TinyFL - controlador de linterna microcontrolador

Hola habr

Quiero contar una historia sobre cómo me puse en manos de un faro chino con un LED Cree XM-L y qué sucedió después.

Antecedentes

Érase una vez, pedí una linterna con un LED brillante de un sitio chino. La linterna resultó ser bastante ergonómica (aunque podría ser más fácil), pero su controlador dejaba mucho que desear.

Brillaba lo suficientemente brillante, pero el controlador tenía solo 3 modos: muy brillante, brillante y estroboscópico, el cambio entre los cuales se hizo con solo tocar un botón. Para encender y apagar la linterna, era necesario ordenar estos 3 modos cada vez. Además, esta linterna, cuando se encendió, descargó la batería hasta el final, por lo que un par de mis latas 18650 se descargaron profundamente.

Todo esto fue incómodo y molesto, por lo que en algún momento decidí hacer mi conductor, que será la historia adicional.

Términos de referencia

Como saben, para lograr un buen resultado, cualquier desarrollo debe tener buenas especificaciones técnicas, por lo que intentaré formularlo por mí mismo. Entonces, el conductor debe:

• Para poder encender / apagar presionando brevemente un botón (un botón sin fijar). Quizás esta sea la razón principal por la que comenzó todo esto.
• Tenga un control de brillo suave (continuo), desde el más brillante - "turbo" hasta "luz de luna" cuando el diodo está apenas iluminado. El brillo debe cambiar de manera uniforme.
• Recuerde el brillo establecido para el tiempo libre.
• Monitoree la carga de la batería, advirtiendo cuando esté casi descargada (aproximadamente 3.3V) y apagándose cuando esté completamente descargada (aproximadamente 2.9V). Para diferentes baterías, estos parámetros pueden ser diferentes. En consecuencia, el voltaje de funcionamiento debe estar en el rango de 2.7 ~ 4.5V.
• Tiene 2 modos especiales: baliza de emergencia y luz estroboscópica (bueno, ¿por qué no?)
• Para poder encender / apagar el LED trasero (esto es cierto al andar en bicicleta por la noche, resulta algo así como una luz indicadora).
• Tener protección contra polaridad inversa y electricidad estática. No necesariamente, pero será una buena adición, porque en la oscuridad puede colocar la batería por el lado equivocado.
• Sea más pequeño que el controlador original en tamaño, pero tenga la misma huella. El controlador chino es simplemente enorme, por lo que hacerlo más grande no será fácil.

Bueno, si la linterna está modificada, ¿por qué no construir un cargador con un conector micro-USB? Siempre tengo un cable y una carga USB a mano, y tengo que buscar una fuente de alimentación nativa.

Hierro

Tengo cierta experiencia con Arduino, por lo que se decidió hacer un controlador en la familia AVR MK. Están ampliamente disponibles, son fáciles de programar y tienen modos de baja potencia (suspensión).

El microcontrolador Attiny13a fue elegido como el "cerebro" del conductor: es uno de los MC Atmel más baratos (ahora absorbido por Microchip), tiene todo a bordo: un GPIO para conectar un botón y un LED, un temporizador para generar una señal PWM, un ADC para medir voltaje y EEPROM para guardar parámetros. Solo está disponible 1 KB de memoria flash (pero cuánto se necesita para una linterna), así como 64 B de RAM y la misma cantidad de EEPROM.
Attiny13 está disponible en varias opciones de carcasa, en particular en DIP-8, que se puede insertar directamente en una placa de pruebas normal con un paso de 2,54 mm.

Dado que solo 3 cables van desde la parte posterior a la cabeza de la linterna, el botón se ve obligado a cortocircuitar a tierra (sobre la imposibilidad de un cortocircuito a más, más adelante), tendrá que cambiar el LED en el más, lo que significa que necesita un poste de canal P. Tomé AO3401 como tal transistor, pero puede tomar SI2323, es más costoso, pero tiene menos resistencia de canal abierto (40 mOhm, mientras que AO3401 tiene 60 mOhm, a 4.5 V), por lo tanto, el controlador se calentará menos.

