#第九届立创电赛#无线开关功率计 - 立创电子设计大赛

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赛事

第九届立创电子设计开源大赛

版本协议

GPL 3.0

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描述

<h3 style="line-height:1">2024/12/3更新BOM：添加一部分购买链接，重命名一些封装，更新mini开关外壳</h3> <h3 style="line-height:1">2025/1/7:修复屏幕限流电阻和中间支架干涉的问题</h3> <h3 style="line-height:1">2025/1/19:添加内阻测试数据和推荐安全电流</h3> <h3 style="line-height:1">2025/2/15:推出升级版本:<a href="https://oshwhub.com/qingmeijiupiao/wu-xian-kai-guan-gong-lv-ji-v6" target="_blank">无线开关功率计Pro</a></h3> <h3 style="line-height:1">2025/2/20:同步Pro版本功能</h3> <h3 style="line-height:1">2025/2/23:同步Pro版本详情页</h3> <h3 style="line-height:1.8">0.背景故事</h3> <img style="float:right" src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/b09fdab13dd24f52b3b84c8ee820c75c.png" width="300" height="300"> 在日常调试机器人时，我们常常面临机器人失控的风险，这不仅可能导致设备损坏，还可能危及人员安全。传统的急停开关在应对失控机器人时效果有限，而现有的远程开关则存在 <ul> <li>功率小</li> <li>体积大</li> <li>无法检测功率</li> <li>无法二次开发</li> </ul> 等问题。为了解决这些痛点，我们启动了该项目。经过十余次打样、近一年的优化，并在ROBOCON2024赛场上进行了实际检验。 <h3 style="line-height:1.8"> 该工程已推出升级版本<a href="https://oshwhub.com/qingmeijiupiao/wu-xian-kai-guan-gong-lv-ji-v6" target="_blank">无线开关功率计Pro</a></h3> <h3 style="line-height:1.8">1、项目功能介绍</h3> <hr> ESP32C3功率计：INA226传感器，默认可测量26V-40A，XT60接口，240A PMOS控制输出，铝合金面板，10平方毫米铜条导流，工程配备两种开关。 开发之初是为ROBOCON机器人设计，可以用于任意XT60接口的电源电池使用(不超过额定电压)。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/87b1aac506974b888d9b62212a6ce3e0.png" alt="功率计渲染图" width="499" height="312"><img src="//image.lceda.cn/oshwhub/c3bacdae974d43b09191385452c704e0.png" alt="" width="499" height="312"> 无线急停开关：为功率计配套使用，可查看回传数据和实现无线急停的功能，带锂电池充放电电路可独立使用，带UART CAN输出接口。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/fc842dd12aaf47079832222baec2776a.png" alt="无线急停开关渲染图" width="501" height="282"><img src="//image.lceda.cn/oshwhub/f9a2b750af344ea591e3e6c504cc086e.png" alt="" width="495" height="279"> mini开关：简单的小开关，使用58mm徽章作为顶面，让你的谷具有实用性，带锂电池充放电电路可独立使用，短按关断，长按恢复。插电脑还可以显示曲线， 默认DEEP SHEEP能够实现好几个月的超长待机。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/96c767d0be8b407498a7cb107ba45176.png" alt="mini开关渲染图" width="492" height="308"><img src="//image.lceda.cn/oshwhub/d4fa4db8e9654316b39628696b748347.png" alt="" width="484" height="302"> 1.2.2串口控制台 使用任意串口软件连接功率计即可使用串口控制台 注：开启为1 关闭为0 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/e9f4ad0e3a2c47e9a3f873bace44d3de.png" width="402" height="344"> 也可打印数据到<a href="https://www.vofa.plus/" target="_blank">VOFA</a>更好查看和保存波形(功率计本体及MINI开关均可使用该功能) <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/be5f8018d1ee4f99bce02f8ab79343dc.png" width="398" height="412"> <hr> 1.2.3WEB控制及其API WEB有两种模式 <ul> <li>STA:功率计连接wifi的模式</li> <li>AP:功率计产生wifi热点的模式</li> </ul> 可通过串口控制台 <ul> <li>切换模式</li> <li>设置wifi名称和密码</li> <li>查看IP</li> </ul> 使用AP模式时，连接手机连接WIFI会自动弹出控制界面 注：固件默认不启动该功能，需要通过串口控制台<code>wifi</code>命令启用，启用后重启保持状态 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/34227986d34b4847a64c18de3565fa37.jpg" width="654" height="801"> 后端API： 后端API可以 <ul> <li>查看各种数据</li> <li>控制输出状态</li> </ul> 可以使用电脑或者服务器编写脚本实现更多的功能 <hr> <div><a style="color:#ba372a" href="https://github.com/CQUPTHXC/wireless-switching-power-meter?tab=readme-ov-file#%E5%90%8E%E7%AB%AFapi-%E6%96%87%E6%A1%A3" target="_blank">后端API文档链接(github)</a></div> <h3 style="line-height:1.8">2、项目属性</h3> <hr> 项目为首次线上公开，从未发布到其他地方过。 <h3 style="line-height:1.8">3、开源协议</h3> <hr> 项目所有部分均为GPL3.0协议 <h3 style="line-height:1.8">4、硬件部分</h3> <hr> 4.1结构设计 功率计：上下面板采用CNC加工，特征简单加工仅需6.8*2，中间可使用打印件代替打印成功率高。上下PCB使用排线连接方便拆卸。 底部采用2mm厚度的铜条加强过流能力，即使不加铜条也能获得大于10A的过流能力。 ↓↓↓↓↓↓↓↓爆炸图↓↓↓↓↓↓↓ <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/201d239b2d0d482fa2770908925bc427.png" alt="" width="600" height="960"><img src="//image.lceda.cn/oshwhub/095a4660897f4362903f1292bba3d1e6.png" alt="" width="600" height="960"> 急停开关：使用1.3寸I2C屏幕，搭配金属急停开关，后置对称天线位置，强迫症可以接两个天线来对称 ↓↓↓↓↓↓↓↓爆炸图↓↓↓↓↓↓↓↓ <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/2c34c5e270054f77bb04a5efa0fb9a53.png" alt="" width="600" height="2560"> mini开关：顶部使用58mm徽章盖板，让你的谷子变得实用！ 其他部分均为打印件 ↓↓↓↓↓↓↓↓爆炸图↓↓↓↓↓↓↓↓ <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/ea5521442e634337b9d69a40c186c879.jpg" alt="" width="600" height="2256"> 4.2电路设计 功率计： <ul> <li style="line-height:1.8">主控ESP32-C3-WROOM-02或者02U模组，带PCB天线版本会突出来一点，外借天线版本使用5cm航模天线可藏在内部</li> <li style="line-height:1.8">1.14寸焊接TFT彩屏</li> <li style="line-height:1.8">供电：TPS5430+AMS1117，5V 3.3V输出均有TVS保护</li> <li style="line-height:1.8">TPS5430耐压35V，普通陶瓷电容一般耐压为25V，MOS耐压30V，6S电池满电压为25.2V。所以该工程默认使用26V的TVS，修改为SMBJ30A可获得32V左右的最大输入电压，但是会降低电路整体的稳定性</li> <li style="line-height:1.8">输入输出控制：使用两颗DTQ6311/AON6403，DTQ6311标称30V120A，MOS G极使用18V的稳压二极管限制G极电压。IO控制A03400拉低MOSG控制输出</li> <li style="line-height:1.8">输入输出各有一颗LED和TVS</li> <li style="line-height:1.8">烧录使用TYPEC直连主控，BOOT按键复用为左翻页键，重置按键位置靠内部防止误触</li> <li style="line-height:1.8">板载蜂鸣器可用于过流，低压保护提示</li> <li style="line-height:1.8">电压电流采样：使用INA226+3920合金电阻，该项目不追求高精度，使用INA226已经足够，电流最大为 80A/mR ，mR为采样电阻的电阻大小，例如当采样电阻为2mΩ时最大采样电流为40A。</li> <li style="line-height:1.8">超过限流不影响输出</li> <li style="line-height:1.8">实测回路内阻为6.3mΩ(数据仅对作者手中原型负责)，推荐长时间使用电流在30A以下。</li> <li style="line-height:1.8">顶部12*12*6倒装按键，短按关断输出，长按恢复，手感还行，使用12*12*5mm的按键可以防止误触</li> <li style="line-height:1.8"><img src="//image.lceda.cn/oshwhub/3adaccc87cad4e78b3d805f994c21626.png"></li> </ul> 急停开关： <ul> <li>主控ESP32-C3-WROOM-02U模组</li> <li>TP5400实现锂电池充放电</li> <li>开关控制5v电源，关闭时TP5400仍有较小功耗</li> <li>电阻分压测电量</li> <li>PMOS实现电源路径管理，VBUS为高时关断电池的5V输出</li> <li>AMS1117降压，3.3V带TVS保护</li> <li>带CAN接口和CAN电阻开关</li> <li>屏幕和急停用排针连接方便拆装，想稳定可以直接焊线</li> <li>带蜂鸣器可做保护提醒</li> <li>电池使用103030电池，1000mah容量</li> </ul> <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/f7f8f0d262de40ad8b9bd67a1627a059.png" width="1204" height="850"> mini开关： <ul> <li>主控ESP32C3模组</li> <li>微动控制，短按关断输出，长按恢复</li> <li>TP5400实现锂电池充放电</li> <li>PMOS实现电源路径管理，VBUS为高时关断电池的5V输出</li> <li>电池可采用R40350V-435mAH或者302030-150mAH，整体实测休眠电流在35uA以下，150mA电池待机长达半年！