Mikrodenetleyici Tabanlı Akıllı Pil Şarj Cihazı: 9 Adım (Resimli)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:21

Birazdan göreceğiniz devre ATMEGA8A tabanlı, otomatik kesmeli akıllı bir akü şarj cihazıdır. Farklı şarj durumlarında LCD üzerinden farklı parametreler gösterilir. Ayrıca şarj tamamlandığında devre sesli uyarı ile ses verecektir.

Şarj cihazını temel olarak 11.1v/4400maH Li-ion pilimi şarj etmek için yaptım. Ürün yazılımı temel olarak bu pil tipini şarj etmek için yazılmıştır. Diğer pil türlerini şarj etme ihtiyaçlarınızı karşılamak için kendi şarj protokolünüzü yükleyebilirsiniz.

Bildiğiniz gibi akıllı akü şarj cihazları marketlerde kolaylıkla bulunabiliyor. Ama elektronik meraklısı olarak statik/değişmez fonksiyonları olan bir tane almaktansa kendim yapmak her zaman tercih sebebimdir. gelecekte yükseltin, bu yüzden bununla ilgili boşluk bıraktım.

Önceki 11.1v/2200mah Li-ion pilimi ilk aldığımda, internette akıllı kontrollü DIY pil şarj cihazlarını araştırdım. Ama çok sınırlı kaynaklar buldum. O zaman için LM317 tabanlı bir pil şarj cihazı yaptım ve işe yaradı benim için gerçekten iyi. Fakat önceki pilim zamanla (sebepsiz yere) bittiği için 11.1v/4400mah'lık başka bir Li-ion pil aldım. Fakat bu sefer önceki kurulum yeni pilimi şarj etmek için yetersizdi. İnternette biraz çalıştım ve kendi akıllı şarj cihazımı tasarlayabildim.

Bunu, güç elektroniği ve mikrodenetleyici üzerinde çalışmak konusunda gerçekten tutkulu olan ve ayrıca kendilerine ait bir akıllı şarj cihazı oluşturmaya ihtiyaç duyan birçok hobi/meraklısının olduğunu düşündüğüm için paylaşıyorum.

Li-ion pilin nasıl şarj edileceğine hızlıca bir göz atalım.

Adım 1: Li-ion Pil için Şarj Protokolü

Li-ion pili şarj etmek için belirli koşulların yerine getirilmesi gerekir. Koşulları sağlamazsak, piller yetersiz şarj olur veya (aşırı şarj edilmişse) ateşe verilir veya kalıcı olarak hasar görür.

Farklı pil türleri hakkında gerekli her şeyi bilmek için çok iyi bir web sitesi var ve piller üzerinde çalışmaya aşina iseniz elbette web sitesinin adını da biliyorsunuz…Evet, Batteryuniversity.com'dan bahsediyorum.

Li-ion pili şarj etmek için gerekli ayrıntıları öğrenmek için bağlantı burada.

Tüm bu teorileri okuyacak kadar tembelseniz, işin özü şudur.

1.3.7v Li-ion pilin tam şarjı 4.2v'dir. Bizim durumumuzda, 11.1v Li-ion pil, 3 x 3.7v pil anlamına gelir. Tam şarj için pilin 12.6v'a ulaşması gerekir, ancak güvenlik nedeniyle, biz 12.5v'a kadar şarj edecektir.

2. Pil tam şarja ulaşmak üzereyken, pilin şarj cihazından çektiği akım, nominal pil kapasitesinin %3'üne kadar düşer. Örneğin, hücre paketimin pil kapasitesi 4400 mah. Yani pil tam olarak şarj olduğunda, pilin çektiği akım 4400ma'nın yaklaşık %3-%5'i kadar yani 132 ile 220ma arasında olacaktır. 190ma (nominal kapasitenin yaklaşık %4'ü).