De las palabras a los hechos, recojo en una placa una versión preliminar

Actualmente se alimenta directamente del programador, con un voltaje de 5 V (en realidad menos debido a las pérdidas en el cable USB). En lugar del LED, el XM-L hasta ahora ha pegado un LED normal en las patas y ha puesto un transistor débil con un voltaje de umbral alto.
Luego, en el programa Altium Designer, se dibujó un diagrama, que completé con protección contra polaridad inversa y ESD.

Todo está claro con los componentes, puede hacer una placa de circuito impreso de acuerdo con el esquema anterior.
Lo primero que debe hacer es construir un modelo 3D de la futura placa, junto con los agujeros: en mi humilde opinión, en Altium Designer, esta es la forma más conveniente de determinar la geometría de la PCB.
Medí las dimensiones del viejo controlador y sus orificios de montaje: la placa debe estar unida a ellos, pero debe tener dimensiones más pequeñas (por versatilidad, de repente tienes que construirlo en otro lugar).
Un mínimo razonable aquí resultó en algún lugar alrededor de 25x12.5 mm (relación de aspecto 2: 1) con dos orificios con un diámetro de 2 mm para unir a la carcasa de la lámpara con tornillos nativos.

Hice un modelo 3D en SolidWorks, luego lo exporté a Altium Designer como STEP.
Luego coloqué los componentes en el tablero, hice los contactos en las esquinas (es más conveniente y más fácil soldar el suelo), Attiny13 colocado en el centro, el transistor más cerca de los contactos LED.
Extendí las pistas de potencia, coloqué los componentes restantes tal como resultaron y separé las pistas de señal. Para la conveniencia de conectar la memoria, saqué contactos separados para ella, que duplican los contactos de la batería.
Hice todo el cableado (con la excepción de un puente) en la capa superior, para poder hacer un tablero en casa con LUT.
El ancho mínimo de las rutas de señal es de 0.254 mm / 10 mil, las de potencia tienen un ancho máximo siempre que sea posible.

Así es como se ve la placa cableada en Altium Designer

Altium Designer tiene la oportunidad de ver cómo se verá la placa en 3D (para esto necesita modelos para todos los componentes, algunos tuvieron que ser construidos por usted mismo).
Quizás alguien aquí diga que el modo 3D no es necesario para el trazador, pero para mí personalmente es una función conveniente que facilita la colocación de componentes para la conveniencia de la soldadura.

Al momento de escribir, se hicieron 3 versiones de la placa: la primera para LUT, la segunda para la fabricación industrial y la tercera, final con algunas correcciones.

Junta haciendo

Manera casera

LUT: tecnología de planchado por láser, un método para producir placas de circuito mediante grabado en una máscara obtenida al convertir el tóner de papel a cobre. Este método es ideal para placas simples de un solo lado, como este controlador.
La red tiene muchos artículos sobre esta tecnología, por lo que no entraré en detalles, sino que solo le contaré brevemente cómo lo hago.

Primero debe preparar una plantilla que se imprimirá en papel térmico. Exporto la capa top_layer a PDF, obtengo una imagen vectorial.

Dado que la placa es pequeña, tiene sentido tomar un pedazo de PCB con dimensiones varias veces más grandes y hacer lo que la industria llama paneles.
Para estos fines, CorelDraw es muy conveniente, pero puede usar cualquier otro editor de vectores.
Coloco copias de plantillas en el documento, hago espacios de 0.5-1 mm entre los tableros (depende del método de separación, más sobre eso más adelante), los tableros deben ubicarse simétricamente; de ​​lo contrario, será difícil separarlos.

