WeMos D1 Mini на TP5410

Модуль ИБП с контроллером заряда литиевого аккумулятора WeMos D1 Mini на чипе TP5410

Одновременно с выходом в недалёком 2014 году чипа беспроводной связи ESP8266EX по стандарту WiFi, набравшего по-настоящему оглушительную популярность в кругу любителей собирать самодельные устройства, компания WEMOS Electronics представила общественности большую линейку собственных модульных электронных плат под торговой маркой WeMos, задав новый вектор развития ардуино-совместимых платформ. Взяв за основу микроконтроллер от компании Espressif Systems, разработчики значительно потрудились не только над уменьшением размеров базовых модулей, сделав их максимально компактными, но и над выпуском целого спектра расширений, предложив пользователям богатый функционал, способный помочь в реализации задач различного уровня сложности при проектировании и конструировании разнообразных полезных изобретений.

Современные электронные продукты WeMos входят в категорию эффективных низкоценовых решений и позиционируются создателями как открытая платформа для самостоятельной разработки многоцелевых устройств на основе беспроводной связи по технологии WiFi. При этом основной упор сделан на создание и развитие изделий с поддержкой сетей нового поколения "Интернет вещей" (англ. - Internet of Things, IoT), чему активно способствуют существующие возможности облачных вычислений и межмашинных взаимодействий.

Чтобы потребитель не смог запутаться в физической совместимости плат, каждая серия обладает своими отличительными особенностями. Например, серия WeMos D1 Mini, к которому принадлежит Модуль заряда аккумулятора, имеет синий цвет поверхности и небольшой скруглённый угловой вырез рядом с маркировкой 3V3. Вырез служит ориентиром, гарантирующим правильное совмещение нескольких плат между собой.

Технические характеристики

• Модель: 1.1.0
• Основное питание: 5В от USB
• Резервное питание: 3.7В (3.3-4.2В), внешний литиевый аккумулятор
• Ток заряда: 0.5 / 1А
• Ток потребления без нагрузки: менее 10 мкА
• Контроллер: TP5410, DC/DC повышающий преобразователь
• Активные контакты: 5V, GND
• Разъём аккумулятора: XH2-2.54MM
• Светодиодная индикация: питание, заряд
• Размер: 27.6x25.6 мм

Функционал модуля WeMos Battery Shield

Схема модуля позволяет создать источник автономного или резервного питания, наподобие ИБП, как для контроллера WeMos D1 Mini (Pro), так и для всех совмещённых в одной конструкции плат расширений. Накопителем энергии должна служить внешняя литиевая аккумуляторная батарея, подключенная к разъёму XH2-2.54MM. Пользователю необходимо предварительно позаботится о её приобретении.

Благодаря своим небольшим размерам, модуль способен помочь в решении задач по автоматизации питанием приложений на ардуино-совместимых платах Arduino Nano, Arduino Pro Mini или аналогичных платформах со схожими габаритами и рабочим напряжением 5В.

Модуль построен на преобразователе TP5410, повышающим постоянное напряжение и поддерживающим функцию быстрого заряда аккумулятора. Чип оснащён защитой от повышенного (более 4.2 В) и пониженного (менее 2.7 В) напряжения, от повышенных токов (более 1.2 А) и токов короткого замыкания.

Питание, заряд аккумуляторной батареи

Основное питание модуль получает через разъём microUSB стандарта 2.0. При этом шнур питания подключается только к самому модулю, никаких дополнительных подключений к микроконтроллеру WeMos D1 Mini (Pro) или платам расширения не требуется. Возможность обмена данными через разъём USB-порта не предусмотрена, выводы интерфейса USB не привязаны ни к одному из присутствующих на плате модуля контактов. Использовать его в других целях, кроме как источник питания, не предоставляется возможным.

Примечание. Большинство USB-портов, установленных на персональных компьютерах, имеют защиту от перегрузки по току свыше 900мА. Для достижения максимальной эффективности заряда аккумулятора, рекомендуется использовать адаптеры (например, от смартфона) с рабочим током не менее 1А.

В таком положении, вся конструкция из сопряжённых плат питается через выводы 5V и GND. В тоже время, встроенный контроллер TP5410 выполняет подзарядку внешней батареи, одновременно контролируя уровень её напряжения. При достижении максимального напряжения на контактах батареи равное 4.2В, процесс заряда считается оконченным, заряд прекращается.

Заряд аккумулятор возможен двумя значениями тока. По умолчанию, микросхема TP5410 генерирует ток равный 0,5А. С обратной стороны платы модуля присутствует нераспаянная перемычка с пометкой J1, замыкание которой повысит ток до показателя 1А.

Разряд аккумуляторной батареи

При отсоединённом внешнем источнике питания или при отсутствии напряжения на входе USB-порта, все примыкающие модули работают от накопленной в батарее энергии, тем самым неизбежно разряжая аккумулятор. Максимально заряженная батарея обладает напряжением 4.2В, который постепенно снижается при нагрузке до минимально допустимого значения 2.7В. Ограничение установлено не просто так, оно предотвращает возможное разрушение химического состава литиевой батареи. Пока напряжение находится в допустимом диапазоне, преобразователь TP5410 повышает и стабилизирует напряжение до 5В, выводя его на соответствующие контакты платы. В ином случае, когда значение падает ниже критического, контроллер TP5410 полностью размыкает цепь питания между аккумулятором и подключенными устройствами.

Индикация событий

В модуль WeMos Battery Shield встроены светодиодные индикаторы заряда, отображающие текущее состояние аккумулятора. Красный говорит о том, что аккумулятор находится в режиме подзаряда. Расположенный рядом зелёный сигнализирует о полном заряде батареи.

Мониторинг уровня напряжения литиевой батареи

Аналоговый вход микросхемы ESP8266, установленной на микроконтроллерах WeMos D1 Mini (Pro), измеряет напряжение в диапазоне от 0 до 1В с разрешением 10-бит или 1024 возможных значений (0-1023). По умолчанию, между контактом А0 и аналого-цифровым преобразователем ADC предусмотрен делитель напряжения, допускающий проводить измерения с напряжением на входе не более 3.2В. При необходимости осуществления измерений больше установленного, как в случае с аккумуляторной батареей до 4.5В, между выводом А0 и источником аналогового сигнала следует включить резистор с номиналом 130 кОм. Разработчики WeMos указали этот момент в прилагаемой принципиальной схеме.

Нижеприведённый скетч получает информацию с аналогового вывода А0 о текущем напряжении аккумулятора и передаёт значение через последовательный порт.

// Определяем аналоговый вход
const int analogInPin = A0;
// Переменная напряжения в аналоговом значении
float voltage;
// Переменная напряжения в цифровом значении
int sensorValue = 0;

void setup() {
  // Открываем последовательный порт на скорости 115200:
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  //Считываем показания вывода А0 в переменную sensorValue
  sensorValue = analogRead(analogInPin);

  //Преобразовываем значение, считаное с АЦП, в значение напряжения,
  //разделив показатель на 1023.
  //И умножив на 4.5, потому что измерение проводим от 0 до 4.5В

  voltage = float(sensorValue*4.5/1023.0);

  // Выводим полученное значение напряжения в последовательный порт с интервалом 2 сек
  Serial.print("Battery Voltage = ");
  Serial.print(voltage);
  Serial.println(" V");
  delay(2000);
}

Принципиальная схема модуля резервного питания ИБП WeMos Battery Shield