Автономные системы становятся все более востребованными - от портативных приборов до сложных промышленных комплексов - надежное управление напряжением питания превращается в ключевой фактор их долговечности и эффективности. Сердце любой такой системы - аккумулятор, а его безопасность и срок службы, напрямую зависит от контроля напряжения.

В данной статье будет представлен пример контроля напряжения, над блоком питания - внутри которого (никель-металлгидридная аккумуляторная сборка NiMH 14.4В/12 банок по 1.2В(1.4В- при полной зарядке)).

В блоке питания уже есть палата управления над аккумулятором, которая выполняет задачи:

• Работа с кнопкой;

• Работа со светодиодом;

• Работа с пъезоэлектрическим излучателем(звуковая индикация);

• Контроль заряда/разряда аккумулятора(дает звуковой сигнал при напряжении менее 9 вольт и более 14).

В процессе анализа и статистики использования оборудования стало очевидно, что многие пользователи часто забывают своевременно отключать блоки питания. В результате аккумуляторные сборки продолжают разряжаться даже при отсутствии необходимости, напряжение падает до критических значений, и аккумулятор быстро теряет свою емкость, становясь непригодным для дальнейшей эксплуатации.

Помимо этого, подключенная система оказывается в неопределенном состоянии, на плату управления и различные датчики по-прежнему подается питание, что приводит к избыточной нагрузке. В качестве этого сокращается ресурс электронных компонентов и снижается надежность всего устройства.

Для решения данной проблемы я продемонстрирую пример системы контроля напряжения блока питания, в качестве микроконтроллера выбран STM32F103С8T6, который выполняет следующие задачи:

• Непрерывный мониторинг напряжения аккумуляторной сборки, измерение производится через АЦП с использованием DMA;

• Оповещение пользователя о низком заряде, при падении напряжения ниже установленного порога (в данном примере - 9.0В) система активизирует звуковой сигнал, время работы оповещения ограничено - звуковая индикация будет длится 5 минут;

• Переход в энергосберегающий режим, если напряжение остается ниже порога и пользователь не предпринял действий в течении заданного времени, микроконтроллер переводит систему в режим сна, это сопровождается отключением тактирования и всей периферии, что минимизирует и предотвращает глубокий разряд аккумулятора.

Схема подключения NiMH АКБ, делителя напряжения к АЦП МК, кнопки вкл/выкл и пъезо-излучателя

Перечень компонентов

Объяснение схемы

Узел[1]

• Входной силовой ключ, исток подключен к +12V, сток идет к блоку питания(+12_АКК) через предохранители, а затвор подтянут к земле, применение (защищенная подача напряжения питания с аккумуляторного блока);

Узел[2]

• Вторичный силовой ключ, обеспечивает управляемое включение/отключение напряжения питания основной нагрузки системы, управление происходит через МК, сигнал PWR_ON, после включения данного узла, на стоке напряжение питания +12ВК активизируется и передает напряжение другим частям схемы, в моем примере это (узел[4]-Звуковая индикация и узел[5]-lделитель напряжения), но также можно использовать данный узел и на включение преобразователей напряжения;

Узел[3]

• Данный узел обеспечивает логику взаимодействия с кнопкой включения/выключения, кнопка sa2, при нажатии формирует управляющий сигнал, диод АD4 и конденсатор С1 обеспечивают фильтрацию и антидребезг;

Узел[4]

• Данный узел обеспечивает звуковую индикацию, сигнал BEEP подключается к МК;

Узел[5]

Данный узел является делителем напряжения, делит напряжение до уровня, подходящего для измерения АЦП МК (обычно до 3.3V), подстроечный резистор R8, выставлен на 1.7кОм.

Настройка микроконтроллера STM32F103 в CubeIDE

Конфигурация TIM1(PA11)

Таймер TIM1 выполняет роль генератора для звуковой индикации.

Настройка таймера:

• Предделитель (Prescaler) и период (Auto-Reload) выбраны так, чтобы на выходе формировался сигнал с частотой в диапазоне, воспринимаемом слухом (обычно 1–5 кГц);

• Режим работы – PWM (широтно-импульсная модуляция);

• Коэффициент заполнения (Pulse) определяет громкость и характер звучания.

Принцип работы:
Таймер генерирует ШИМ-сигнал, который подаётся на транзисторный ключ. Транзистор управляет пьезоизлучателем или динамиком. В результате получается слышимый звук.

