 功能。Display_Fn

局限性

该设备有一些严重的限制：

• 电压不能低于 2.0 V
• 电压输出阶跃不连续
• 电流测量会为大电流产生接地偏移
• ADC 测量具有低分辨率
• 在低压大电流负载下效率是同类产品中最差的
• 非标准，稍不安全的锂电池充电

参考

您可以在这些教程中了解有关每个组件的更多信息：

• 旋转电位器
• 按钮教程

结论 ＆

这种可编程电源将帮助我更有效地制作项目/原型。不使用万用表测量电压电流功率。