3. Toplam şarj işlemi iki ana bölüme ayrılmıştır 1-Sabit akım(CC modu), 2-Sabit voltaj(CV modu).(Ayrıca tepe şarj modu vardır, ancak bunu şarj cihazımızda şarj cihazı olarak uygulamayacağız. tam şarj olduğunda kullanıcıyı alarm vererek bilgilendirir, daha sonra pilin şarj cihazından ayrılması gerekir)

CC modu -

CC modunda, şarj cihazı pili 0,5c veya 1c şarj hızıyla şarj eder. Şimdi 0,5c/1c nedir????Basit olmak gerekirse, pil kapasiteniz 4400mah ise, CC modunda 0,5c 2200ma olacak ve 1c 4400ma şarj akımı olacak.'c' şarj/deşarj oranı anlamına gelir. Bazı piller ayrıca 2c'yi de destekler, yani CC modunda, şarj akımını 2x pil kapasitesine kadar ayarlayabilirsiniz ama bu delilik!!!!!

Ancak güvende olmak için, 4400mah pil için 1000ma şarj akımı seçeceğim yani 0.22c. Bu modda, şarj cihazı, şarj voltajından bağımsız olarak pilin çektiği akımı izleyecektir. Yani, şarj cihazı 1A şarj akımını artırarak koruyacaktır /akü şarjı 12.4v'a ulaşana kadar çıkış voltajını azaltın.

CV modu -

Artık akü voltajı 12.4v'a ulaştığında, şarj cihazı çıkışında 12,6 volt (akü tarafından çekilen akımdan bağımsız) tutacaktır. Artık şarj cihazı şarj döngüsünü iki şeye bağlı olarak durduracaktır. Akü voltajları 12,5v'u geçerse ve ayrıca şarj akımı 190ma'nın altına düşerse (daha önce açıklandığı gibi nominal pil kapasitesinin %4'ü), şarj döngüsü durdurulacak ve bir sesli uyarı duyulacaktır.

Adım 2: Şematik ve Açıklama

Şimdi devrenin çalışmasına bir göz atalım. Şematik pdf formatında BIN.pdf dosyasına eklenmiştir.

Devrenin giriş voltajı 19/20v olabilir. 19v almak için eski bir laptop şarj aleti kullandım.

J1, devreyi giriş voltajı kaynağına bağlamak için bir terminal konektörüdür. Q1, D2, L1, C9 bir buck dönüştürücü oluşturuyor. Şimdi bu da ne??Bu temelde bir DC'den DC'ye düşürücü dönüştürücüdür. dönüştürücünün, görev döngüsünü değiştirerek istenen çıkış voltajını elde edebilirsiniz. Buck dönüştürücüler hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız, bu sayfayı ziyaret edin. Ancak dürüst olmak gerekirse, bunlar teoriden tamamen farklıdır. L1 ve uygun değerleri değerlendirmek için C9 gereksinimlerim için 3 gün deneme yanılma sürdü. Farklı pilleri şarj edecekseniz bu değerlerin değişmesi olasıdır.

Q2, güç mosfet için sürücü transistörüdür Q1. R1, Q1 için bir polarlama direncidir. Çıkış voltajını kontrol etmek için Q2'nin tabanındaki pwm sinyalini besleyeceğiz. C13 bir dekuplaj kapağıdır.

Şimdi çıktı Q3'e beslenir. "Q3'ün burada kullanımı nedir??" Sorusu sorulabilir. Cevap oldukça basit, Basit bir anahtar gibi davranıyor. Pilin voltajını ne zaman ölçeceğiz?, şarj dönüştürücüsünden Şarj voltajı çıkışını kesmek için Q3'ü kapatacağız. Q4, kutuplama direnci R3 olan Q3'ün sürücüsüdür.

Yolda bir diyot D1 olduğuna dikkat edin. Diyotun burada yolda ne işi var?Bu cevap da çok basit. Devre çıkışta pil takılıyken devre giriş gücünden kesildiğinde, pilden gelen akım MOSFET Q3 & Q1'in gövde diyotları vasıtasıyla ters yoldaki akış ve böylece U1 ve U2 girişlerinde akü voltajını alacak ve devreyi akü voltajından çalıştıracaktır. Bunu önlemek için D1 kullanılır.