Преимущества такого решения:

• Микроконтроллеру не нужно вручную формировать частоту – этим занимается таймер;

• Легко изменять тональность: достаточно переписать значения ARR/PSC;

• Можно реализовать разные звуковые эффекты (короткие сигналы, мелодии) простым управлением таймером из программы.

Конфигурация ADC(PA1)

В проекте используется многоканальный режим работы АЦП с двумя каналами в последовательности (Regular conversion sequence).

Rank 1 – внешний канал (ADC Channel 1).
Этот вход подключён к делителю напряжения и используется для измерения напряжения аккумулятора.
Благодаря этому микроконтроллер может в реальном времени контролировать состояние питания устройства.

Rank 2 – внутренний канал (Vrefint).
Это встроенный источник опорного напряжения микроконтроллера. Он служит для автоматической калибровки и компенсации возможных изменений питающего напряжения. С его помощью можно более точно измерять значение внешних сигналов, в том числе напряжение аккумулятора.

Для повышения эффективности задействован DMA: результаты обоих измерений (Rank 1 и Rank 2) автоматически передаются в память, а процессор получает только готовые данные.

Для правильной настройки ADC я воспользовался данной информацией, там подробно расписано как работать с ADC МК-STM32.

Конфигурация пина для работы с кнопкой

Для работы с кнопкой выбран вывод PB11, сконфигурированный в режиме:

• GPIO_EXTI – внешний прерывающий вход. Это значит, что нажатие кнопки обрабатывается не опросом в цикле, а через аппаратное прерывание;

• Mode - External interrupt, Falling edge trigger – прерывание срабатывает по спаду сигнала (при замыкании кнопки на землю);

• Pull-up – включен внутренний подтягивающий резистор, который удерживает вход в состоянии логической «1», пока кнопка не нажата.

Кнопка подключена так, что в обычном состоянии на входе PB11 присутствует логическая «1» благодаря встроенному подтягивающему резистору (Pull-up). При нажатии контакт замыкается на землю, формируется логический «0» и происходит спад сигнала. Этот спад фиксируется модулем EXTI, который вызывает прерывание.

Конфигурация пина для работы с сигналом PWR_ON

Сигнал PWR_ON играет роль электронного «выключателя питания».

В исходном состоянии (Low) нагрузка обесточена.

При активации (перевод вывода в High) силовой MOSFET открывается, и напряжение +12ВК подаётся на остальные узлы системы.

В примере данная линия питает:

узел [4] – звуковую индикацию,

узел [5] – делитель напряжения для мониторинга питания.

Аналогично этот узел можно использовать и для включения DC/DC-преобразователей или других модулей, требующих управляемого питания.

Конфигурация Clock

Реализация программного кода

Ссылка на скачивание исходного кода [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_исходный_код - Adc_VoltageControl_STM32F103C8T6]

Заголовочный файл keys.h (работа с кнопками)

В данном файле определены:

• Функции работы с кнопками;

• Битовые маски состояний;

• константы для различных сценариев нажатий.

keys.h

Реализация модуля keys.c (работа с кнопками)

Данный модуль включает в себя задачи:

• Устранение дребезга контактов;

• Различие между коротким и долгим нажатием;

• Отслеживание событий нажатия, удержания и отпускания.

keysDrv_Handler()

Вызывается постоянно в основном цикле или из системного таймера.

Нажатие кнопки (первичное событие)

2. if(gl_kDrv_key1_blockEvent == 0 && ON_OFFB_state == KEY_PRESS) {
3. gl_kDrv_key1_blockEvent = 1;
4. gl_kDrv_time_key1_press = ms;
5. }

Сохраняется время нажатия, дальнейшие события блокируются до отпускания

Фильтр дребезга

else if(gl_kDrv_key1_blockEvent == 1 &&
&&
gl_kDrv_key1_short_state==0 &&
(ms - gl_kDrv_time_key1_press) > DELAY4TIMER){
//прошло время защиты от дребезга, кнопка нажата
gl_kDrv_key1_short_state=1;
keyState &= ~KEY1Release_Drv;//снимаем бит отпускания кнопки
keyState |= KEY1_Drv;
}

Если прошло больше DELAY4TIMER, считаем кнопку реально нажатой.

