如何制作一個(gè)帶OLED顯示屏的可編程袖珍電源

作為業(yè)余愛(ài)好者，我們經(jīng)常需要為原型供電，檢查項(xiàng)目的電壓、電流、功率限制，測(cè)試新購(gòu)買(mǎi)的組件。在這項(xiàng)工作中始終需要可變電源。但不幸的是，并非我們所有人都有工作臺(tái)/實(shí)驗(yàn)室電源。如果買(mǎi)的話也很貴，如果需要攜帶的話會(huì)很笨重。我一直在尋找一種成本更低、便攜性和生產(chǎn)力高的可編程電源，用于為我的原型和測(cè)試組件供電。所以，我決定做一個(gè)。

特點(diǎn)：

可編程的

可充電的

便攜的

步進(jìn)變量

電壓/電流/功率計(jì)

保護(hù)繼電器

可定制，小巧可愛(ài)

酷炫的 OLED 用戶界面

按鈕用戶控制和基于菜單的導(dǎo)航

固件可升級(jí)以獲得更多功能！

以及適用于低功率電子項(xiàng)目的最通用電源。

設(shè)備規(guī)格：

最大輸出直流負(fù)載電流：400 mA

電壓范圍：2.0 伏 - 12.0 伏

電壓步長(zhǎng)：約 0.1 伏

最佳效率：75 %

電流測(cè)量精度：+/- 1 mA

電壓測(cè)量精度：+/- 0.02 伏

請(qǐng)注意，此設(shè)備是一個(gè)快速原型。通過(guò)使用高容量電池、附加電子設(shè)備和升級(jí)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn) 0-30 甚至負(fù)電源和更多輸出電流。

工作原則

設(shè)計(jì)本身是硬件密集型的。這里發(fā)生了很多事情。系統(tǒng)的粗略框圖如下所示：

電源是 USB 可充電的 3.7 V 鋰聚合物電池。首先使用 XL6009 DC-DC 升壓模塊，我們從 Li-Po 產(chǎn)生 15.6 伏的電壓。為了運(yùn)行 MCU，我們還使用 7805 穩(wěn)壓器制作了 5 伏電壓。

Arduino UNO 克隆 Atmega328P 與 2 個(gè)基于中斷的用戶輸入開(kāi)關(guān)連接，一個(gè)優(yōu)雅的 OLED 輸出顯示器。Rx/Tx/DTR 固件（草圖）通過(guò) USB/串行從 PC 上傳端口。（模塊 1）

該項(xiàng)目的核心是基于MCP4131 數(shù)字電位器 （Digipot） + LM 358 OpAmp的步進(jìn)電壓發(fā)生器。該電壓是 LM317 可調(diào)穩(wěn)壓器的控制電壓。（模塊 2）

Digipot 通過(guò)類(lèi)似 Pseudo-SPI 的命令從 Arduino 控制。LM317 的設(shè)計(jì)方式是輸出引腳電壓始終比調(diào)整引腳電壓高 1.25 伏，前提是輸入引腳的電壓足夠高（此處為 15.6 伏）。（模塊 3）

階躍電壓被饋送到調(diào)整引腳，以根據(jù)用戶的需要從 Arduino 創(chuàng)建可變輸出。

ADC 測(cè)量與監(jiān)控和保護(hù)相關(guān)的所有電壓；電池電壓、升壓電壓、充電檢測(cè)電壓和輸出電壓通過(guò)分壓器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)，用于為 ADC 范圍供電，此處為 0-1.1 伏。我使用了 Arduino 的內(nèi)部參考，它創(chuàng)建了 1.1 伏的參考電壓。

對(duì)于電流檢測(cè)，輸出負(fù)載的返回（負(fù)載接地）與 1 歐姆電流檢測(cè)電阻串聯(lián)連接到系統(tǒng)接地。當(dāng)電流流過(guò)外部負(fù)載時(shí)，該檢測(cè)電阻器中也會(huì)產(chǎn)生電壓降。該電壓通過(guò) OP07 精密運(yùn)算放大器放大并饋送到 ADC 引腳之一。

最后，對(duì)于電池充電，來(lái)自 USB 的 5 伏電壓與 4007 二極管和 5 歐姆限流電阻串聯(lián)到鋰聚合物電池。這是一種粗略的充電方法，不是最適合鋰電池充電的方法。

操作總結(jié)：

MCP4131 數(shù)字電位器產(chǎn)生 0-5 伏特范圍內(nèi)的階躍電壓，步長(zhǎng)約為 40mV（7 位 10K Digipot 有 129 階 5V/128 = 0.40 mV），然后由 LM358 放大 2.5 倍，給出0-12.5 伏控制電壓范圍，步長(zhǎng)為 0.1 伏。這個(gè)放大的階躍電壓信號(hào)被饋送到 LM317 的調(diào)整引腳。LM317 產(chǎn)生 V_Step+1.25 伏的輸出電壓，提供給外部負(fù)載。外部負(fù)載的返回/接地通過(guò) 1 歐姆電流檢測(cè)電阻器連接到內(nèi)部接地。