D1'in çıkışı daha sonra akım sensörü girişine (IP+) beslenir. Bu bir hall etkisi temel akım sensörüdür, yani akım algılama kısmı ve çıkış kısmı izole edilir. Akım sensör çıkışı (IP-) daha sonra beslemeye beslenir. akü. Burada R5, RV1, R6 akü voltajını/çıkış voltajını ölçmek için bir voltaj bölücü devre oluşturuyor.

Atmega8'in ADC'si burada akü voltajını ve akımını ölçmek için kullanılır. ADC maksimum 5v ölçebilir. Ama biz maksimum 20v ölçeceğiz (biraz boşluk payı ile). Voltajı ADC aralığına düşürmek için 4:1 voltaj bölücü kullanılır. Pot(RV1) ince ayar/kalibrasyon için kullanılır. Bunu daha sonra tartışacağım. C6 dekuplaj kapağıdır.

ACS714 akım sensörünün çıkışı da atmega8'in ADC0 pinine beslenir. Bu ACS714 sensörü ile akımı ölçeceğiz. Pololu 5A versiyonundan bir devre kartım var ve gerçekten harika çalışıyor. Bir sonraki aşamada bahsedeceğim. akım nasıl ölçülür.

LCD, normal bir 16x2 lcd'dir. Burada kullanılan lcd, atmega8'in pin sayısı sınırlı olduğu için 4 bit modunda yapılandırılmıştır. RV2, LCD için parlaklık ayar potudur.

Atmega8, iki dekuplaj kapağı C10/11 olan harici bir kristal X1 ile 16 mhz'de saatlidir. Atmega8'in ADC ünitesine 10uH'lik bir indüktör aracılığıyla Avcc pini aracılığıyla güç verilir. C7, C8, Agnd'ye bağlı dekuplaj kapaklarıdır. PCB yaparken Avcc ve Aref'e mümkün olduğu kadar yakın. Agnd pininin devrede gösterilmediğine dikkat edin.

Atmega8'in ADC'sini harici Vref kullanacak şekilde yapılandırdım, yani referans voltajını Aref pini üzerinden sağlayacağız. Bunun arkasındaki ana neden, maksimum olası okuma doğruluğunu elde etmektir. Dahili 2.56v referans voltajı, avrs'de çok büyük değil. Bu yüzden harici olarak yapılandırdım. Şimdi burada dikkat edilmesi gereken bir şey var. 7805(U2) yalnızca ACS714 sensörünü ve atmega8'in Aref pinini besliyor. Bu, optimum doğruluğu korumak içindir. ACS714, aşağıdaki durumlarda sabit bir 2.5v çıkış voltajı verir. içinden akım akışı yoktur. Ancak örneğin, ACS714'ün besleme voltajı düşürülecekse (4.7v diyelim) o zaman akımsız çıkış voltajı (2.5v) de düşecek ve uygun olmayan/hatalı akım okuması yaratacaktır.. Ayrıca gerilimi Vref'e göre ölçtüğümüz için Aref üzerindeki referans gerilimi hatasız ve kararlı olmalıdır. Bu yüzden kararlı bir 5v'ye ihtiyacımız var.

ACS714 & Aref'i atmega8'i ve lcd'yi besleyen U1'den beslersek, U1'in çıkışında önemli bir voltaj düşüşü olur ve amper ve voltaj okuması hatalı olur. Bu yüzden hatayı ortadan kaldırmak için burada U2 kullanılmıştır. sadece Aref ve ACS714'e kararlı bir 5v sağlayarak.

Gerilim okumasını kalibre etmek için S1'e basılır. S2 ileride kullanılmak üzere ayrılmıştır. Bu düğmeyi tercihinize göre ekleyebilir/eklemeyebilirsiniz.

Adım 3: Çalışıyor….

Güç verildiğinde, atmega8, Q2'nin tabanında %25 pwm çıkışı vererek buck dönüştürücüyü çalıştıracak. Sırasıyla, Q2 daha sonra Q1'i sürecek ve buck dönüştürücü başlatılacak. buck dönüştürücünün çıkışını kesmek için Q3 kapatılacak Atmega8 daha sonra rezistör bölücü üzerinden akü voltajını okur. Pil bağlı değilse, atmega8 16x2 lcd üzerinden "Pil takın" mesajı gösterir ve pili bekler. Daha sonra bir pil takılıysa, atmega8 voltajı kontrol edecektir. Voltaj 9v'dan düşükse, atmega8 16x2 lcd'de "Arızalı pil" gösterecektir.