Определение удержания

else if(gl_kDrv_key1_blockEvent == 1 &&
ON_OFFB_state==KEY_PRESS &&
gl_kDrv_key1_short_state==1 &&
(ms - gl_kDrv_time_key1_press) > DELAY_HOLD_TIMER){
keyState |= KEY1Hold_Drv;
}

Если прошло больше DELAY_HOLD_TIMER, выставляем бит удержания.

Отпускание кнопки

else if(gl_kDrv_key1_blockEvent == 1 && && gl_kDrv_key1_short_state==1){
gl_kDrv_key1_blockEvent=0;
gl_kDrv_key1_short_state=0;
keyState |= KEY1Release_Drv;
keyState &= ~KEY1_Drv;//снимаем бит нажатия кнопки
keyState &= ~KEY1Hold_Drv;//снимаем бит удержания кнопки
}

При отпускании кнопки сбрасываются флаги удержания и нажатия, выставляется бит отпускания.

getKeyState()

Возвращает текущее состояние кнопок в виде битовой маски

• Позволяет определить, была ли кнопка нажата, удержана или отпущена;

• После считывания некоторые флаги (например, отпускание) сбрасываются ,чтобы событие не повторялось.

getKeyPinState_AtNow()

Возвращает моментальное состояние ножек GPIO, без учета дребезга

• Полезно для отладки или когда нужно мгновенно узнать, нажата ли кнопка прямо сейчас

  keys.c

Реализация модуля ADC_Calc.c (работа с АЦП)

Данный модуль реализует контроль напряжения питания через АЦП микроконтроллера STM32F103C8T6, измерения выполняются с использованием:

• DMA (циклическая запись данных в буфер);

• Встроенного опорного напряжения Vrefint;

• Собственного делителя напряжения на входе.

ADC_Calc_Handler() - главный обработчик вычислений

• Проверяет, заполнена ли первая или вторая половина DMA-буфера;

• Усредняет значения для канала измерения и Vrefint;

• Конвертирует результат в напряжение вызовом adc_calcVoltage();

• Если напряжение ниже порога critical_stress → возвращает команду отключения питания (FORCE_POWER_OFF);

• Производит фильтрацию значений по диапазону 750 < val_input < 2800 (защита от шумов и выбросов).

HAL_ADC_ConvCpltCallback()

Вызывается по прерыванию DMA Transfer Complete → устанавливает флаг adcIRFullDone

HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback()

Вызывается по прерыванию DMA Half Transfer Complete → устанавливает флаг adcIRHalfDone

adc_init()

• Сброс флагов и буфера.

adc_start()

Запускает АЦП в режиме DMA, далее происходит циклическое заполнение adcDMAbuf без участия процессора

adc_stop()

• Останавливает АЦП и DMA;

• Сбрасывает флаги готовности

adc_calcVoltage()

Ключевая функция — переводит «сырые» значения АЦП в напряжение

adc_GetVoltage()

Геттер для получения последнего значения рассчитанного напряжения

Общий алгоритм работы:

• DMA заполняет буфер парами значений (input, Vrefint);

• При заполнении половины буфера → срабатывает прерывание, ставится флаг;

• ADC_Calc_Handler считывает данные, фильтрует и усредняет;

• Вызывается adc_calcVoltage, которая переводит вольты;

• Значение доступно через adc_GetVoltage();

• Если напряжение меньше 9 В (по critical_stress) → отрабатывает аварийное выключение.

ADC_Calk.c

Пояснение к функции adc_calcVoltage()

Расчет VDDA, где:

VREFINT_TYP - калибровочное значение 1.20, взято из datasheet, у других МК на заводе производитель прошивает калибровочное значение в ПЗУ при изготовлении, пример получения значения с МК STM32F030CCTx [0x1FFFF7BA];

4095 - когда измеряется источник встроенным АЦП, результат выражается в единицах квантования, максимум которых равен 4095, поэтому в формуле используется множитель 4095 - это нормализация значения, чтобы связать измеренный АЦП с напряжением VDDA.

ADC_vref - значение встроенного источника опорного напряжения

Перевод значения канала в напряжение

ADC_in - напряжение измеренное с делителя напряжения (узел[5])

Коррекция через делитель напряжения

Вход подключен через делитель R1=221кОм и R2 = 27кОм, переводим в Ом,

добавил смещение (-0.5) для подстройки измерений.

