Prosty, jednopunktowy wskaźnik poziomu naładowania baterii

Wraz z szybkim rozwojem systemów wbudowanych, a zwłaszcza urządzeń Internetu Rzeczy (IoT), rośnie zapotrzebowanie na ulepszenia systemów akumulatorowych, które je zasilają. W szczególności wiele aplikacji może zyskać na opłacalnym, ale dokładnym mierniku poziomu naładowania akumulatora. Podczas gdy większość zastosowań ogniw w motoryzacji, medycynie czy wojsku wymaga zastosowania kompletnego systemu zarządzania baterią (BMS), wiele innych, prostszych produktów radzi sobie doskonale z prostym wskaźnikiem poziomu naładowania, który informuje użytkownika tylko ogólnie, ile energii jest dostępne do zasilania urządzenia.

Pomysł na opisany poniżej projekt streścić można w jednym zdaniu - wskaźnik poziomu naładowania, który wykorzystuje tylko jedną diodę LED. Ciężko wyobrazić sobie wyświetlacz słupkowy ([i]bar-graph[/b]) wykorzystujący tylko jeden punkt, ale zaprezentowana konstrukcja stanowi prostą, kompaktową, tanią i energooszczędną alternatywę dla zwykłego, zazwyczaj czteropunktowego wskaźnika słupkowego baterii. Układ składa się z pojedynczej diody LED RGB sterowanej przez mały mikrokontroler - w tym przypadku PIC10F220 lub PIC10F222 firmy Microchip, dostępny w kompaktowej, 6-pinowej obudowie. Cały układ udało się zaimplementować na płytce drukowanej o wielkości zaledwie 3,1 mm x 3,2 mm. Dzięki czemu łatwo go zintegrować z istniejącą konstrukcją (patrz rysunek 1).

Niewielki rozmiar płyty z prototypem układu ułatwia dodawanie konstrukcji do istniejących już produktów, które obecnie nie posiadają miernika stanu baterii. W tym przykładzie jest on zamontowany w obudowie powerbanku z ogniwami litowo-jonowymi.

Zasada działania konstrukcji jest bardzo prosta. Mikrokontroler PIC mierzy napięcie akumulatora (wykrywane na jego własnym pinie zasilania - VDD) za pomocą wewnętrznego źródła napięcia odniesienia (0,6 V). Pomiar wykonany za pomocą wbudowanego przetwornika ADC wyrażany jest w liczbie opisującej, jaką częścią mierzonego napięcia jest wartość odniesienia 0,6 V. Z uwagi na to, że pomiar zwracany jest jako stosunek 0,6 V do VDD, to wraz ze wzrostem napięcia zasilającego, wynik pomiaru będzie się zmniejszać i odwrotnie - jest to typowa zależność typu 1/x. W nocie aplikacyjnej Microchipa (AN1072) opisano w pełni, w jaki sposób z tej wartości uzyskać napięcie VDD.

Podobnie jak w przypadku każdego miernika stanu naładowania akumulatora, konstrukcja ta również musi uwzględniać nieliniową krzywą napięcia względem stanu naładowania wykazywaną przez akumulatory litowo-jonowe przy wyborze napięć progowych, przy których mikrokontroler wyświetli kolejny kolor, który odpowiada stanowi naładowania akumulatora (czerwony, żółty i zielony lub niebieski). Aby uniknąć trudności związanych z używaniem ograniczonych możliwości matematycznych PIC do obliczania stanu naładowania za każdym razem, gdy mierzone jest VDD, autor stworzył tabelę odnośników, która może być przechowywana w pamięci programu PIC. Tabela (dostępna jest na stronie z projektem - link na dole) została utworzona za pomocą Excela i obejmuje jedynie zakres napięć oczekiwanych od prawidłowo działającego akumulatora, w tym przypadku są to napięcia od 2,9 V do 4,3 V. Zmierzone za pomocą 8-bitowego ADC wbudowanego w PICa, napięcia te dadzą wartości wyjściowe między 52 a 35.



Aby zminimalizować zużycie energii, w projekcie zastosowano diodę LED RGB o wysokiej jasności. Mikrokontroler skonfigurowany jest do pozostawania w trybie uśpienia, dopóki nie otrzyma okresowego przerwania od timera nadzorującego (mniej więcej raz na sekundę). Po przebudzeniu z trybu uśpienia kontroler mierzy napięcie obecne na pinie VDD i krótko mruga odpowiednią diodą LED (1 ms przez około 0,25 s), ustawiając piny diody związane z kolorem odpowiadającym wartości ostatniego pomiaru.

Do pobrania ze strony z projektem dostępne są dwie wersje kodu źródłowego asemblera dla mikrokontrolera, dzięki czemu można sterować diodami LED RGB ze wspólną anodą lub katodą. Listingi są w pełni pokomentowane, a kod zoptymalizowany pod względem wielkości. Firmware używa makr, aby ułatwić odczyt napięcia. Oprogramowanie zajmuje tylko 85 słów kodu i 3 bajty danych, co ułatwia wdrożenie go w dowolnej aplikacji i niemalże w każdym układzie. Co więcej, dzięki temu kompaktowemu rozwiązaniu, podobne zaaplikować można na dowolnym innym małym mikrokontrolerze.

Źródło: https://www.edn.com/simplify-the-battery-gauge-with-a-1-dot-bar-graph-display/

Od redaktora: Postanowiłem tutaj od razu odpowiedzieć na kwestie, które - jak znam użytkowników naszego Forum - na pewno zostaną poruszone. Układ ten da się zrealizować na kilku komparatorach i ew. bramkach logicznych. Rozwiązanie to będzie jednak droższe i zajmie więcej miejsca na PCB niż pojedynczy mikrokontroler w obudowie SOT23 czy podobnej. Nie mówiąc już o tym, że w takim uC da się zawrzeć ciut więcej logiki sterującej, jeśli się chce. Zwiększając odrobinę układ można zrobić np. zabezpieczenie przed zbyt głębokim rozładowaniem ogniwa itp.