Recojo una pieza de PCB de un lado con dimensiones ligeramente más grandes que el panel ensamblado, limpio y desengrasado (prefiero frotar con un borrador y luego con alcohol). Imprimo una plantilla para grabar en papel térmico (aquí es importante no olvidar duplicar la plantilla).
Con la ayuda de una plancha y paciencia, acariciando suavemente el papel, lo traduzco a textolita. Espero a que se enfríe y despegue cuidadosamente el papel.
Las áreas libres de cobre (no recubiertas con tóner) pueden barnizarse o pegarse con cinta adhesiva (cuanto menor sea el área de cobre, más rápida será la reacción de grabado).

Un panel de este tipo en el hogar: una gran cantidad de tableros puede compensar los defectos de fabricación

Enveneno las tablas con ácido cítrico en una solución de peróxido de hidrógeno, esta es la forma más económica, aunque es bastante lenta.
Las proporciones son las siguientes: para 100 ml de peróxido, el 3% son 30 g de ácido cítrico y aproximadamente 5 g de sal, todo se mezcla y se vierte en un recipiente con textolita.
Calentar la solución acelerará la reacción, pero puede hacer que el tóner se despegue.

Comienza la magia química desconocida: el cobre está cubierto de burbujas y la solución adquiere un tinte azul

Después de un tiempo saco la placa grabada y la limpio de tóner. No puedo lavarlo con ningún solvente, así que lo elimino mecánicamente con papel de lija fino.

Ahora queda por estañar la placa: esto ayudará con la soldadura y protegerá el cobre de la oxidación y facilitará la soldadura. Prefiero el estañado con la aleación Rose: esta aleación se derrite a una temperatura de aproximadamente 95 grados, lo que le permite estañarse en agua hirviendo (sí, tal vez no sea la composición más confiable para el estañado, sino para placas de circuito caseras).

Después del estañado, taladro una tabla (para los contactos uso taladros de carburo f1.0, para puentes - f0.7), taladro con un dremel por falta de otra herramienta. No me gusta cortar textolita debido al polvo, por lo tanto, después de perforar, corté las tablas con un cuchillo de oficina; en ambos lados hago varios cortes en una línea, luego los rompo en un corte. Esto recuerda el método de corte en V utilizado en la industria, solo que hay una incisión realizada por un molino.

Parece una tabla lista para soldar

Cuando la placa está lista, puede comenzar a cablear los componentes. Primero, sueldo un poco (resistencias 0603), luego todo lo demás. Las resistencias son adyacentes a la MK, por lo que soldar en el orden inverso puede ser problemático. Después de soldar, verifico si hay un cortocircuito para alimentar el controlador, después de lo cual ya es posible iniciar el firmware MK.

Controladores listos para descargar firmware

Forma industrial

LUT es rápido y asequible, pero la tecnología tiene sus inconvenientes (como casi todos los métodos de fabricación de PP "domésticos"). Es problemático hacer un tablero de doble cara, las pistas se pueden grabar y solo se puede soñar con metalizar los agujeros.

Afortunadamente, los chinos emprendedores han estado ofreciendo servicios durante mucho tiempo para la fabricación de placas de circuito impreso de manera industrial.
Por extraño que parezca, una placa china de una sola capa costará más que una placa de dos capas, por lo que decidí agregar una segunda capa (inferior) a la placa de circuito impreso. Los caminos de poder y el suelo están duplicados en esta capa. Además, se hizo posible hacer un disipador de calor del transistor (polígonos de cobre en la capa inferior), lo que permitirá que el controlador trabaje a corrientes más altas.

La capa inferior del tablero en Altium Designer

Para este proyecto, decidí pedir una placa de circuito impreso en el sitio web de PcbWay. El sitio tiene una calculadora conveniente para calcular el costo de los tableros, dependiendo de sus parámetros, tamaños y cantidad. Después de calcular el costo, descargué el archivo gerber creado anteriormente en Altium Designer, los chinos lo revisaron y el tablero pasó a producción.