Таблица замеров напряжения от 14.5 вольт до 7 вольт.

Прикладываю видео-тестирования прохода по спаду напряжения, а также видео-тестирования, сброс напряжения и уход в сон микроконтроллера при низком напряжении ссылка [ https://t.me/ChipCraft В закрепленном сообщении [ #исскуствомк_тестирование_ Adc_VoltageControl]

Реализация модуля proj_main.c (Главный метод)

Данный модуль объединяет несколько подсистем:

• Кнопка управления (одиночное и двойное нажатие);

• Контроль напряжения питания через АЦП;

• Звуковая индикация состояния;

• Автоматический переход в сон при низком напряжении.

proj_main.c

Вывод

Данная система контроля над блоком питания реализует:

• Обработку кнопок с фильтрацией дребезга, с поддержкой короткого/долгого/двойного нажатия и отпускания;

• Мониторинг напряжения через АЦП с защитой от просадок и автоматическим отключением при критическом низком уровне;

• Звуковая индикация (короткие, двойные сигналы) для информирования пользователя о событиях;

• Энергосбережение переход в режим STOP и пробуждение по прерыванию.

Систему можно использовать как основу для портативных приборов, автономных устройств и встраиваемых систем, где важно одновременно удобное управление и защита электроники.

Если статья показалась Вам интересной, буду рад выпустить для Вас еще множество статей исследований по всевозможным видам устройств, так что, если не хотите их пропустить – буду благодарен за подписку на мой ТГ-канал: https://t.me/ChipCraft.

• Необходимо обеспечить бесшовную интеграцию программного обеспечения с существующим оборудованием для инспекции и системами управления данными. Несовместимость может привести к сбоям в рабочем процессе, дополнительным расходам и удлинённому времени внедрения.

• Основная цель программного обеспечения для распознавания дефектов — быстрое и точное выявление несоответствий. Требуется запросить данные о производительности, результаты испытаний или кейс‑стади, демонстрирующие эффективность системы в обнаружении дефектов в различных материалах.

• Программное обеспечение, требующее минимального обучения, ускорит адаптацию команды. Интуитивно понятный интерфейс и сильная поддержка со стороны поставщика способны сократить простои и повысить эффективность ежедневных инспекций.

• По мере роста производства или усложнения стандартов инспекции потребности могут изменяться. Следует выбирать решение, способное масштабироваться вместе с организацией и адаптироваться к новым методикам неразрушающего контроля.

• Надёжные отношения с поставщиком имеют решающее значение. Ищут компании, предоставляющие постоянные обновления, оперативную техническую поддержку и подробную документацию, позволяющую системе работать наилучшим образом.

• Самый дешёвый вариант не всегда обеспечивает наилучшие результаты. Необходимо учитывать совокупную стоимость владения, включая обновления, поддержку и обучение, перед принятием окончательного решения. Качественный продукт, точно и своевременно выявляющий дефекты, может снизить количество отзывов продукции и укрепить репутацию бренда, что в итоге повышает окупаемость инвестиций.

Топовые решения для промышленного применения

1. Fujifilm

Fujifilm предлагает обширный портфель решений на основе визуализации, разработанных для точности, скорости и эффективности в отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, нефтегазовый сектор и производство. В ассортимент входят цифровая радиография, вычислительная радиография, промышленные рентгеновские системы и диагностическое программное обеспечение, оптимизированное для обнаружения дефектов.

Помимо оборудования, компания предоставляет комплексные программы обучения, подготавливающие персонал к получению сертификатов уровней 1, 2 и 3. Благодаря многолетним инновациям Fujifilm считается надёжным поставщиком программного обеспечения для распознавания дефектов и систем неразрушающего контроля.

2. Loopr

Loopr разрабатывает решения искусственного интеллекта, ориентированные на автоматизацию обнаружения дефектов и упрощение визуального контроля в производстве. Флагманская платформа LooprIQ Inspect использует программное обеспечение на базе камер и стандартное оборудование для реального времени выявления дефектов, регистрации данных инспекции и поддержки как полностью автоматических, так и человеко‑ассистированных режимов.

Быстрое развертывание, масштабируемость и постоянная база знаний позволяют Loopr снижать затраты, сохранять экспертизу и обеспечивать 100 % покрытие инспекций, делая компанию надёжным партнёром для производителей по всему миру.

