PID电池充电器控制器开源硬件

描述

介绍

可再生能源是满足我们电力需求的实用且负担得起的解决方案。通过增加可再生能源，我们可以减少空气污染，减少全球变暖排放，创造新的就业机会和产业，使我们的电力供应多样化，减少对煤炭和其他化石燃料的依赖，并使世界走向更清洁、更健康的能源未来。我们打算创建一个照明控制系统，使我们能够节省能源。照明控制系统广泛应用于商业、工业和住宅空间的室内和室外照明。照明控制系统用于在需要的时间和地点提供适量的光。

作为主要目标，我想到了三件事：

• 从正弦函数生成控制 PWM 信号。
• 从 PID 控制器生成控制 PWM 信号。
• 添加夜灯控制。

应用：我们家中、公司甚至公共道路上的“夜灯控制”或“路灯控制”。也可用于给3V、5V、12V电池充电。

STM32F407G-DISC1配置

• STM32F407VGT6 微控制器采用 LQFP100 封装，具有 32 位 ARM® Cortex®-M4 和 FPU 内核、1 MB 闪存、192 KB RAM
• STM32F4DISCOVERY 上的板载 ST-LINK/V2 或 STM32F407G-DISC1 上的 ST-LINK/V2-A
• 具有重新枚举功能和三个不同接口的 USB ST-LINK：调试端口、虚拟 Com 端口和大容量存储。
• 电路板供电：通过USB总线或来自外部5 V电源电压
• 外部应用电源：3 V和5 V
• LIS302DL 或 LIS3DSH ST MEMS 三轴加速度计
• MP45DT02 ST-MEMS音频传感器全向数字麦克风
• 具有集成 D 类扬声器驱动器的 CS43L22 音频 DAC
• 八个 LED
• 两个按钮（用户和重置）

正如我们在示意图中看到的，这个系统主要执行两个功能：首先它专门为电池充电，一旦充满电，然后通过 LDR 光传感器打开或关闭灯，如果它是晚上打开灯，如果是白天，则将其关闭。为了更好地描述这个项目，我把它分为以下几个部分：

1.- 软件安装

2.- 电源

3.- 充电控制

4.- 负载控制

5.- 夜灯控制

6.- 从正弦函数生成控制 PWM 信号

7.- 从 PID 控制器生成控制 PWM 信号

8.- 电路板设计

9.- 组装

10.- 测试

11.结论

 

 

1.- 软件安装

 

(Timing: 6 hrs)

我使用的是32位的Windows 10操作系统，软件安装如下：

a)我已经安装了“GNAT Programming Studio”，我们可以从以下链接下载它：https ://www.adacore.com/download/more

在此链接中，我下载并安装了以下两个程序：

• gnat-gpl-2017-x86-windows-bin.exe
• gnat-gpl-2017-arm-elf-windows-bin.exe

b)我们要安装STM32F407VG板的USB驱动，链接如下：https://www.st.com/en/development-tools/stsw-link009.html#getsoftware-scroll。我们在此站点上下载以下文件：“en.stsw-link009.zip”。连接设备后，我们会在“设备管理器”中验证它是否已连接。

c)为了开发这个项目，我们使用“Ada Drivers Library”，我们可以从以下链接下载它：https ://github.com/AdaCore/Ada_Drivers_Library

为了设计我的项目，我使用了以下示例：“demo_timer_pwm”、“demo_adc_polling”和“demo_gpio_direct_leds”。您可以在此处找到的文件夹： https ://github.com/AdaCore/Ada_Drivers_Library/tree/master/arch/ARM/STM32/driver_demos

d) CircuitMaker是针对业余爱好者、黑客和创客社区的印刷电路板设计电子设计自动化软件。您可以在以下位置下载安装软件：https ://circuitmaker.com/

e) Lowell Cady 的 PID示例是 PID（比例、积分、微分）控制的工作示例，您可以在此处下载：https ://www.codeproject.com/Articles/36459/PID-process-control-a -巡航控制示例

 

 

 

2.- 电源

 

 

(Timing: 2 hrs)