9v'dan fazla bir pil bulunursa, şarj cihazı önce CC moduna girecek ve Q3 çıkış mosfetini açacaktır. Şarj modu (CC) hemen görüntülenecek şekilde güncellenecektir. Akü voltajı 12.4v'den fazla bulunursa, o zaman mega8 hemen CC modundan ayrılacak ve CV moduna girecektir. Akü voltajı 12.4v'den düşükse, mega8, pwm'nin görev döngüsünü değiştirerek buck dönüştürücünün çıkış voltajını artırarak/azaltarak 1A şarj akımını sürdürecektir.. Şarj akımı ACS714 akım sensörü tarafından okunacaktır. Buck çıkış voltajı, şarj akımı, PWM görev döngüsü periyodik olarak lcd'de güncellenecektir.

. Her 500ms aralıktan sonra Q3 kapatılarak akü voltajı kontrol edilecektir. Akü voltajı hemen lcd'ye güncellenecektir.

Şarj sırasında akü voltajı 12,4 volttan fazla olursa mega8 CC modundan çıkar ve CV moduna girer. Mod durumu hemen lcd'ye güncellenecektir.

Daha sonra mega8, kasanın görev çevrimini değiştirerek 12,6 volt çıkış voltajını koruyacaktır. Burada akü voltajı her 1s aralıktan sonra kontrol edilecektir. Akü voltajı 12,5v'nin üzerine çıkar çıkmaz kontrol edilecektir. eğer çekilen akım 190ma'nın altındaysa. Her iki koşul da karşılanırsa, Q3'ü kalıcı olarak kapatarak şarj döngüsü durdurulacak ve Q5 açıldığında bir buzzer çalacaktır. Ayrıca mega8, lcd üzerinden "Şarj tamamlandı" gösterecektir.

Adım 4: Gerekli Parçalar

Aşağıda, projeyi tamamlamak için gerekli parçalar listelenmiştir. Lütfen pinout için veri sayfalarına bakın. Yalnızca önemli parçalar veri sayfası bağlantısı sağlanmıştır.

1) ATMEGA8A x 1.(veri sayfası)

2) Pololu x 1'den ACS714 5A akım sensörü (Kullandığım diğer sensörler arasında en doğru olanı olduğu için Pololu'nun sensörünü kullanmanızı şiddetle tavsiye ederim. Burada bulabilirsiniz.) Pin çıkışı resimde açıklanmıştır.

3) IRF9540 x 2.(veri sayfası)

4) 7805 x 2(en kararlı 5v çıkışı verdikleri için Toshiba orijinal yedeklerinden önerilir).(veri sayfası)

5) 2n3904 x 3.(veri sayfası)

6) 1n5820 schottky x 2.(veri sayfası)

7) 16x2 LCD x 1.(veri sayfası)

8) 330uH/2A güç indüktörü x 1 (coilmaster'dan tavsiye edilir)

9) 10uH indüktör x 1 (küçük)

10) Dirençler -(Tüm dirençler %1 MFR tipindedir)

150R x 3

680R x 2

1k x 1

2k2 x 1

10k x 2

22k x 1

5k pot x 2 (pcb montaj tipi)

11) Kapasitörler

Not: C4 kullanmadım. 19v güç kaynağı olarak Laptop güç kaynağı/Regüleli güç kaynağı kullanıyorsanız kullanmanıza gerek yoktur.

100uF/25v x 3

470uF/25v x 1

1000uF/25v x 1

100n x 8

22p x 2

12) PCB montajlı anlık basmalı anahtar x 2

13) 20v Zil x 1

14) 2 pinli Terminal bloğu konektörü x 2

15) Dolap(Ben böyle bir dolap kullandım.) Dilediğiniz gibi kullanabilirsiniz.

