مزود طاقة USB C رقمي يعمل بالبلوتوث: 8 خطوات (مع صور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:40

هل رغبت يومًا في الحصول على مصدر طاقة يمكنك استخدامه أثناء التنقل ، حتى بدون وجود مقبس الحائط في مكان قريب؟ ألن يكون رائعًا إذا كانت دقيقة جدًا ورقمية ويمكن التحكم فيها عبر الكمبيوتر الشخصي والهاتف؟

سأوضح لك في هذا الدليل كيفية إنشاء ذلك بالضبط: مصدر طاقة رقمي ، يتم تشغيله عبر USB C. وهو متوافق مع اردوينو ويمكن التحكم فيه عبر الكمبيوتر عبر USB أو عبر هاتفك عبر Bluetooth.

هذا المشروع هو تطور لإمداد الطاقة السابق ، والذي كان يعمل بالبطارية ويحتوي على شاشة عرض ومقابض. تحقق من ذلك هنا! ومع ذلك ، أردت أن أصبح أصغر حجمًا ، ولهذا السبب صنعت هذا!

يمكن تشغيل مصدر الطاقة من بنك بطارية USB C أو شاحن الهاتف. يتيح ذلك ما يصل إلى 15 واط من الطاقة ، وهو ما يكفي لتشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة! للحصول على واجهة مستخدم جيدة على مثل هذا الجهاز الصغير ، قمت بتضمين Bluetooth وتطبيق Android لعناصر التحكم ، مما يجعل هذا الإمداد بالطاقة محمولًا للغاية!

سأعرض عملية التصميم بأكملها ، ويمكن العثور على جميع ملفات المشروع على صفحة GitHub الخاصة بي:

هيا بنا نبدأ!

الخطوة 1: الميزات والتكلفة

سمات

• مدعوم من USB C
• يتم التحكم فيها عبر تطبيق Android عبر البلوتوث
• يتم التحكم فيها عبر Java عبر USB C.
• الجهد المستمر وأنماط التيار المستمر
• يستخدم منظمًا خطيًا منخفض الضوضاء ، مسبوقًا بمنظم تتبع مسبق لتقليل تبديد الطاقة
• مدعوم من ATMEGA32U4 ، مبرمج مع Arduino IDE
• يمكن تشغيله بواسطة بنك بطارية USB C لجعله محمولاً
• USB C وكشف شاحن Apple
• سدادات موز متباعدة 18 مم للتوافق مع محولات BNC

تحديد

• 0-1 أمبير ، خطوات 1 مللي أمبير (10 بت DAC)
• 0-25 فولت ، خطوات 25 مللي فولت (10 بت DAC) (تشغيل 0 فولت حقيقي)
• قياس الجهد: دقة 25 مللي فولت (10 بت ADC)
• القياس الحالي: <40mA: 10uA Resolution (ina219) <80mA: 20uA Resolution (ina219) <160mA: 40uA Resolution (ina219) <320mA: 80uA Resolution (ina219)> 320mA: 1mA Resolution (10 bit ADC)

كلفة

كلفني إمداد الطاقة الكامل حوالي 100 دولار ، مع جميع المكونات لمرة واحدة. على الرغم من أن هذا قد يبدو مكلفًا ، إلا أن إمداد الطاقة الذي يتميز بأداء وميزات أقل كثيرًا ما يكلف أكثر من ذلك. إذا كنت لا تمانع في طلب مكوناتك من ebay أو aliexpress ، فسينخفض السعر إلى حوالي 70 دولارًا. يستغرق إدخال الأجزاء وقتًا أطول ، لكنه خيار قابل للتطبيق.

الخطوة 2: تخطيطي ونظرية العملية

لفهم تشغيل الدائرة ، سيتعين علينا إلقاء نظرة على التخطيطي. قسمته إلى كتل وظيفية ، بحيث يسهل فهمها ؛ وبالتالي سأشرح العملية خطوة بخطوة ، هذا الجزء متعمق للغاية ويتطلب معرفة جيدة بالإلكترونيات. إذا كنت تريد فقط معرفة كيفية بناء الدائرة ، فيمكنك التخطي إلى الخطوة التالية.

الكتلة الرئيسية

تعتمد العملية على شريحة LT3080: وهي عبارة عن منظم جهد خطي ، يمكنه التنحي عن الفولتية ، بناءً على إشارة تحكم. سيتم إنشاء إشارة التحكم هذه بواسطة متحكم ؛ كيف يتم ذلك ، سيتم شرحه بالتفصيل لاحقًا.