它是如何工作的？

a)开关电源提供 12 伏特直流、5 安培的稳定电压和 330 瓦的最大功率。使用此设备，我们会发现系统具有良好的稳定性，我们必须调整我们想要为电池充电的电压负载并使用电位器 (R10)。我们可以在这里查阅国际标准：https ://standards.ieee.org/standard/765-2012.html

b)集成电路 LM317 用于通过电位器 R10 产生 3 至 12 伏的电压调节。这个集成的技术规格说它不能产生低于 3 伏的电压。在这个例子中，我调整了 5.6 伏。计算是：

在 LM317 的技术表中，我们找到以下公式：

Vout =Vref [1+(R2/R1)] +(iADJ)(R2)

例如，LM317 可以工作的最大电压是 37 伏，如果在我们的图表中我们将 R9 取为 240 欧姆，那么我们对 R10 进行计算。

Vout =Vref [1+(R10/R9)] +(iADJ)(R10)

我们考虑一个非常小的 iADJ 值，如果我们计算 R10，我们将有：

R10 = (R9/Vref) (Vout -Vref)

R10 = (R9/1, 2) (Vout - 1, 2)

R10 =(240/1, 2)(37-1, 2) = 7, 160 欧姆

对于实际用途，我们使用 10k 电位器。

c)齐纳二极管 DZ 用作电压调节器，在它的输出端我获得了 10.8 伏的最大值，这是我用电压表测量的。

d)使用的保护装置如下：保险丝 F1、电容器 C1 和二极管 D1。这些元件对于保护系统免受短路、放电、消除反向直流电流和过滤不需要的信号非常重要。

 

3.- 充电控制

 

(Timing: 3hrs)

它是如何工作的？

a)在该电路中以 Vcc 为单位测量的电压，电压表指示为 5、45 伏。在这个例子中，我使用了一个由四个 1、5 伏可充电电池组成的模块。最大负载电压为 5.6 伏。我用的是镍氢电池，我们可以在这里找到国际标准：https ://www.mpoweruk.com/standards.htm

b) STM32F407VG 板生成的 PWM 信号将用于调节充电电池的负载。为了生成此 PWM 信号，我们采用“Ada 驱动程序库”中的示例“demo_timer_pwm”并对其进行修改以获得所需的 PWM 信号。例如，如果电池完全放电，则 PWM 信号具有较大的占空比。

c)晶体管 T1 用于物理分离 STM32F407VG 板和 M1 Mosfet。如果它们直接连接，那么这个设备就会损坏，因为 Mosfet 工作在非常高的负载下。电阻 R1 (1k) 必须取一个较低的值，以提高 PWM 信号的开关速度。

d)但是，在晶体管 T1 的输出端，我们有一个 180 度的异相信号，为了调整这种情况，我们使用晶体管 T2，现在 PWM 信号是同相的。

e)为了将截止区和饱和区驱动到我们的 T1 和 T2 晶体管，我们做出以下考虑：

为了确定饱和电流，我们认为输出栅极的发射极集电极电压等于零。因此：

VCC=IC*RC+VCE | VCC=IC*RC+0

我C=VCC/RC

为了确定截止点，我们认为基极电流等于零，因此集电极电流等于零：

VCC=IC*RC+VCE | VCC=0*RC+VCE

VCE=VCC

f)使用的保护装置如下：电容器 C1 和二极管 D2。二极管用于消除电池充满电时的反向直流电流。如果这个二极管不存在，那么电池就会在晶体管 T1 和 T2 中感应出电压。

 

 

4.- 负载控制

 

(Timing: 3 hrs)

它是如何工作的？

a) 10K 的电阻 R4 和 8K 的 R5 用作分压器，用于使用我们的 STM32F407VG 板测量可充电电池的电量。8K 电阻是通过两个串联电阻实现的：4k7 + 3k3。VR5的值我们通过分压器的计算得到它，这就是：VR5=(R5/(R4+R5))*VBattery)

b)当STM32F407VG板的PD12引脚up时，三极管T3驱动，异相180度。晶体管 T4 校正晶体管 T3 并使原始信号与 PD12 引脚同相。

c)为了将截止区和饱和区驱动到我们的 T3 和 T4 晶体管，我们做出以下考虑：

为了确定饱和电流，我们认为输出栅极的发射极集电极电压等于零。因此：IC=VCC/RC

为确定截止点，我们认为基极电流为零，因此集电极电流为零：VCE=VCC

d)当脉冲到达 IPT60R028G7 Mosfet 的“Gate”引脚时，“Source”和“Drain”之间的电路闭合，5 瓦灯点亮。当漏极和源极之间的电压 (VDS) 超过称为饱和电压 (Vds sat) 的固定值时，该 MOSFET 晶体管进入饱和区。也就是说; 在以下情况下，MOSFET 将位于该区域：