16) 19v dizüstü bilgisayar güç kaynağı(Bir hp dizüstü bilgisayar güç kaynağını değiştirdim, İstediğiniz türde güç kaynağını kullanabilirsiniz. Bir tane oluşturmak istiyorsanız, bu talimatlarımı ziyaret edin.)

17)U1 & Q1 için orta boy soğutucu. Bu tip kullanabilirsiniz. Veya devre resimlerime bakabilirsiniz. Ama her ikisi için de soğutucu kullandığınızdan emin olun.

18) Banana konnektör - Dişi(Siyah & Kırmızı) x 1 + Erkek(Siyah & Kırmızı)(konektör ihtiyacınıza bağlı olarak)

Adım 5: Hesaplama Zamanı……

Gerilim ölçüm hesabı:

Atmega8 adc'yi kullanarak ölçeceğimiz maksimum voltaj 20v'dir. Ama atmega8'in adc'si maksimum 5v ölçebilir. Yani 20v'yi 5v aralığında yapmak için burada 4:1 voltaj bölücü kullanılır (20v/4=5v olarak). Yani bunu sadece iki direnç kullanarak uygulayabiliriz, ancak bizim durumumuzda, iki sabit direnç arasına bir pot ekledim, böylece potu çevirerek doğruluğu manuel olarak ayarlayabiliriz. ADC'nin çözünürlüğü 10bit, yani adc 0v ila 5v'yi 0 ila 1023 ondalık sayılar veya 00h ila 3FFh olarak temsil edecektir.('h' onaltılık sayılar anlamına gelir). Referans, Aref pini aracılığıyla harici olarak 5v'ye ayarlanır.

Yani ölçülen voltaj = (adc okuması) x (Vref=5v) x (direnç bölücü faktörü yani bu durumda 4) / (maksimum adc okuması yani 10bit adc için 1023).

512'lik bir adc okuma aldığımızı varsayalım. O zaman ölçülen voltaj -

(512 x 5 x 4) / 1023 = 10v

Akım ölçüm hesaplaması:

ACS714, IP+'dan IP-'ye akım akmadığında çıkış pininde 2.5v kararlı çıkış verecektir. 2.5v üzerinden 185mv/A verecektir, yani örneğin, devreden 3A akım geçiyorsa, acs714 verecektir. 2.5v+(0.185 x 3)v = 3.055v çıkış pininde.

Dolayısıyla mevcut ölçüm formülü aşağıdaki gibidir -

Ölçülen akım=(((adc okuma)*(Vref=5v)/1023)-2.5)/0.185.

örneğin, adc okuması 700'dür, o zaman ölçülen akım - (((700 x 5)/1023) - 2.5)/0.185 = 4.98A olacaktır.

6. Adım: Yazılım

Yazılım Winavr'da GCC kullanılarak kodlanmıştır. Kodu modülerleştirdim yani adc kitaplığı, lcd kitaplığı vb. gibi farklı kitaplıklar oluşturdum. Adc kitaplığı, adc ile kurulum ve etkileşim için gerekli komutları içerir. 16x2 lcd'yi sürmek için işlevler. Bu kütüphanede lcd'nin başlatma sırası değiştirildiği için lcd_updated _library.c'yi de kullanabilirsiniz. Güncellenmiş kütüphaneyi kullanmak istiyorsanız, lcd.c ile yeniden adlandırın.

main.c dosyası ana fonksiyonları içerir. Li-ion için şarj protokolü burada yazılmıştır. Main.c'de ref_volt'u lütfen U2(7805) çıkışını hassas bir multimetre ile ölçerek hesaplamalar olarak doğru okumalar elde etmek için tanımlayın. buna dayalıdır.

Baş ağrısını atlamak için.hex dosyasını doğrudan mega8'inize yazabilirsiniz.

Başka bir şarj protokolü yazmak isteyenler için, her satır çalışması için bir çocuğun bile neler olduğunu anlayabileceği kadar yorum yaptım. Sadece farklı pil tipi için kendi protokolünüzü yazmanız gerekiyor. Li- kullanıyorsanız (Diğer li-ion/diğer pil türleri için test edilmemiş olsa da, bunu kendiniz halletmeniz gerekir).