Hacer un juego de 10 tableros TinyFL me costó $ 5. Al registrar un nuevo usuario, se otorga un descuento de $ 5 para el primer pedido, por lo que solo pagué el envío, que también cuesta alrededor de $ 5.
En este sitio existe la oportunidad de poner el proyecto en el dominio público, por lo que si alguien quiere ordenar estos tableros, simplemente puede agregar este proyecto a la cesta.

Después de un par de semanas, me llegaron los mismos tableros, solo bonita Fabricado industrialmente. Solo se pueden descomprimir y completar con el firmware.

Programa (firmware)

La principal dificultad que surgió al escribir el firmware del controlador, está asociada con el tamaño extremadamente pequeño de la memoria flash: Attiny13 tiene solo 1024 bytes.
Además, dado que el cambio de brillo es suave, una tarea no trivial fue cambiarlo uniformemente; para esto tuvimos que hacer la corrección gamma.

Algoritmo de control del controlador

El conductor se enciende presionando brevemente el botón, se apaga con él.
El modo de brillo seleccionado se almacena durante la duración del apagado.

Si durante la operación hace una doble pulsación breve de un botón (doble clic), el LED adicional se encenderá / apagará.
Con una presión prolongada durante el funcionamiento, el brillo de la lámpara cambiará gradualmente. Pulsación prolongada repetida cambia de dirección (más fuerte / más débil).

El controlador verifica periódicamente el voltaje de la batería y, si es inferior a los valores establecidos, advierte al usuario sobre una descarga y luego se apaga para evitar una descarga profunda.

, — , - , . - , , . P- , , — , . .
rate, 255 rate = 100% .
1.2 1, 1200000/256 = 4.7 . ( ), (, , , ). , 9.6 (CKSEL[1:0]=10, CKDIV8=1) 4.8 (CKSEL[1:0]=01, CKDIV8=1), 8 4 , .

, , . , ( ) , , , 1.5 , 2 ( Cree XM-L — 3 ).
, (rate=255) 3. , . , RATE_MAX . , SI2323DS 4 , 2 , .

-

. , 5-10% , 75-100% . , n , , , .

, -. , 1 12 . , rate_step_array. , , .

n- ( BAT_PERIOD) . , VIN R1-R2, PB4 ( ADC2 ).

, , Vref, 1.1 . — , (, 1.1 1023 255, 8- ). , 6 , 255 1.1 , 4.33 ( 4.03), .

, . BAT_WARNING ( , — BAT_INFO_STEP, ), BAT_SHUTDOWN .
, .. , .

, , . , 4.03 R1 = 1M R2 = 330, R = 1330K 4 = 3 .
() 1 . , , ( - — ).

, Arduino C/C++.
, (defines) flashlight.h.
Arduino IDE Attiny13(a) Atmel Studio – , Arduino IDE, .

Calibración

Las corrientes que pasan por el controlador y el LED no deben exceder los valores máximos. Para el LED XM-L, esto es 3 A, para el controlador depende del transistor utilizado, por ejemplo, para SI2323 la corriente máxima es de aproximadamente 4 A, pero es mejor conducir a corrientes más bajas debido a un calentamiento excesivo. Para reducir la corriente al brillo máximo, se usa el parámetro RATE_MAX (#define RATE_MAX xx, donde xx es el brillo máximo de 0 a 255).
La calibración del ADC no es un procedimiento obligatorio, pero si desea que el controlador controle con precisión el voltaje umbral, tendrá que manipularlo.

Los cálculos no proporcionarán una alta precisión de las mediciones, ya que, en primer lugar, las resistencias pueden variar dentro de la tolerancia (generalmente 1-5%), y en segundo lugar, el ion interno puede tener una dispersión de 1.0 a 1.2 V.
Por lo tanto, la única forma aceptable es establecer el valor en unidades ADC (BAT_WARNING y BAT_SHUTDOWN), seleccionándolo experimentalmente para el valor deseado. Para hacer esto, necesitará paciencia, un programador y una fuente de alimentación ajustable.
Establecí el valor BAT_PERIOD en 1000 en el firmware (verificando el voltaje una vez por segundo) y reduje gradualmente el voltaje de suministro. Cuando el conductor comenzó a advertir sobre la descarga, dejé el valor actual de BAT_WARNING según sea necesario.
Esta no es la forma más conveniente, tal vez en el futuro necesite realizar un procedimiento de calibración automática con el almacenamiento de los valores en la EEPROM.

