Компактный программируемый карманный источник питания с OLED — совместим с Arduino

Компоненты и материалы

Arduino UNO (для прототипирования)	1
Arduino Nano R3 (в финальном устройстве)	1
XL6009 DC-DC Boost модуль	1
Тактильная кнопка 12 мм (SparkFun)	1
Кварц 16 МГц	1
Клеммник	1
Линейный стабилизатор с регулируемым выходом (LM317)	1
Линейный стабилизатор 7805 (5В)	1
Диод 1N4007	1
USB A-B кабель	1
Многооборотный потенциометр 10 кОм (25 оборотов)	1
Операционный усилитель OP07 (прецизионный)	1
Корпус розетки (generic socket box)	1
FR4 макетная плата	1
Перемычки	1 набор
Pin header 40 pin (0.1")	1
Резистор 10 кОм	1
Резистор 22.1 кОм	1
Резистор 1 кОм	1
Защелковое реле 5В 2А	1
Цифровой потенциометр MCP4131 10к (SparkFun)	1
Медная фольга/лента	1
Операционный усилитель LM358	1
OLED 1306 (SSD1306)	1

Инструменты

• Паяльник
• Клеевой пистолет
• Мини-дрель

Приложения и сервисы

• Arduino IDE

О проекте

Идея

Хоббистам часто нужен истоник питания для прототипов, проверки компонентов, тестирования лимитов. Лабораторные блоки питания дорогие и громоздкие. Я хотел программируемый, портативный, перезаряжаемый блок питания низкой стоимости. И сделал его.

Особенности:

• Программируемый (шаговое напряжение)
• Перезаряжаемый (Li-Po)
• Портативный
• Измерение напряжения/тока/мощности
• Защита защелковым реле
• Настраиваемый, компактный, с классным OLED-интерфейсом
• Управление кнопками, менюшная навигация
• Обновляемая прошивка для новых фич

Наиболее универсальный блок питания для низковольтной электроники.

Видео-демонстрация

Смотрите видео работы устройства (ссылка в оригинале).

Спецификации

• Макс. ток нагрузки: 400 мА
• Диапазон напряжения: 2.0 – 12.0 В
• Шаг напряжения: ~0.1 В
• Лучший КПД: 75%
• Точность тока: ±1 мА
• Точность напряжения: ±0.02 В

Это быстрый прототип. Можно сделать 0–30 В, отрицательное питание и больший ток, используя более емкие батареи, доп. электронику и улучшенный дизайн.

Принцип работы

Блок-схема системы:

1. Источник: 3.7В Li-Po, заряжается по USB. XL6009 поднимает до 15.6В. 7805 дает 5В для MCU.
2. MCU модуль: Arduino-клон (ATmega328P) + 2 прерывания от кнопок + OLED 1306 + UART для прошивки (модуль 1).
3. Генератор опорного напряжения: MCP4131 (Digipot) + LM358 → ступенчатое управляющее напряжение для LM317 (модуль 2).
4. Регулятор LM317: Vout = Vadj + 1.25В (при Vin ≥ 15.6В). Управляющее напряжение на Adjust пине задает выходное (модуль 3).
5. ADC измерения: Внутренний референс 1.1В. Делители напряжения для измерения Vbat, Vboost, Vcharge, Vout. Ток: нагрузка через 1 Ом шунт → OP07 (gain 2.5x) → ADC. 1 мА = 1 мВ на шунте → 2.5 мВ на OP07 → ADC (1.1В/1023 ≈ 1 мВ/шаг) → лимит 400 мА. Меняя gain OP07 — меняем лимит тока. Меняя boost и gain LM358 — диапазон напряжения.
6. Зарядка Li-Po: 5В USB → 1N4007 → 5 Ом → баттерия. Простая схема, не идеальная для Li-Po.
7. Защелковое реле: 2 катушки. Короткий импульс на катушку переключает контакты. Удерживает положение без питания.

Резюме работы: MCP4131 выдает 0–5В (129 шагов, ~40 мВ/шаг). LM358 усиливает ×2.5 → 0–12.5В шагом 0.1В. Это на Adjust пин LM317. Выход LM317 = Vstep + 1.25В. Ток измеряется через шунт 1 Ом + OP07.