ضبط الجهد

تولد الدائرة حول LT3080 إشارات التحكم المناسبة. أولاً ، سوف نلقي نظرة على كيفية ضبط الجهد. إعداد الجهد من المتحكم الدقيق هو إشارة PWM (PWM_Vset) ، والتي يتم تصفيتها بواسطة مرشح تمرير منخفض (C23 & R32). ينتج عن هذا جهدًا تناظريًا - بين 0 و 5 فولت - يتناسب مع جهد الخرج المطلوب. نظرًا لأن نطاق الإخراج لدينا هو 0-25 فولت ، فسيتعين علينا تضخيم هذه الإشارة بمعامل 5. يتم ذلك عن طريق تكوين opamp غير المقلوب لـ U7C. يتم تحديد الكسب إلى دبوس المجموعة بواسطة R31 و R36. هذه المقاومات تتحمل 0.1٪ لتقليل الأخطاء. لا يهم R39 و R41 هنا ، لأنهما جزء من حلقة التغذية الراجعة.

الإعداد الحالي

يمكن أيضًا استخدام دبوس المجموعة هذا للإعداد الثاني: الوضع الحالي. نريد قياس السحب الحالي ، وإيقاف تشغيل الإخراج عندما يتجاوز هذا التيار المطلوب. لذلك ، نبدأ مرة أخرى بإشارة PWM (PWM_Iset) ، التي تم إنشاؤها بواسطة وحدة التحكم الدقيقة ، والتي يتم الآن ترشيحها بمرور منخفض وتخفيفها للانتقال من نطاق 0-5 فولت إلى نطاق 0-2.5 فولت. تتم مقارنة هذا الجهد الآن بانخفاض الجهد عبر المقاوم المعنى الحالي (ADC_Iout ، انظر أدناه) من خلال تكوين المقارنة لـ opamp U1B. إذا كان التيار مرتفعًا جدًا ، فسيؤدي ذلك إلى تشغيل مؤشر ضوئي ، وسحب أيضًا خط ضبط LT3080 إلى الأرض (عبر Q1) ، وبالتالي إيقاف تشغيل الإخراج. يتم قياس التيار وتوليد الإشارة ADC_Iout على النحو التالي. يتدفق تيار الخرج عبر المقاوم R22. عندما يتدفق التيار عبر هذا المقاوم ، فإنه يخلق انخفاضًا في الجهد ، يمكننا قياسه ، ويوضع قبل LT3080 ، نظرًا لأن انخفاض الجهد عبره لا ينبغي أن يؤثر على جهد الخرج. يقاس انخفاض الجهد بمضخم تفاضلي (U7B) بكسب 5. ينتج عن هذا نطاق جهد يتراوح من 0 إلى 2.5 فولت (المزيد عن ذلك لاحقًا) ، ومن هنا يأتي مقسم الجهد عند إشارة PWM للتيار. المخزن المؤقت (U7A) موجود للتأكد من أن التيار المتدفق إلى المقاومات R27 و R34 و R35 لا يمر بمقاوم الإحساس الحالي ، مما يؤثر على قراءته. لاحظ أيضًا أن هذا يجب أن يكون opamp من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، لأن جهد الدخل عند الإدخال الموجب يساوي جهد الإمداد. المضخم غير المقلوب مخصص فقط لقياس المسار ، ولكن للقياسات الدقيقة للغاية ، لدينا شريحة INA219 على اللوحة. تسمح لنا هذه الشريحة بقياس التيارات الصغيرة جدًا ، ويتم معالجتها عبر I2C.

أشياء إضافية

عند إخراج LT3080 ، لدينا بعض الأشياء الأخرى. بادئ ذي بدء ، يوجد حوض تيار (LM334). هذا يرسم تيارًا ثابتًا قدره 677 uA (تم ضبطه بواسطة المقاوم R46) ، لتحقيق الاستقرار في LT3080. ومع ذلك ، فهو غير متصل بالأرض ، ولكن بجهد سالب VEE. هذا ضروري للسماح لـ LT3080 بالعمل حتى 0 فولت. عند التوصيل بالأرض ، سيكون أدنى جهد حوالي 0.7 فولت. وهذا يبدو منخفضًا بدرجة كافية ، لكن ضع في اعتبارك أن هذا يمنعنا من إيقاف تشغيل مزود الطاقة تمامًا. لسوء الحظ ، هذه الدائرة عند خرج LT3080 ، مما يعني أن تيارها سيساهم في تيار الخرج الذي نريد قياسه. لحسن الحظ ، إنه ثابت حتى نتمكن من معايرة هذا التيار. يتم استخدام الصمام الثنائي زينر D7 لتثبيت جهد الخرج إذا تجاوز 25 فولت ، ويقوم مقسم المقاوم بإسقاط نطاق جهد الخرج من 0-25 فولت إلى 0-2.5 فولت (ADC_Vout). يضمن المخزن المؤقت (U7D) أن المقاومات لا تسحب تيارًا من الإخراج.