VGS > Vt和VDS > (VGS – Vt)。

在 IPT60R028GT 的技术表中我们看到：

栅极阈值电压

V(GS)th 最小值 = 3

V(GS)th 典型 = 3.5

V(GS)th 最大值 = 4 V

因此，我们需要 3 到 4 伏的“栅极”电压才能将 Mosfet IPT60R028GT 置于饱和区。

e)使用的保护装置如下：电容器 C2 和保险丝 F2。

 

 

5.- 夜灯控制

 

(Timing: 3 hrs)

它是如何工作的？

a)这个“夜灯控制”为我们服务，知道是白天还是晚上并激活灯。该电路由 STM32F407VG 板的 5 伏供电​​。

b)为了控制照明，我们使用光敏电阻或 LDR 传感器。光敏电阻由高电阻半导体制成。在黑暗中，光敏电阻的阻值可高达数兆欧 (MΩ)，而在光照下，它的阻值可低至数百欧姆。https://en.wikipedia.org/wiki/光敏电阻

c)当完全黑暗时，LDR 传感器具有最大电阻（兆欧），T5 晶体管被极化并且在它的输出端我们有最小电压，在逆变器电路 (IC40106) 的输出端我们有 5 伏。IC40106是触发器施密特反相器电路。在下图中我们可以了解到一个非反相电路是如何工作的，这有助于我们理解反相电路40106是如何工作的。当您想用非数字信号控制数字电路时，这些电路很有用。

40106 的 VT 和 VT- 值（所有值均以伏特为单位）

d)我们通过电路中所示的肖特基二极管将这个 5 伏特转换为 3 伏特，并将该电压施加到我们的 STM32F407VG 板的 PA0 引脚。

e)当光照最大时，则相反。LDR 传感器具有最小电阻，T5 晶体管没有极化，在它的输出端我们有 5 伏的 Vcc，它通过 IC40106 逆变器电路的引脚 9 进入。最后我们有 0 伏，它被施加到 STM32F407VG 板的 PA0 引脚。

f)为了将截止区和饱和区驱动到我们的 T5 晶体管，我们做出以下考虑：

为了确定饱和电流，我们认为输出栅极的发射极集电极电压等于零。因此：IC=VCC/RC

为确定截止点，我们认为基极电流为零，因此集电极电流为零：VCE=VCC

g)在 STM32F407VG 板的 PA0 引脚上，当电压为零时，红色 LED 亮起，灯熄灭。当我们有 5 伏特时，绿色 LED 亮起，电灯亮起。

 

 

 

6.- 从正弦函数生成控制 PWM 信号

 

(Timing: 1day)

在这个板上，我们将生成 PWM 控制信号，激活负载，并监控电池电压和“夜灯控制”的状态。我们还将使用它的 4 个 LED 作为我系统状态的指示器。您可以在代码部分找到该程序。项目库：“带夜灯控制的电池充电器”

它是如何工作的？

a)我们监控 PA1 模拟端口上的电池电压，其中我们的值从 0 到 4095 ADC。

b) PWM信号是在STM32F407VG板上通过Timer4的中断和30kHz正弦函数的产生而产生的。在我们的代码中，我们使用以下说明指示它：

Arg := Long_Float((Raw*5)/4095); -- 5 is an experimental value
Value := Percentage (50.0 * (1.0 +Sine (Arg))); -- duty cycle value
Power_Control.Set_Duty_Cycle (Value);-- PWM signal

