設備規格

該設備具有以下規格：

• 最大輸出直流負載電流：400 mA
• 電壓范圍：2.0 伏 - 12.0 伏
• 電壓步長：約 0.1 伏
• 最佳效率：75 %
• 電流測量精度：+/- 1 mA
• 電壓測量精度：+/- 0.02 伏

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與外部萬用表串聯的電流測量檢查

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用萬用表測量電壓

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請注意，此設備是一個快速原型。通過使用高容量電池、附加電子設備和升級設計，可以實現 0-30 甚至負電源和更多輸出電流。

工作原則

設計本身是硬件密集型的。這里發生了很多事情。系統的粗略框圖如下所示：

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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 產生 15.6 伏的電壓。為了運行 MCU，我們還使用 7805 穩壓器制作了 5 伏電壓。

Arduino UNO 克隆 Atmega328P 與 2 個基于中斷的用戶輸入開關連接，一個優雅的 OLED 輸出顯示器。Rx/Tx/DTR 固件（草圖）通過 USB/串行從 PC 上傳端口。（模塊 1）

該項目的核心是基于MCP4131 數字電位器 (Digipot) + LM 358 OpAmp的步進電壓發生器。該電壓是 LM317 可調穩壓器的控制電壓。（模塊 2）

Digipot 通過類似 Pseudo-SPI 的命令從 Arduino 控制。LM317 的設計方式是輸出引腳電壓始終比調整引腳電壓高 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整引腳，以根據用戶的需要從 Arduino 創建可變輸出。

ADC 測量與監控和保護相關的所有電壓；電池電壓、升壓電壓、充電檢測電壓和輸出電壓通過分壓器網絡進行調節，用于為 ADC 范圍供電，此處為 0-1.1 伏。我使用了 Arduino 的內部參考，它創建了 1.1 伏的參考電壓。

對于電流檢測，輸出負載的返回（負載接地）與 1 歐姆電流檢測電阻串聯連接到系統接地。當電流流過外部負載時，該檢測電阻器中也會產生電壓降。該電壓通過 OP07 精密運算放大器放大并饋送到 ADC 引腳之一。

最后，對于電池充電，來自 USB 的 5 伏電壓與 4007 二極管和 5 歐姆限流電阻串聯連接到鋰聚合物電池。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：MCP4131 數字電位器產生 0-5 伏特范圍內的階躍電壓，階躍約為 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，步長為 0.1 伏。這個放大的階躍電壓信號被饋送到 LM317 的調整引腳。LM317 產生 V_Step+1.25 伏的輸出電壓，提供給外部負載。外部負載的返回/接地通過 1 歐姆電流檢測電阻器連接到內部接地。假設：x mA 電流流向外部負載，它將產生x1 歐姆電流檢測電阻上的 mV 壓降（歐姆定律 V=I*R）。這個小電壓信號被饋送到配置為 2.5X 增益的低偏移 (10uV) 運算放大器 OP07，這將產生2.5x毫伏輸出。Arduino ADC 配置有 1.1 伏的內部基準電壓，因此可以以大約 1 mV (1100/1023) 的步長檢測 0 -1100 mV 的電壓。OP07 的輸出連接到 Arduino ADC 以進行電流感應。這就是電流限制為 400mA 的原因。可以通過改變 OP07 的增益來增加/減少它。類似地，可以通過改變 LM358 的升壓電壓和增益來改變輸出電壓范圍。其他電壓是使用電阻分壓器網絡衰減電壓以適應 ADC 范圍測量的。鎖存繼電器有 2 個線圈。通過向任何線圈施加瞬時電源，可以切換繼電器觸點。一旦切換，它就會保持在那里，因此線圈會立即斷電。

構建項目

首先，我們從單個開關插座盒開始，并為放置電池、USB 充電端口、電源開關等進行必要的切割和對齊。

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電池放置

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接下來，用銅帶和硬幣制作散熱器，用于 DC-DC 升壓模塊。

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1 / 2 ?散熱器

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升壓模塊放置在插座盒內：

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放置的直流模塊

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焊接前的所有零件

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使用以上部分，制作了以下3個模塊：

• Arduino + I/O + 控制模塊
• 步進電壓和可調穩壓器模塊
• 電流感應模塊

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1 / 2 ? 3 個模塊

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最后，所有板之間的蜘蛛網連接被連接和焊接。

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互聯！

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使用熱膠作為填充物后，我們終于有了：

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Arduino電源

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開發固件和操作程序

固件（Arduino Sketch）現在是 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來預熱與不同外部硬件相關的 Arduino 引腳。

輸入：有 2 個基于中斷的輸入按鈕，用于增加/減少輸出電壓，訪問菜單（此版本不可用）。Arduino 引腳 2 和 3 上的 INT0 和 INT1 編碼為下降沿中斷。您將看到 2 個電容器與機械開關并聯，用于去抖動。編寫代碼以在用戶按下這些開關通過繼電器打開/關閉輸出或增加/減少電壓（Beta）時觸發中斷。

輸出：1306 OLED 顯示從 ADC、內部定時器（用于設備運行時間）和標志變量獲取數據的輸出信息，以告知用戶輸出啟用/禁用狀態。基于 U8G 庫，OLED 將信息打印為文本和數字。我有使用圖形（模擬類型）表示的計劃。

SSD1306 的 5 個數字引腳（Waveshare 的 OLED）clk、din、cs、d/c、res 連接到 Arduino 10、9、11、13、12 引腳并進行相應編程。在主循環中，每次都會調用函數來更新 OLED 上的信息。update_display()

Atmega328P 的內部定時器 1 配置為每 1 秒定期觸發以跟蹤時間。

控制：MCP 4131 數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、數據引腳，數據通過適當的時鐘和延遲移出。這就像慢速軟 SPI。由于我已經在其他地方用完了硬件 SPI 引腳，所以這是當時唯一的解決方案。increment_digipot()decrement_digipot()

兩個數字引腳 4 和 5 用于控制自鎖繼電器。一個短的高脈沖被饋送到繼電器驅動晶體管以激勵 2 個線圈以翻轉繼電器。它既可以自動發生（在過載/短路期間），也可以由用戶手動發生。

ADC：主循環中的函數執行 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

草圖寫在多個選項卡中，以組織與不同操作相關的不同功能的代碼。有 ADC、Digipot、、中斷、繼電器和定時器選項卡排列所有用戶定義的功能。我也會嘗試添加更多注釋來解釋所有功能，但您應該不會覺得難以理解，因為這些功能是基于執行某些任務的多個 Arduino 功能。Display_Fn

局限性

該設備有一些嚴重的限制：

• 電壓不能低于 2.0 V
• 電壓輸出階躍不連續
• 電流測量會為大電流產生接地偏移
• ADC 測量具有低分辨率
• 在低壓大電流負載下效率是同類產品中最差的
• 非標準，稍不安全的鋰電池充電

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參考

您可以在這些教程中了解有關每個組件的更多信息：

• 旋轉電位器
• 按鈕教程

結論 ＆

這種可編程電源將幫助我更有效地制作項目/原型。不使用萬用表測量電壓電流功率。

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