مضخة الشحن

يتم إنشاء الجهد السالب الذي ذكرناه من قبل بواسطة دائرة صغيرة غريبة: مضخة الشحن. يتم تغذيته بواسطة 50٪ PWM من متحكم دقيق (PWM).

دفعة تحويل

دعنا الآن نلقي نظرة على جهد الدخل لمجموعتنا الرئيسية: VCC. نرى أنه من 5 إلى 27 فولت ، لكن انتظر ، USB يعطي 5 فولت كحد أقصى؟ في الواقع ، ولهذا السبب نحتاج إلى زيادة الجهد ، باستخدام ما يسمى بمحول التعزيز. يمكننا دائمًا زيادة الجهد إلى 27 فولت ، بغض النظر عن الإخراج الذي نريده ؛ ومع ذلك ، فإن هذا من شأنه أن يضيع الكثير من القوة في LT3080 وستصبح الأمور ساخنة بشكل ممتع! لذا بدلاً من القيام بذلك ، سنقوم بزيادة الجهد إلى أكثر قليلاً من جهد الخرج. يعد ارتفاع حوالي 2.5 فولت مناسبًا ، لحساب انخفاض الجهد في المقاوم بمعنى التيار والجهد المتسرب في LT3080. يتم ضبط الجهد بواسطة مقاومات على إشارة خرج محول التعزيز. لتغيير هذا الجهد أثناء الطيران ، نستخدم مقياس جهد رقمي ، MCP41010 ، والذي يتم التحكم فيه عبر SPI.

USB ج

هذا يقودنا إلى جهد الإدخال الحقيقي: منفذ USB! سبب استخدام USB C (نوع USB 3.1 على وجه الدقة ، USB C هو مجرد نوع الموصل) لأنه يسمح بتيار 3 أمبير عند 5 فولت ، وهذا بالفعل بعض الطاقة. ولكن هناك مشكلة ، يجب أن يكون الجهاز متوافقًا لرسم هذا التيار و "التفاوض" مع الجهاز المضيف. في الممارسة العملية ، يتم ذلك عن طريق توصيل مقاومين منسدلين بقدرة 5.1 كيلو (R12 و R13) بخط CC1 و CC2. بالنسبة للتوافق مع USB 2 ، تكون الوثائق أقل وضوحًا. باختصار: يمكنك رسم أي تيار تريده ، طالما أن المضيف يمكنه توفيره. يمكن التحقق من ذلك من خلال مراقبة جهد ناقل USB: عندما ينخفض الجهد أقل من 4.25 فولت ، يسحب الجهاز الكثير من التيار. تم الكشف عن هذا بواسطة المقارنة U1A وسوف يقوم بتعطيل الإخراج. كما أنه يرسل إشارة إلى الميكروكونترولر لضبط الحد الأقصى للتيار. على سبيل المكافأة ، تمت إضافة مقاومات لدعم الكشف عن معرف الشاحن لأجهزة شحن Apple و samsung.

5V منظم

عادةً ما يأتي جهد إمداد اردوينو 5 فولت مباشرة من USB. ولكن نظرًا لأن جهد USB يمكن أن يختلف بين 4.5 و 5.5 فولت وفقًا لمواصفات USB ، فإن هذا ليس دقيقًا بدرجة كافية. لذلك ، يتم استخدام منظم 5V ، والذي يمكن أن يولد 5V من الفولتية المنخفضة والعالية. ومع ذلك ، فإن هذا الجهد ليس دقيقًا بشكل رهيب ، ولكن يتم حله بخطوة معايرة حيث يتم تعديل دورة العمل لإشارة PWM وفقًا لذلك. يتم قياس هذا الجهد الكهربائي بواسطة مقسم الجهد المتكون من R42 و R43. ولكن نظرًا لأنه لم يكن لدي المزيد من المدخلات المجانية ، فقد اضطررت إلى القيام بواجب مزدوج لسحب الدبوس. عندما يتم تشغيل مزود الطاقة ، يتم تعيين هذا الدبوس أولاً كمدخل: فهو يقيس سكة الإمداد ويعاير نفسه. بعد ذلك ، يتم تعيينه كإخراج ويمكنه دفع خط تحديد الشريحة لمقياس الجهد.