Сборка проекта

1. Корпус: одноразовый коробок от розетки, вырезы под батарею, USB, выключатель.



2. Радиатор для XL6009 из медной ленты и монетки.





3. Установка boost-модуля в корпус.





4. Сборка 3 модулей: Arduino+I/O, Digipot+LM317, Current Sense.





5. Паяем «паутину» связей между платами.



6. Заполняем термоклеем, готово.

Прошивка и процедура работы

Прошивка v1.0.2 Beta. Не все фичи готовы, но основные: управление напряжением, реле, инфо на экране — работают.

• Ввод: 2 кнопки на INT0/INT1 (D2/D3) — falling edge interrupt. Конденсаторы для дебаунса. Код в прерываниях: вкл/выкл реле, инкремент/декремент напряжения.
• Вывод: OLED 1306 (U8glib) показывает напряжение, ток, мощность, аптайм, статус реле. Планируется графический (аналоговый) вид. Пины OLED: CLK=10, DIN=9, CS=11, D/C=13, RES=12. В loop() вызывается update_display().
• Таймер: Timer1 ATmega328P настроен на 1 сек для отсчета времени.
• Управление Digipot: MCP4131 через soft-SPI на пинах 6 (CS), 7 (CLK), 8 (DATA) — аппаратный SPI занят. Функции increment_digipot(), decrement_digipot().
• Реле: Пины 4 и 5 управляют транзисторами катушек. Короткий импульс переключает реле. Срабатывает авто (перегрузка/КЗ) или ручно.
• ADC: calc_VI() в loop() делает 20-кратное усреднение analogRead для V и I, обновляет переменные для дисплея.

Код разбит на вкладки: ADC, Digipot, Display_Fn, Interrupt, Relay, Timer — по функциям.

Ограничения

• Напряжение не опускается ниже 2.0 В
• Выход ступенчатый, не непрерывный
• Измерение тока смещает землю при больших токах
• Низкое разрешение ADC
• Худший КПД в классе при низком напряжении и высоком токе
• Нестандартная, немного небезопасная зарядка Li-Po

Ссылки

• Урок по потенциометру
• Урок по кнопке

Заключение

Этот программируемый источник питания помогает быстрее делать прототипы. Измерение В/А/Вт без мультиметра.

Код

Arduino Programmable Portable Power Supply (v1.0.1 с распиновкой в комментариях)

// Pin Reset, D0 & D1 for uploading Sketch
// Pin D9,D10,D11,D12,D13 for controlling OLED Display
// ADC A0 Pin for Sensing V_boost
// ADC A2 Pin for Sensing V_batt (LiPo)
// ADC A3 Pin for Sensing I_Output (Load)
// ADC A4 Pin for Sensing V_USB (Charging)
// ADC A5 Pin for Sensing V_Output (Load)
// Latch Relay's 2 Coils Driving Pin D4 & D5
#define RC1 4
#define RC2 5
// User Input Switchs connected to Pin D2 & D3
#define SW1 2
#define SW2 3
// Pin D6,D7,D8 for Digital Pot Control Pins
#define CS_PIN 6
#define CLK_PIN 7
#define DATA_PIN 8

volatile uint8_t Switch1 = 1;
volatile 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"
// SSD1306 oled waveshare(clk,din,cs,d/c,res); // THIS FOR WAVESHARE
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(10, 9, 11, 13, 12);

void setup(void) {
  analogReference(INTERNAL);
  u8g.setRot180();
  button_init();
  relay_init();
  init_timer1();
  digipot_init();
}

void loop(void) {
  update_display();
  calc_VI();
  if (Switch1 == 0) { rc1_latch(); Switch1 = 1; increment_digipot(); }
  if (Switch2 == 0) { rc2_latch(); Switch2 = 1; decrement_digipot(); }
  delay(100);
}

Code Ver 1.0.1 Beta

No preview (download only).

Code Ver 1.0.2 Beta

Bug Fix для выравнивания текста/боксов
Bug Fix для перегрузки
Еще несколько багфиксов в следующем релизе.
No preview (download only).

Code ver 1.0.3

Bug fix: отключение реле на выходе при включении питания
Bug fix: автоустановка выходного напряжения 5.00 В после включения
No preview (download only).

Схемы

https://circuits.io/circuits/4762970-arduino-based-programmable-power-supply