</li> </ul> <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/f43ec09d56634155ae15564cea94dad1.png" width="1207" height="772"> <h3 style="line-height:1.8">5、软件部分</h3> 5.1开发框架 <h2 style="line-height:1.8"><a title="代码仓库" href="https://github.com/CQUPTHXC/wireless-switching-power-meter" target="_blank">点击打开github代码仓库</a></h2> <div>源码相关介绍在代码仓库的README文件中</div> <div>包含使用github生成固件，无需搭建开发环境的教程</div> <div>本项目采用PlatformIO IDE + Arduino 框架开发，大部分代码使用C++风格，代码简单易懂易修改</div> <div><hr></div> <div>↓↓↓文件树和架构↓↓↓</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/a341aea9975e410ca66d72007f284f02.jpg" width="999" height="660"></div> <div>↓↓↓类图↓↓↓</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/9f70c3b0f1a64970914af9342545b79a.jpg" width="1000" height="638"></div> <div>下面是部分代码 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/6e0a96940e404b2f80458e6aad9260f1.png" width="243" height="294"><img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/7095d1614fc6487cbcaf7be03a9225b0.png" width="328" height="294"></div> <h3 style="line-height:1.8">6、已知问题</h3> 2025/1/7 问题 功率计本体的14P FPC底座焊接难度大,复刻时注意多备几个 功率计在使用板载天线的C3模组时会凸出来一截，但此时能保证200m+的稳定控制 在使用短航模天线时信号不好，只能保证稳定30m距离 目前代码开发尚未完全完成,下面是待实现功能 功率计： 主动配对 急停开关： 按键主动配对 LED状态提示 屏幕UI优化 MINI开关： 下面功能待开发 低电量提醒 <h3 style="line-height:1.8">7、BOM清单</h3> 见附件 <h3 style="line-height:1.8">8、复刻指南</h3> 1.前期准备 <ul> <li>下单PCB(工程中拼好的PCB)</li> <li>元器件(BOM在附件中)</li> <li>CNC外壳和打印件</li> <li>铜条加工(可选)</li> </ul> <hr> 2.掰开PCB后砂纸打磨连接处 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/00a32f6445f545258ff57086df5ac578.png" width="187" height="153"><img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/c562f72544704cfca77938a99ed599ea.png" width="157" height="149"><img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/b5447d0823ce45d1a93a311ca8f27d16.png" width="153" height="147"> <hr> 3.焊接元器件 无铜条可在开窗位置堆锡 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/e3bad165ef97417a88cb7ba774116776.png" width="482" height="505"> <hr> 4.[可选]在mos涂抹适量硅脂,用胶带隔离遮盖铜条[焊盘] <ul> <li>硅脂为了将MOS的热量传导至铝底板增强散热</li> <li>胶带遮盖为了安全，推荐pi胶带</li> </ul> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/57aef46328be487f9efcabc80b6c3ad2.png" width="469" height="440"> <hr> 5.用排线链接上下底板 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/d0b3dfec67544a1887fc5f35240866ea.png" width="444" height="287"> <hr> 6.安装外壳 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/bda670adfaa04e9ab907925e51bf0a68.png" width="420" height="388"> <hr> 7.将功率计用typec线连接电脑，烧录固件 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/ad9749acac514c9794b76ffdc8192b23.png" width="390" height="275"> <h2 style="line-height:1.8"><a title="代码仓库" href="https://github.com/CQUPTHXC/wireless-switching-power-meter" target="_blank">烧录教程和固件在代码仓库</a></h2> <h3 style="line-height:1.8">9、功能演示</h3>