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TinyFL-微控制器手电筒驱动器

哈勃！


我想讲一个故事，讲述我如何进入Cree XM-L LED上的中国大灯手中，以及接下来发生了什么。



背景知识


曾几何时，我从一个中国站点订购了带有明亮LED的手电筒。 事实证明，手电筒非常符合人体工程学（尽管可能会更容易），但其驱动程序还有很多不足之处。


它发出足够明亮的光，但驾驶员只有3种模式-非常明亮，明亮和频闪，只需按一下按钮即可在两种模式之间切换。 为了简单地打开和关闭手电筒，每次必须对这三种模式进行分类。 另外，打开手电筒时，电池电量耗尽了，因此我的一对18650罐深了电。


这一切令人不舒服和烦人，所以在某个时候我决定为此做我的司机，这将是进一步的故事。


带旧驱动器的手电筒

这是一个手电筒，可能很多人已经处理过类似的手电筒


看起来像原始驱动程序


职权范围


如您所知，为了取得良好的结果，任何开发都应具有良好的技术规格，因此我将尝试为自己制定。 因此，驱动程序应：


  • 能够通过短按一个按钮（不固定的按钮）来打开/关闭。 也许这就是所有这些开始的主要原因。
  • 当二极管几乎不发光时，具有平滑（无级）的亮度控制，从最亮的“ turbo”到“ moonlight”。 亮度应均匀变化。
  • 记住为休息设置的亮度。
  • 监视电池电量，在电池即将放电（大约3.3V）时发出警告，并在电池完全放电（大约2.9V）时关闭。 对于不同的电池，这些参数可能不同。 因此，工作电压应在2.7〜4.5V的范围内。
  • 有2种特殊模式-紧急信标和频闪（嗯，为什么不呢？）
  • 为了能够打开/关闭后部LED（在夜间骑自行车时，这确实是一种信号灯）。
  • 具有反极性和静电防护。 不一定，但这将是一个不错的补充，因为在黑暗中您可能会错误地将电池放在错误的一侧。
  • 在尺寸上小于原始驱动程序，但具有相同的占用空间。 中国车手实在是太庞大了，要使其变得更大并不容易。

好吧，如果改装了手电筒，为什么不内置带有微型USB连接器的充电器呢？ 我总是手头有这样的电缆和USB充电，并且我必须寻找本地电源。


铁


我对Arduino有一定的经验，因此决定在AVR系列MK上制作驱动程序。 它们广泛可用，易于编程，并且具有低功耗（睡眠）模式。


Attiny13a微控制器被选为驱动程序的“大脑”-它是最便宜的Atmel MC（现在已被Microchip吸收）之一，板上有所有东西-用于连接按钮和LED的GPIO，用于生成PWM信号的计时器，用于测量的ADC电压和EEPROM保存参数。 只有1 KB的闪存可用（但手电筒需要多少闪存），以及64 B RAM和相同数量的EEPROM。
Attiny13提供多种外壳选择，尤其是DIP-8，可以将其直接插入间距为2.54mm的普通面包板中。


由于从手电筒的背面到头部只有3根电线，因此按钮被迫接地（大约不可能短接至正极-稍后），因此您将不得不在正极上切换LED-这意味着您需要一个P通道杆。 我将AO3401当作这样的晶体管，但是可以选择SI2323，它更昂贵，但具有更小的开路电阻（40 mOhm，而AO3401在4.5 V时具有60 mOhm），因此，驱动器的发热更少。


从言行举止，我在面包板上收集了初步版本


目前，它是由编程器直接供电的，电压为5 V（由于USB电缆的损耗，实际上更低）。 到目前为止，XM-L还没有使用LED，而是在脚上固定了常规LED并放置了具有高阈值电压的弱晶体管。
然后，在Altium Designer程序中绘制了一个图表，并在其中添加了反极性和ESD保护功能。



所有组件的详细说明和目的

先决条件：


U1-采用8S1封装的Attiny13a微控制器（SSU索引）


C1-微控制器电源的去耦电容器，应在0.1微法拉的范围内（外壳1206或0805），温度系数X7R


R1-R2是一个用于测量电池电压的电阻分压器，可以设置任何额定值，这里是主比率（750K / 220K，分压比率4.41）和泄漏电流，如果增加额定值（电流约为4μA）会更大。 由于使用内部ION（1.1 V，根据数据手册，它可以在1.0 V-1.2 V之间），所以分压器输出的最大电压不应超过1V。对于分压器750/220，分压器输入的最大允许电压为4.41 V，即足以应付所有类型的锂电池。
我用这个计算器计算了分频器。