我们将根据正弦函数逐渐调整占空比。

正弦函数使用以下代码计算：

  function Sine (Input : Long_Float) return Long_Float;
  --  In this demonstration we roll our own approximation to the sine function
  --  so that it doesn't matter which runtime library is used.
  function Sine (Input : Long_Float) return Long_Float is
     Pi : constant Long_Float := 3.14159_26535_89793_23846;
     X  : constant Long_Float := Long_Float'Remainder (Input, Pi * 2.0);
     B  : constant Long_Float := 4.0 / Pi;
     C  : constant Long_Float := (-4.0) / (Pi * Pi);
     Y  : constant Long_Float := B * X + C * X * abs (X);
     P  : constant Long_Float := 0.225;
  begin
     return P * (Y * abs (Y) - Y) + Y;
  end Sine;

https://visualgdb.com/tutorials/arm/stm32/fpu/

此代码生成我的项目所需的以下三个占空比，如下所示：

占空比是信号或系统处于活动状态的一个周期的一部分。占空比通常表示为百分比或比率。周期是信号完成一个开关周期所花费的时间。作为一个公式，占空比 (%) 可以表示为：D= (PW/T)x100%

其中 D 是占空比，PW 是脉冲宽度，T 是信号的总周期。https://en.wikipedia.org/wiki/Duty_cycle

c) VR5的值我们通过分压器的计算得到，即：VR5=(R5/(R4+R5))*VBattery)

d)如果电池电压低于大约 4 伏，则红色 LED 亮起，绿色和橙色 LED 熄灭。在本例中，我们的值小于 2457 ADC。

e)如果电池电压超过约 5.4 伏，则橙色 LED 亮起，红色 LED 熄灭。在此示例中，我们的值大于 3276 ADC。

f)如果 STM32F407VG 从 PA0 端口接收到脉冲，则绿色 LED 点亮表示现在是晚上，灯通过 PD12 引脚点亮。

g)如果电池电压大约在 4 到 5.4 伏之间，橙色和红色 LED 会亮起。在这个例子中，我们有从 2475 到 3275 ADC 的值。

         if Raw < 2457 then -- if the battery < 4 volts aprox
           Red_LED.Set; -- Red LED os ON
           Green_LED.Clear; -- Green LED is OFF
           Orange_LED.Clear; -- Orange LED is OFF
           delay until Clock + Milliseconds (2000); -- slow it down to ease reading
        elsif Raw >= 3276 then -- If the battery > 5,4 volts aprox
           Red_LED.Clear; -- Red LED is OFF
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is OFF
        elsif STM32.User_Button.Has_Been_Pressed then -- If PA0 is ON
           Green_LED.Set; -- Green LED is ON
        else -- If battery is between: 4 to 5,4 volts aprox
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is ON
           Red_LED.Set; -- Red LED is ON
        end if;

 

7.- 从 PID 控制器生成控制 PWM 信号

 

(Timing: 2days)

在此测试中，我们将使用不同的程序。您可以在代码部分找到该程序。项目库：“带夜灯控制的 PID 电池充电器”

它是如何工作的？

a)如果我们想控制一个系统，最好的解决办法是利用PID控制。PID 是一种控制回路反馈机制，广泛用于工业控制系统和各种其他需要连续调制控制的应用。PID 控制器连续计算误差值作为所需设定点 (SP) 和测量过程变量 (PV) 之间的差异，并根据比例、积分和微分项（分别表示为 P、I 和 D）应用校正，由此得名。

在我的例子中，STM32F507 板生成一个 30 kHz 的 PWM 信号，控制数据为：dt = 0.0005，Kp = 0.025 和 Ki =0.025。您可能会注意到微分项非常小或为零。我的 PID 控制器的仿真如下：

https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller

b)决定何时应用 PWM 控制信号的工作留给了 STM32F407 板。在我的示例中，该板执行计算并生成 PWM 控制信号。使用我的 PICkit2 设备，我得到了以下 PWM 信号。

c)分压器 VR5 向我们的端口 PA1 提供模拟值，并将其与“设定值”进行比较。“设定点”由代码编程，我们进行了一个设定点测试：VBattery = 4.95 伏/VR5 = 2、2 伏/ADC = 3003 ADC。