Bu ilk projenizse veya mikrodenetleyici/güç elektroniği konusunda yeniyseniz, bu devreyi kurmamanızı şiddetle tavsiye ederim.

Açılma sorunu yarattığı için Makefile dışındaki her dosyayı orijinal biçiminde yükledim..txt biçiminde yükledim. İçeriği kopyalayıp yeni bir Makefile'a yapıştırın ve tüm projeyi oluşturun. Voila….hex dosyasını yakmaya hazırsınız.

Adım 7: Yeter Teori….. Haydi Bulalım

İşte prototipimin breadboard'dan pcb'de son haline getirilmiş resimleri. Daha fazla bilgi için lütfen resimlerin notlarını inceleyin. Resimler baştan sona seri olarak düzenlenmiştir.

Adım 8: İlk Şarj Döngüsü Öncesi……. Kalibrasyon!!!

Bir pili şarj cihazını kullanarak şarj etmeden önce, önce kalibre etmeniz gerekir. Aksi takdirde pili şarj edemez/aşırı şarj edemez.

İki tip kalibrasyon vardır 1) Voltaj kalibrasyonu. 2)Mevcut kalibrasyon. Kalibrasyon için adımlar aşağıdaki gibidir.

İlk önce U2'nin çıkış voltajını ölçün. Ardından ana.c'de ref_volt olarak tanımlayın. Mine 5.01 idi. Ölçümünüze göre değiştirin. Bu, Gerilim ve Akım kalibrasyonu için gerekli ana adımdır. Akım kalibrasyonu için hiçbir şey başka bir şey gereklidir. Her şey yazılımın kendisi tarafından halledilecektir.

Main.c'de ref voltu tanımladıktan sonra hex dosyasını yaktığınıza göre, ünitenin gücünü kesin.

. Şimdi şarj edeceğiniz akü voltajını multimetre ile ölçünüz ve aküyü cihaza bağlayınız.

Şimdi S1 düğmesine basın ve basılı tutun ve düğme basılıyken devreye güç verin. Yaklaşık 1s'lik kısa bir gecikmeden sonra, S1 düğmesini bırakın. Önce devreye güç verirseniz, ünitenin kalibrasyon moduna girmeyeceğini unutmayın, ardından düğmesine basın. S1.

Artık ekranda devrenin kalibrasyon moduna girildiğini görebilirsiniz. Akü voltajı ile birlikte lcd'de "cal modu" görüntülenecektir. Şimdi lcd'de gösterilen akü voltajını potu çevirerek multimetre okumanız ile eşleştirin.. İşiniz bittiğinde tekrar S1 anahtarına basın, yaklaşık bir saniye basılı tutun ve bırakın. Kalibrasyon modundan çıkmış olacaksınız. Şarj cihazını kapatıp açarak tekrar sıfırlayın.

Yukarıdaki işlem akü bağlı olmadan da yapılabilir. Çıkış terminaline (J2) harici bir güç kaynağı bağlamanız gerekir. Kalibrasyon moduna girdikten sonra potu kullanarak kalibre edin. Ancak bu sefer önce harici güç kaynağının bağlantısını kesin ve ardından düğmesine basın. Kalibrasyon modundan çıkmak için S1. Bu, herhangi bir ünitenin herhangi bir tür arızasını önlemek için önce harici güç kaynağının bağlantısını kesmek için gereklidir.

Adım 9: Kalibrasyondan Sonra Açma….. Artık Rock Yapmaya Hazırsınız

Artık kalibrasyon tamamlandığında, şarj işlemini başlatabilirsiniz. Önce pili takın, ardından üniteyi açın. Gerisi şarj cihazı tarafından halledilecektir.

Devrem %100 çalışıyor ve test edildi. Ancak bir şey fark ederseniz lütfen bana bildirin. Ayrıca herhangi bir sorunuz için iletişime geçmekten çekinmeyin.

Mutlu bina.

Rgds // Sharanya