R3-保护微控制器端口的输出免受短路影响（如果PB1突然拉至VCC，则大电流将流过该引脚，并且MC可能烧坏）


R4-将RESET MK上电，没有它，可以从拾音器重启。


Q1-在SOT-23封装中的P通道场效应晶体管，我安装了AO3401，但安装了具有合适引脚分配的任何其他晶体管（例如，SI2323）


R7是限流栅极电阻。 由于晶体管的栅极具有一定的容量，因此对该容量充电时，大电流会流经该引脚，并且该引脚可能会发生故障。 您可以将其设置在100-220欧姆的范围内（不再应该这样，晶体管将长时间处于半关闭状态，结果，它会发热更多）。


R6-电阻上拉百叶窗供电。 如果PB0进入高阻状态，则将通过此电阻在门Q1上安装逻辑1，并且晶体管将关闭。 这可能是由于代码或编程模式中的错误引起的。


D2-“锁定”二极管-允许电压“下陷”（当LED短时间打开到全亮度时）从电容器馈送MK一段时间，还可以防止极性反接。
您可以在SOD323封装中放置任何肖特基二极管，且压降最小，我放置BAT60。


最初，在场效应晶体管上进行了防止电源极性反接的保护措施（可以在通过战利品制成的板上看到）。 接线后出现了令人不愉快的功能-当负载打开时，电压下降并且MK重新启动，因为现场工作人员没有限制相反方向的电流。 刚开始，我在VCC和GND之间焊接了一个200 uF的电解电容器，但是由于其尺寸太大，我不喜欢这种解决方案。 由于SOT-23和SOD-323具有相似的尺寸，因此我必须焊接晶体管并在其位置放一个二极管。


总共，电路中仅需要安装10个组件。


可选组件：


R5和D1负责背光（LED2）。 R5的最小额定值为100欧姆。 额定值越高，后面的LED点亮越弱（它在没有PWM的恒定模式下打开）。 D1-外壳1206中的任何LED我都放绿色，因为 在视觉上，它们在相同的电流下比其他电流更亮。


D3和D4是保护二极管（TVS），我在SOD323封装中使用了PESD5V0（5.0V）。 D3通过按钮保护电源D4免受过压。 如果按钮被薄膜覆盖，则其中没有特殊含义。 可能值得使用双向保护二极管，否则，当极性接反时，电流将流过它们，并且它们会烧毁（请参阅双向保护二极管的CVC）。


C2-情况A的钽电容器（类似于1206），在驱动器不稳定时（在LED的高开关电流下可能会挤压电源电压）进行设置是有意义的


所有大小为0603的电阻器（对我来说，这是手动焊接的适当限制）


组件一切都清楚了，您可以根据上述方案制作印刷电路板。
首先要做的是构建未来电路板的3D模型以及孔-IMHO，在Altium Designer中，这是确定PCB几何形状的最便捷方法。
我测量了旧驱动器及其安装孔的尺寸-电路板应固定在其上，但尺寸要小一些（出于多功能性，突然之间您必须将其构建在其他位置）。
合理的最小值在大约25x12.5mm（纵横比2：1）的某个地方，带有两个直径为2mm的孔，可使用本机螺钉将其固定到灯壳上。


我在SolidWorks中制作了3D模型，然后将其作为STEP导出到Altium Designer。
然后，我将组件放置在板上，使触点位于角上（更方便且更容易接地），Attiny13置于中心，晶体管更靠近LED触点。
我铺开了电源线，将剩下的组件放回原处，并分开了信号线。 为了方便连接内存，我为它带来了单独的触点，该触点与电池触点重复。
我在顶层做了所有布线（一个跳线除外），以便能够在家中用LUT制作电路板。
信号路径的最小宽度为0.254 mm / 10 mil，功率路径的最大宽度尽可能。


这就是Altium Designer中的接线板外观


Altium Designer可以查看电路板在3D模式下的外观（为此，您需要所有组件的模型，其中一些必须自己构建）。
也许有人会说示踪剂不需要3D模式，但对我个人而言，这是一项方便的功能，可以方便地放置组件以方便焊接。