Montaje de linterna

Cuando la placa estuvo lista y el firmware se inundó, finalmente podría colocarlo en lugar del controlador anterior. Desoldeé el viejo controlador y solté uno nuevo en su lugar.

Después de verificar si había un cortocircuito en la fuente de alimentación, conecté la fuente de alimentación y verifiqué la operabilidad. Luego monté la placa de carga (TP4056), para esto tuve que perforar un agujero en el conector de carga con un poco de dremel, y lo arreglé con pegamento caliente (era importante que el pegamento no fluyera en el conector, sería difícil sacarlo de allí).

No atornillé la placa con tornillos, porque la rosca de la caja se rompió por repetidas torsiones, sino que simplemente vertió pegamento sobre ella, también pegó los cables en los lugares de soldadura para que no se deshilachen. Decidí cubrir el controlador y el cargador con barniz acrílico incoloro, esto debería ayudar contra la corrosión.

Pruebas y cálculo de costes de fabricación.

Después de todas las operaciones, fue posible comenzar a probar los controladores. La corriente se midió con un multímetro convencional, conectándolo al circuito abierto de la fuente de alimentación.

Consumo de energía del controlador anterior (medido a 4.04 V):

1. Durante el sueño - no medido
2. Modo máximo: 0.60 A
3. Modo medio: 0.30 A
4. Estroboscopio: 0.28 A

Consumo de energía del nuevo controlador (medido a 4.0 V):

1. En modo de reposo, consume alrededor de 4 μA, que es mucho menos que la corriente de autodescarga de una batería de iones de litio. La corriente principal en este modo fluye a través de un divisor de resistencia.
2. En el modo mínimo, la "luz de la luna" es de aproximadamente 5-7 mA, si suponemos que la capacidad de una celda 18650 es de aproximadamente 2500 mA * h, obtenemos unos 20 días de funcionamiento continuo . MK mismo consume en algún lugar 1.2-1.5 mA (a una frecuencia de operación de 1.2 MHz).
3. En el modo máximo, "turbo": consume aproximadamente 1,5 A, en este modo funcionará durante aproximadamente una hora y media. El LED en tales corrientes comienza a calentarse mucho, por lo que este modo no está diseñado para una operación a largo plazo.
4. Baliza de emergencia: consume un promedio de aproximadamente 80 mA, en este modo, la linterna funcionará hasta 30 horas.
5. Estroboscopio: consume alrededor de 0,35 A, funcionará hasta 6 horas.

Precio de emisión

Si compra componentes en Chip y Deep, saldrán alrededor de 100 rublos (60 rublos Attiny13, ~ 40 rublos el resto del polvo suelto). Tiene sentido ordenar de China, si se hacen varias piezas, entonces en términos de una pieza será más barato, los chinos generalmente venden en lotes de 10 piezas o más.
Las tarifas se liberarán a un precio en la región de 300 rublos por 10 piezas (sin entrega), si se ordena en China.
Cablear y flashear un controlador lleva aproximadamente una hora.

Conclusión

La linterna china se ha vuelto mucho más conveniente, aunque ahora tengo quejas sobre su mecánica: la parte delantera es demasiado pesada y el foco no es realmente necesario.
En el futuro planeo hacer una versión de este controlador para linternas con un botón de encendido (con fijación). Es cierto, estoy confundido por la abundancia de tales proyectos. ¿Crees que vale la pena hacer otro?

Controlador de primer plano (versión 2_t)

UPD : Soporte agregado para Arduino IDE.

El código fuente del firmware, los circuitos y el cableado de la placa están ahora en el github, puede descargarlo aquí: https://github.com/madcatdev/tinyfl_t