2.56 فولت مرجع الجهد

توفر هذه الشريحة الصغيرة مرجع جهد 2.56 فولت دقيق للغاية. يستخدم هذا كمرجع للإشارات التناظرية ADC_Vout ، ADC_Iout ، ADC_Vbatt. لهذا السبب احتجنا إلى مقسمات الجهد لخفض هذه الإشارات إلى 2.5 فولت.

FTDI

الجزء الأخير من هذا الإمداد بالطاقة هو الارتباط بالعالم الخارجي القاسي. لهذا ، نحتاج إلى تحويل الإشارات التسلسلية إلى إشارات USB. لحسن الحظ ، يتم ذلك بواسطة ATMEGA32U4 ، هذه هي نفس الشريحة المستخدمة في Arduino Micro.

بلوتوث

جزء Bluetooth بسيط للغاية: تمت إضافة وحدة Bluetooth الجاهزة وتعتني بكل شيء من أجلنا. نظرًا لأن المستوى المنطقي هو 3.3 فولت (مقابل 5 فولت للميكروكونترولر) ، يتم استخدام مقسم الجهد لتسوية تحويل الإشارة.

وهذا كل ما في الأمر!

الخطوة 3: ثنائي الفينيل متعدد الكلور والإلكترونيات

الآن بعد أن فهمنا كيفية عمل الدائرة ، يمكننا البدء في بنائها! يمكنك ببساطة طلب PCB عبر الإنترنت من الشركة المصنعة المفضلة لديك (تكلفتي حوالي 10 دولارات) ، ويمكن العثور على ملفات gerber على GitHub ، جنبًا إلى جنب مع فاتورة المواد. إن تجميع ثنائي الفينيل متعدد الكلور هو في الأساس مسألة لحام المكونات في مكانها وفقًا للشاشة الحريرية وفاتورة المواد.

في حين أن إمداد الطاقة السابق الخاص بي كان يحتوي فقط على مكونات عبر الفتحة ، إلا أن قيود الحجم على جهازي الجديد جعل هذا الأمر مستحيلًا. لا تزال معظم المكونات سهلة اللحام نسبيًا ، لذلك لا تخف. كتوضيح: تمكن صديق لي لم يسبق له اللحام من قبل من ملء هذا الجهاز!

من الأسهل عمل المكونات على الجانب الأمامي أولاً ، ثم الظهر والانتهاء بمكونات الفتحة. عند القيام بذلك ، لن يتأرجح PCB عند لحام المكونات الأكثر صعوبة. آخر مكون يجب لحامه هو وحدة Bluetooth.

يمكن لحام جميع المكونات ، باستثناء مقابس الموز 2 ، والتي سنقوم بتركيبها في الخطوة التالية!

الخطوة 4: العلبة والتجميع

مع صنع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يمكننا الانتقال إلى الحالة. لقد قمت بتصميم PCB بشكل خاص حول علبة ألومنيوم 20x50x80mm (https://www.aliexpress.com/item/Aluminum-PCB-Instr…) ، لذلك لا ينصح باستخدام علبة أخرى. ومع ذلك ، يمكنك دائمًا طباعة حافظة ثلاثية الأبعاد بنفس الأبعاد.

الخطوة الأولى هي إعداد لوحة النهاية. سنحتاج إلى حفر بعض الثقوب لرافعات الموز. لقد فعلت ذلك يدويًا ، ولكن إذا كان لديك وصول إلى CNC ، فسيكون ذلك خيارًا أكثر دقة. أدخل رافعات الموز في هذه الثقوب وقم بلحامها على PCB.

من الجيد إضافة بعض الفوط الحريرية الآن ، وتثبيتها في مكانها بقطرة صغيرة من الغراء الفائق. سيسمح ذلك بنقل الحرارة بين LT3080 و LT1370 والعلبة. لا تنسوهم!

يمكننا الآن التركيز على اللوحة الأمامية ، التي تثبت فقط في مكانها. مع وجود كلتا اللوحتين في مكانهما ، يمكننا الآن إدخال المجموعة في العلبة وإغلاقها بالكامل. في هذه المرحلة ، تم الانتهاء من الأجهزة ، والآن كل ما تبقى هو إضفاء بعض الحيوية عليها باستخدام البرنامج!