在撰写本文时，已制作了3种版本的电路板-第一种用于LUT，第二种用于工业制造，第三种，最后进行了一些更正。


制板


自制方式


LUT-激光熨烫技术，一种通过在掩模上进行蚀刻来生产电路板的方法，该掩模通过将碳粉从纸张转换为铜而获得。 这种方法非常适合简单的单面电路板，例如该驱动器。
该网络上有很多关于该技术的文章，因此，我将不做详细介绍，而只是简要地告诉您我是如何做到的。


首先，您需要准备一个模板，该模板将打印在热敏纸上。 我将top_layer层导出为PDF，得到矢量图像。



由于电路板很小，因此有必要选择一块尺寸大几倍的PCB板，并进行行业所谓的镶板。
出于这些目的，CorelDraw非常方便，但是您可以使用任何其他矢量编辑器。
我将模板的副本放在文档上，在木板之间留出0.5-1mm的间隙（这取决于分离方法，稍后再说），木板应该对称放置-否则将很难分开。


我拿起一块单面PCB，尺寸稍大于组装好的面板，清洁并除脂（我更喜欢先用橡皮擦，然后再用酒精擦）。 我在热敏纸上打印了一个用于蚀刻的模板（在此重要的是不要忘记镜像该模板）。
在熨斗和耐心的帮助下，轻轻地在纸上抚摸，我将其翻译为软沸石。 我等到它冷却下来，然后小心地剥离纸。
可以对铜的自由区域（未覆盖碳粉）进行清漆或粘合（铜的面积越小，蚀刻反应越快）。


这样的家用镶板-大量的木板可以弥补制造缺陷


我用柠檬酸在过氧化氢溶液中毒使木板中毒，这是最经济的方式，尽管速度很慢。
比例如下：对于100毫升过氧化物，3％是30克柠檬酸和约5克盐，将它们全部混合并倒入装有text石的容器中。
加热溶液会加快反应速度，但可能导致碳粉剥落。


未知的化学魔术开始了：铜被气泡覆盖，溶液呈蓝色


一段时间后，我取出蚀刻后的板并清洁碳粉。 我无法用任何溶剂将其洗掉，因此我用细砂纸将其机械去除。


现在，仍然需要对电路板进行镀锡-这将有助于焊接并保护铜免受氧化并促进焊接。 我更喜欢使用Rose合金进行镀锡-这种合金在约95度的温度下熔化，因此可以在沸水中镀锡（是的，也许不是最可靠的镀锡成分，但对于自制电路板而言）。



镀锡后，我在一块板上钻孔（对于触点，我使用硬质合金钻头f1.0，对于跳线使用-f0.7），由于缺少其他工具，我用dremel进行了钻孔。 我不喜欢因为灰尘而切割斜纹棉布，因此，在钻孔后，我用一把办公刀将木板切开-在两侧，我在一条线上进行多次切割，然后将其切成小块。 这让人想起工业上使用的V形切割方法，只不过有一个由铣刀制成的切口。


看起来像是准备焊接的电路板


准备好板子后，就可以开始对组件进行接线了。 首先，我焊接一个小电阻（电阻0603），然后焊接其他所有东西。 电阻与MK相邻，因此以相反的顺序焊接可能会出现问题。 焊接后，我检查驱动器供电是否短路，然后已经可以启动固件MK。


驱动程序准备下载固件


工业方式


LUT快速且价格合理，但是该技术也有其缺点（就像几乎所有“家用” PP制造方法一样）。 制造双面板是有问题的，可以蚀刻走线，而您只能梦想将孔金属化。


幸运的是，进取的中国人长期以来一直以工业方式提供印刷电路板制造服务。
奇怪的是，中文单层板的价格将比两层板高，因此我决定在印刷电路板上增加第二层（底部）。 电源路径和接地在此层上重复。 同样，可以从晶体管（下层的铜多边形）制成散热片，这将使驱动器能够在更高的电流下工作。


Altium Designer中板子的底层


对于这个项目，我决定在PcbWay网站上订购印刷电路板。 该站点有一个方便的计算器，用于根据板的参数，大小和数量来计算板的成本。 计算成本后，我下载了先前在Altium Designer中创建的gerber文件，中文检查了该文件，电路板投入生产。