  declare
     Value     : Percentage;
     Raw1      : Long_Float;
     setpoint  : constant := 3003.0; -- VR5 = 2.2 volts / Vbat = 4.95 volts 
     error     : Long_Float := 0.0;
     output    : Long_Float;
     integral  : Long_Float := 0.0;
     dt        : constant := 0.0005;
     Kp        : constant := 0.025;
     Ki        : constant := 0.025;

d)例如，如果电池放电，则程序会计算误差，并生成一个具有高占空比的 PWM 信号。如果电池已充电，则程序会生成一个占空比较小的 PWM 信号。

 begin
        STM32.User_Button.Initialize; -- btn instruction
     loop
        Start_Conversion (Converter); --adc instruction
        Poll_For_Status (Converter, Regular_Channel_Conversion_Complete, Successful); --adc instruction
        Raw := UInt32 (Conversion_Value (Converter)); -- reading PA1
        Raw1 := Long_Float(Raw * 1);
        error := (setpoint - Raw1);
        integral := (integral + (error*dt));
        output := ((Kp*error) + (Ki*integral));
        Value := Percentage (output); -- duty cycle value
        if Value < 10 then -- if the duty cycle < 10%
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (10);
           Red_LED.Set; -- Red LED os ON
           Green_LED.Clear; -- Green LED is OFF
           Orange_LED.Clear; -- Orange LED is OFF
           delay until Clock + Milliseconds (500); -- slow it down to ease reading                                    
        elsif Value >= 90 then -- If the duty cycle > 90%
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (90);
           Red_LED.Clear; -- Red LED is OFF
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is OFF
        elsif STM32.User_Button.Has_Been_Pressed then -- If PA0 is ON
           Green_LED.Set; -- Green LED is ON
        else -- If the duty cycle is from: 10 - 90 %
           Power_Control.Set_Duty_Cycle (Value); -- PWM signal
           Orange_LED.Set; -- Orange LED is ON
           Red_LED.Set; -- Red LED is ON
        end if;
        delay until Clock + Milliseconds (10); -- slow it down to ease reading
     end loop;

现在我们有了一个智能系统，它具有生成多个工作周期的优势，我们将更有效地利用能源。

 

 

 

8.- 电路板设计

 

(Timing: 2days)

原理图电路是在CircuitMaker上制作的。您可以在自定义部件和外壳部分找到存储库。项目库：“带夜灯控制的 PID 电池充电器的电路板设计”

 

 

 

 

 

9.- 组装

 

(Timing: 2 days)

接下来，我将向您展示一些装配图。

 

 

 

 

 

 

10.- 测试

 

(Timing: 1 day)

从正弦函数生成控制 PWM 信号：

这个例子不需要设置点，PWM 信号是自动生成的，正如我们在第 6 步中看到的那样，其中只生成了三个占空比。

 

 

 

 

 

 

 

从 PID 控制器生成控制 PWM 信号：

设定点：VBattery = 4.95 伏/VR5 = 2、2 伏/ADC = 3003 ADC。

我们可以理解，这里的 PID 控制器会生成许多占空比。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.- 结论

 

 

• 首先，我的意图是做一些有用的项目，可以为我们解决实际问题。我曾经问自己是否有可能构建一个智能家居电池充电器，并且我们可以通过它有效地利用能源。答案是肯定的，问题解决了，而且不用花很多钱。
• 软件：在这个项目中，我学会了使用“GNAT Programming Studio”软件，因为我习惯于使用 Python、Processing 和 C++，并且 AdaCore 的技术支持很好地建议我了解一些要点这种语言编程。
• 硬件：在这个项目中，我使用了不同的电子领域：a）微控制器（PWM 信号以及数字和模拟端口）；b) 电力电子设备（Mosfet、电池和灯）；c) 数字电子（IC Trigger Schmitt）；d) 传感器（LDR）；e) 控制理论（PID 控制器）。
• 应用：虽然正弦函数生成三个非常有用的占空比，但系统使用 PID 控制器变得更加高效和实用，因为电池充电速度更快，使用寿命更长。夜灯的控制被用来激活一盏灯。这个项目可以作为我们未来开发“路灯控制”的一个例子，使用太阳能电池板或风能。