الخطوة 5: كود اردوينو

العقل في هذا المشروع هو ATMEGA32U4 ، والذي سنبرمجه باستخدام Arduino IDE. في هذا القسم ، سوف أتناول العملية الأساسية للكود ، ويمكن العثور على التفاصيل كتعليقات داخل الكود.

يتم تكرار الكود بشكل أساسي من خلال الخطوات التالية:

1. إرسال البيانات إلى التطبيق
2. قراءة البيانات من التطبيق
3. قياس الجهد
4. قياس التيار
5. زر الاستطلاع

يتم التعامل مع التيار الزائد لـ USB من خلال روتين خدمة المقاطعة لجعله مستجيبًا قدر الإمكان.

قبل برمجة الشريحة عبر USB ، يجب حرق أداة تحميل التشغيل. يتم ذلك عبر منفذ ISP / ICSP (رؤوس الذكور 3x2) من خلال مبرمج ISP. الخيارات هي AVRISPMK2 أو USBTINY ISP أو اردوينو كمزود خدمة الإنترنت. تأكد من أن اللوحة تتلقى الطاقة واضغط على زر "حرق أداة تحميل التشغيل".

يمكن الآن تحميل الكود على اللوحة من خلال منفذ USB C (حيث أن الشريحة بها محمل إقلاع). اللوحة: Arduino Micro Programmer: AVR ISP / AVRISP MKII الآن يمكننا إلقاء نظرة على التفاعل بين Arduino وجهاز الكمبيوتر.

الخطوة 6: تطبيق Android

لدينا الآن مصدر طاقة يعمل بكامل طاقته ، ولكن لا توجد طريقة للتحكم فيه حتى الآن. مزعج جدا. لذلك سنقوم بإنشاء تطبيق Android للتحكم في إمداد الطاقة عبر البلوتوث.

تم إنشاء التطبيق باستخدام برنامج مخترع تطبيقات MIT. يمكن تضمين جميع الملفات لنسخ المشروع وتعديله. أولاً ، قم بتنزيل التطبيق المرافق MIT AI2 على هاتفك. بعد ذلك ، قم باستيراد ملف.aia على موقع AI. يتيح لك هذا أيضًا تنزيل التطبيق على هاتفك الخاص عن طريق اختيار "إنشاء> تطبيق (توفير رمز الاستجابة السريعة لـ.apk)"

لاستخدام التطبيق ، حدد جهاز Bluetooth من القائمة: سيظهر كوحدة HC-05. عند الاتصال ، يمكن تغيير جميع الإعدادات ويمكن قراءة ناتج مزود الطاقة.

الخطوة 7: كود جافا

لتسجيل البيانات والتحكم في إمداد الطاقة عبر جهاز الكمبيوتر ، قمت بإنشاء تطبيق جافا. هذا يسمح لنا بالتحكم بسهولة في اللوحة من خلال واجهة المستخدم الرسومية. كما هو الحال مع كود Arduino ، لن أخوض في كل التفاصيل ، لكني أعطي نظرة عامة.

نبدأ بإنشاء نافذة بها أزرار ، وحقول نصية ، إلخ ؛ الأشياء الأساسية في واجهة المستخدم الرسومية.

الآن يأتي الجزء الممتع: إضافة منافذ USB ، التي استخدمت فيها مكتبة jSerialComm. بمجرد تحديد المنفذ ، ستستمع جافا لأي بيانات واردة. يمكننا أيضًا إرسال البيانات إلى الجهاز.

علاوة على ذلك ، يتم حفظ جميع البيانات الواردة في ملف csv ، لمعالجة البيانات لاحقًا.

عند تشغيل ملف.jar ، يجب علينا أولاً اختيار المنفذ الصحيح من القائمة المنسدلة. بعد الاتصال ، ستبدأ البيانات في القدوم ، ويمكننا إرسال إعداداتنا إلى مزود الطاقة.

على الرغم من أن البرنامج أساسي جدًا ، فقد يكون من المفيد جدًا التحكم فيه عبر جهاز كمبيوتر وتسجيل بياناته.

الخطوة 8:

بعد كل هذا العمل ، لدينا الآن مصدر طاقة يعمل بكامل طاقته!

يمكننا الآن الاستمتاع بإمدادات الطاقة المصنوعة منزليًا ، والتي ستكون في متناول اليد أثناء العمل في مشاريع رائعة أخرى! والأهم من ذلك: لقد تعلمنا أشياء كثيرة على طول الطريق.

إذا أعجبك هذا المشروع ، فالرجاء التصويت لي في مسابقة حجم الجيب والمتحكم الدقيق ، سأكون ممتنًا حقًا!