制作一组10个TinyFL电路板花了我5美元。 注册新用户时，第一次订购可享受5美元的折扣，因此我只支付了运费，运费也大约为5美元。
在此站点上，有机会将项目置于公共领域，因此，如果有人要订购这些板，则只需将该项目添加到购物篮中即可。


几周后，只有我来了相同的董事会 漂亮的 工业制造。 它们只能解压缩并用固件填充。



程序（固件）


编写驱动程序固件时出现的主要困难与闪存的极小尺寸有关-Attiny13只有1024字节。
同样，由于亮度变化是平滑的，因此要均匀地改变亮度也是一项艰巨的任务-为此，我们必须进行伽玛校正。


驾驶员控制算法


短按该按钮可打开驱动器，然后将其关闭。
所选的亮度模式将在关机期间存储。


如果在操作过程中连按两下按钮（双击），则其他LED将会打开/关闭。
在操作过程中长按此键，灯的亮度将逐渐变化。 反复长按可更改方向（更强/更弱）。


驱动程序会定期检查电池电压，如果电池电压低于设定值，则警告用户放电，然后关闭以避免深度放电。


驱动程序算法的更详细描述
  1. 当给MK供电时，外围设备就建立好了，MK进入睡眠状态（如果定义了STARTSLEEP）。 给驱动器供电后，如果定义了STARTBLINKS，则两个LED都会闪烁一定次数。
  2. 睡吧 Attiny13在掉电模式下睡眠（这是最经济的模式，根据数据手册，MK消耗约为1μA），只有中断才能退出。 在这种情况下，这是INT0中断-按下按钮（将PC1设置为逻辑0）。
    在PC1上，应打开内部弱上拉电路。 ADC和比较器是整个外围设备电流的主要消耗者，因此也需要将其关闭。 睡眠期间，寄存器和RAM的内容被存储，因此不需要EEPROM来记住亮度。
  3. 睡眠后，外围设备和PWM开启，驱动器进入无休止的循环，在该循环中，将监视按钮并定期检查电池电压。
  4. 如果按下按钮，则按下时间。
    4.1。 如果短按，则需要双击（如果定义了BTN_DBCLICK）。
    如果是这样，则额外的LED2开关
    如果不是，请转到步骤2（睡眠）
    4.2。 如果长按（比BTN_ONOFF_DELAY长）-激活亮度控制模式。 在这种模式下：
    • 按下按钮时，变化方向反转（更多/更少），PWM填充百分比发生变化。
    • / (RATE_MAX / RATE_MIN), ;
    • n- (AUXMODES_DELAY) , . — ( 25 , 8 ) ( 50, 1 ). , - .
  5. — ADC2, .
    • BAT_WARNING –
    • BAT_WARNING – , . - . , 5 .
    • BAT_SHUTDOWN — .2 ().


, — , - , . - , , . 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, .


Arduino IDE

Attiny13 IDE. .
Tools>Board Attiny13(a) Tools>Frequency 1.2MHz.
"" .ino, — . , — Arduino IDE. - , .cpp.
, , *.hex. .


Atmel Studio

IDE flashlight.atsln, — flashlight.h () flashlight.cpp .
— .
F7, ( , , ). debug flashlight.hex, .


USBASP AVRDUDEPROG. GUI avrdude, — . ( Attiny13(a), Fuses read. , , . programm, . flashlight.h


要上传固件，请转到“程序”选项卡，在Flash行中以HEX格式（flashlight.hex）选择已编译的固件文件，然后单击“程序”。 固件状态将显示在下面的窗口中。 如果下载失败，则可能是联系不良，它会发生-值得再次尝试。 顺便说一下，出于这个原因，已设置了STARTBLINKS参数-在向驱动器供电时，LED2的单次闪烁可指示驱动器与编程器的接触。
代替USBASP，您可以使用Arduino下载固件， 此处和此处均提供更多详细信息。


USBASP编程器通过带环的夹子连接到驱动器


要将USBASP连接到tinka，我使用一个8针SOIC的夹子。 这不是一个非常方便的设备，您必须在折磨10分钟之前折磨一下（也许我只是碰到了一个有缺陷的夹子）。 也有SOIC-DIP适配器，在焊接之前将微电路插入其中并注入固件-此选项更方便，但是失去了对驱动器在线编程的能力（即在将MK焊接到板上之后更新固件）。
如果这还不存在，那么您只需将电线焊接到MK的端子上，然后将其连接到Arduino。