3. Mitutoyo

Mitutoyo, мировой лидер в решениях точных измерений, расширил свою экспертизу в области обнаружения дефектов с помощью программного обеспечения AI INSPECT. Продукт упрощает сложные задачи визуального контроля, используя глубокое обучение для высокоточной пиксель‑уровневой детекции без необходимости специализированных знаний в области ИИ.

Программное обеспечение проводит пользователя через интуитивный рабочий процесс, поддерживает быструю подготовку и беспрепятственно интегрируется с существующими системами визуализации. Mitutoyo предоставляет производителям масштабируемое решение, способствующее бездефектному производству за счёт сочетания скорости, экономичности и надёжности.

Сделайте осознанную инвестицию

Выбор программного обеспечения для распознавания дефектов представляет собой инвестицию в обеспечение качества и операционный успех. Ориентируясь на совместимость, точность, удобство использования, масштабируемость и поддержку, можно уверенно подобрать систему, отвечающую как текущим, так и долгосрочным целям, а также установить партнёрские отношения с поставщиком, разделяющим видение надёжности и роста.

Читать в источнике

Больше материалов на канале РобоТок: https://t.me/tobotsp

Конечно, я понимал, что этот диалог в значительной степени был талантливым фарсом, но его экстремальный либерализм потряс и окончательно определил мое трудоустройство.

И вот я на работе во ВНИИЭСО. Оказалось, что и вся организация труда в отделе Быховского окрашена невиданной мной свободой. Особенно это заметно было на самом низовом уровне. В лабораториях  шумно, ценился спонтанный громогласный юмор, никакой иерархии, часто  слышны даже в коридоре  взрывы громкого смеха то из одной, то из другой комнаты.

Надо сказать, что разрабатываемые отделом плазменные установки – довольно мощные (до сотни кВт), ужасно шумные и во многих отношениях предельно агрессивные к человеку, испытывались на удаленных стендах института, поэтому в лабораториях особенно ценился уют . Для интимности, отдыха и чаепития шкафы огораживали отдельные занавешенные уголки комнаты.

За все время моего существования во ВНИИЭСО я ни разу не почувствовал мало-мальски «руководящей, сплачивающей» или мордующей роли КПСС. И как же сей либеральный оазис в стране развитого социализма не приводил к полному развалу жизнедеятельности отдела? И каковы были результаты труда?

Оценка деятельности отдела Быховского никак не есть тема  сей скромной статьи. Но все же наберусь наглости заявить, что в моем представлении результаты труда отдела были велики и великолепны. Кропотливым трудом десятка энтузиастов и их сподвижников был разработан ряд технологий и устройств плазменной резки, сварки и других видов обработки металлов, защищенных сотнями авторских свидетельств СССР.

Тысячи  установок резки разнообразного металла ( до 40мм толщины - УПРП и до 150мм толщины - АПР) расхватывались ведущими машиностроительными заводами страны. Плазма получалась из самого дешевого сырья, чаще всего, совершенно в стиле Быховского – только из кубометров окружающего воздуха и джоулей электричества питающей сети. Технология так и называлась - воздушно-плазменная.

С помощью специального устройства, так называемого плазмотрона, электрическую дугу инициируют, концентрируют и направляют на обрабатываемую деталь или промежуточный объект.  Сжатие плазменной дуги приводит к резкому повышению ее температуры, что позволяет во времени и пространстве повысить локализацию ее воздействия и, таким образом, осуществлять широкий спектр  высоких технологий, например, высококачественную резку, сварку, напыление или наплавку практически любого металла. Однако в связи с тем, что искусственно созданная плазма всегда является материей крайне  капризной и неустойчивой, разработчикам отдела пришлось решить прорву разнообразнейших технических задач, частенько идя впереди планеты всей.  На базе этих решений ряд заводов в ряде городов СССР стал выпускать серийные плазменные установки  тысячами штук в год и, таким образом, промышленность едва успевала насытить потребности разнообразнейших заводов в самых разных углах страны. Внедрение технологических плазменных установок осложнялось  тем, что чуть ли не каждая вторая требовала привязки к специфическим нуждам обработки и местным  особенностям каждого завода. Эти работы по адаптации отдел также брал на себя и выполнял особенно тщательно и добросовестно.

Петр Новыш

Санкт-Петербург

Пишет подписчик с ником altruist