假設(shè)：x mA 電流流向外部負(fù)載，它將產(chǎn)生x1 歐姆電流檢測(cè)電阻上的 mV 壓降（歐姆定律 V=I*R）。這個(gè)小電壓信號(hào)被饋送到配置為 2.5X 增益的低偏移 （10uV） 運(yùn)算放大器 OP07，這將產(chǎn)生2.5x毫伏輸出。Arduino ADC 配置有 1.1 伏的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，因此可以以大約 1 mV （1100/1023） 的步長(zhǎng)檢測(cè) 0 -1100 mV 的電壓。OP07 的輸出連接到 Arduino ADC 以進(jìn)行電流感應(yīng)。這就是電流限制為 400mA 的原因?？梢酝ㄟ^(guò)改變 OP07 的增益來(lái)增加/減少它。類(lèi)似地，可以通過(guò)改變 LM358 的升壓電壓和增益來(lái)改變輸出電壓范圍。其他電壓是使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)衰減電壓以適應(yīng) ADC 范圍測(cè)量的。鎖存繼電器有 2 個(gè)線圈。通過(guò)向任何線圈施加瞬時(shí)電源，可以切換繼電器觸點(diǎn)。一旦切換，它就會(huì)保持在那里，因此線圈會(huì)立即斷電。

構(gòu)建項(xiàng)目

首先，我們從單個(gè)開(kāi)關(guān)插座盒開(kāi)始，并為放置電池、USB 充電端口、電源開(kāi)關(guān)等進(jìn)行必要的切割和對(duì)齊。

接下來(lái)，用銅帶和硬幣制作散熱器，用于 DC-DC 升壓模塊。

升壓模塊放置在插座盒內(nèi)：

使用以上部分，制作了以下3個(gè)模塊：

Arduino + I/O + 控制模塊

步進(jìn)電壓和可調(diào)穩(wěn)壓器模塊

電流感應(yīng)模塊

最后，所有板之間的連接被連接和焊接。

使用熱膠作為填充物后，我們終于有了：

開(kāi)發(fā)固件和操作程序

固件（Arduino Sketch）現(xiàn)在是 1.0.2 Beta。目前并非所有功能都可用。但啟用了控制電壓、連接/斷開(kāi)繼電器、查看信息等最重要的功能。在void setup（） 其中很少有初始化函數(shù)來(lái)預(yù)熱與不同外部硬件相關(guān)的 Arduino 引腳。

輸入：有 2 個(gè)基于中斷的輸入按鈕，用于增加/減少輸出電壓，訪問(wèn)菜單。Arduino 引腳 2 和 3 上的 INT0 和 INT1 編碼為下降沿中斷。您將看到 2 個(gè)電容器與機(jī)械開(kāi)關(guān)并聯(lián)，用于去抖動(dòng)。編寫(xiě)代碼以在用戶按下這些開(kāi)關(guān)通過(guò)繼電器打開(kāi)/關(guān)閉輸出或增加/減少電壓（Beta）時(shí)觸發(fā)中斷。

輸出：1306 OLED 顯示輸出信息，從 ADC、內(nèi)部定時(shí)器（用于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間）和標(biāo)志變量獲取數(shù)據(jù)，以告知用戶輸出啟用/禁用狀態(tài)?；?U8G 庫(kù)，OLED 將信息打印為文本和數(shù)字。我有使用圖形（模擬類(lèi)型）表示的計(jì)劃。

SSD1306 的 5 個(gè)數(shù)字引腳（Waveshare 的 OLED）clk、din、cs、d/c、res 連接到 Arduino 10、9、11、13、12 引腳并進(jìn)行相應(yīng)編程。在主循環(huán)中，每次都會(huì)調(diào)用函數(shù)來(lái)更新 OLED 上的信息。

update_display（）

Atmega328P 的內(nèi)部定時(shí)器 1 配置為每 1 秒定期觸發(fā)以跟蹤時(shí)間。

控制：MCP 4131 數(shù)字電位器是一種控制器，具有以下功能：使用引腳 6、7、8 作為 CS、Clk、數(shù)據(jù)引腳，數(shù)據(jù)通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘和延遲移出。這就像慢速軟 SPI。由于我已經(jīng)在其他地方用完了硬件 SPI 引腳，所以這是當(dāng)時(shí)唯一的解決方案。

increment_digipot（）decrement_digipot（）

兩個(gè)數(shù)字引腳 4 和 5 用于控制自鎖繼電器。一個(gè)短的高脈沖被饋送到繼電器驅(qū)動(dòng)晶體管以激勵(lì) 2 個(gè)線圈以翻轉(zhuǎn)繼電器。它既可以自動(dòng)發(fā)生（在過(guò)載/短路期間），也可以由用戶手動(dòng)發(fā)生。

ADC：主循環(huán)中的函數(shù)執(zhí)行 獲取 20 次平均電壓和電流信息并更新變量以獲得新信息，然后將其打印在顯示器上

calc_VI（）analogRead

草圖寫(xiě)在多個(gè)選項(xiàng)卡中，以組織與不同操作相關(guān)的不同功能的代碼。有 ADC、Digipot、、中斷、繼電器和定時(shí)器選項(xiàng)卡排列所有用戶定義的功能。我也會(huì)嘗試添加更多注釋來(lái)解釋所有功能，但您應(yīng)該不會(huì)覺(jué)得難以理解，因?yàn)檫@些功能是基于執(zhí)行某些任務(wù)的多個(gè) Arduino 功能。

Display_Fn

局限性

該設(shè)備有一些嚴(yán)重的限制：

電壓不能低于 2.0 V

電壓輸出階躍不連續(xù)

電流測(cè)量會(huì)為大電流產(chǎn)生接地偏移

ADC 測(cè)量具有低分辨率

在低壓大電流負(fù)載下效率是同類(lèi)產(chǎn)品中最差的

非標(biāo)準(zhǔn)，稍不安全的鋰電池充電

結(jié)論

這種可編程電源將幫助我更有效地制作項(xiàng)目/原型。不使用萬(wàn)用表測(cè)量電壓電流功率。