标定


流过驱动器和LED的电流不应超过最大值。 对于XM-L LED，这是3 A，对于驱动器，它取决于所使用的晶体管，例如，对于SI2323，最大电流约为4 A，但是由于过热，最好以较低的电流驱动。 为了降低最大亮度时的电流，使用了RATE_MAX参数（#define RATE_MAX xx，其中xx是从0到255的最大亮度）。
ADC的校准不是强制性的步骤，但是如果您希望驱动器准确监控阈值电压，则必须对其进行修补。


该计算不会提供很高的测量精度，因为，首先，电阻器可以在公差范围内变化（通常为1％至5％），其次，内部离子的散射范围为1.0至1.2V。
因此，唯一可接受的方法是以ADC单位（BAT_WARNING和BAT_SHUTDOWN）设置值，并通过实验将其选择为所需值。 为此，您需要耐心，编程器和可调电源。
我将固件中的BAT_PERIOD值设置为1000（每秒检查一次电压），然后逐渐降低电源电压。 当驾驶员开始警告放电时，我根据需要保留了BAT_WARNING的当前值。
这不是最方便的方法，也许将来您需要执行自动校准过程，并将值保存在EEPROM中。


手电筒总成


当电路板准备就绪并且固件泛滥时，您最终可以将其替换为旧驱动程序。 我拆焊了旧的驱动器，然后焊接了一个新的驱动器。


根据此方案，新的驱动程序代替旧的驱动程序被连接


在检查电源中是否存在短路之后，我连接了电源并检查了可操作性。 然后我安装了充电板（TP4056），为此我必须在充电连接器上钻一个小孔，然后用热熔胶将其固定（重要的是胶水不会流入连接器中，很难将其从那里取出）。


我之所以没有用螺钉来固定电路板，是因为壳体中的螺纹由于反复扭曲而断裂，只是将胶水倒在其上，并且将电线粘在焊接处以免磨损。 我决定用丙烯酸无色清漆覆盖驱动器和充电器，这有助于防止腐蚀。



测试和计算制造成本


完成所有操作后，就可以开始测试驱动程序了。 用常规的万用表测量电流，然后将其连接到电源的开路。


旧驱动器的功耗（在4.04 V下测量）：


  1. 睡眠期间-未测量
  2. 最大模式：0.60 A
  3. 中模：0.30 A
  4. 频闪仪：0.28 A

新驱动器的功耗（在4.0 V下测量）：


  1. 在睡眠模式下，它消耗的电流约为4μA，远低于锂离子电池的自放电电流。 该模式下的主电流流经电阻分压器。
  2. 在最小模式下，“月光”约为5-7 mA，如果我们假设一个18650电池的容量约为2500 mA * h，那么我们可以获得约20天的连续运行时间 。 MK本身消耗的电流约为1.2-1.5 mA（工作频率为1.2 MHz）。
  3. 在最大模式下，“涡轮”-消耗约1.5 A电流，在这种模式下，它将工作约一个半小时。 此类电流上的LED开始变得非常热，因此该模式不适用于长期运行。
  4. 紧急信标-平均消耗约80毫安的电流，在这种模式下，手电可以工作30个小时。
  5. 频闪仪-消耗约0.35 A的电流，最多可工作6个小时。

发行价


如果您在Chip and Deep中购买组件，则大约会产生100卢布（60卢布的Attiny13，约40卢布的剩余散粉）。 从中国订购是合理的，如果制造了几件，那么就一件而言，它会更便宜，中国人通常批量销售10件以上。
如果在中国订购，将以10件300卢布的价格释放费用（无交货）。
布线和闪烁一个驱动程序大约需要一个小时。


结论


中国的手电筒变得更加方便，尽管现在我对其手电筒有所抱怨-前部太重了，不需要真正地聚焦。
将来，我计划制作一个带有电源按钮（带固定装置）的手电筒驱动程序版本。 没错，我对如此大量的项目感到困惑。 您认为值得再做一个吗？


特写驱动程序（版本2_t）


UPD ：添加了对Arduino IDE的支持。


固件，电路和电路板布线的源代码现在位于github上，您可以在此处下载： https : //github.com/madcatdev/tinyfl_t

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN464673/

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