DIY打造一款适合出差的便携式电源&电烙铁一体机

xiaowei0304

【友情提示：这是一个比较长的帖子，读完大约需要15分钟，走马观花大约需要1分钟，直接拖到底不到1秒……】


【引子】
2019年底换了个工作，要经常出差，苦于没有顺手的电源和烙铁，玩起来实在不方便，于是琢磨着做个便携式电源+T12烙铁一体机。

本着怎么简单怎么来的原则，准备使用各种模块攒一个。

2020年5月份开始构思，当月完成方案及PCB打样，2020年12月底着手组装，2021年元旦开始编码，2021年1月底完工。
中间半年多干啥去了？因为一直没新项目无需出长差，这不春节后又来项目了，又得出差了，所以赶紧做出来，哈哈哈哈……

【主要需求】
1、可调电源：最好是两路，电流不需要太大，单路1-2A就够了；电压也不需要太高，20V就差不多了，常用的最高也就12V。
2、USB快充：这个好办，在此之前已经完成了86型墙壁面板充电器（https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=235502），电路和程序直接搬过来就好了。
3、T12烙铁：轻便，编程也简单。
4、便携：体积尽量小，便于携带，有后备电池那是最好了。


最终完成以后是这个样子的：

1、正面
屏、电压调节多圈电位器旋钮、编码器旋钮、T12航空插座、接线柱、USB母座插孔、两个快捷开关。


上图是打开了T12，华为手机正在用USB1快充。
左上角是环境温度（室温），右上角是内部温度，中间是时间和日期。
中间圆圈是T12相关参数，包括当前温度、预置温度、输入电压。
圆圈四周是可调电源和USB快充的电压、电流、功率、电量、输出状态等。


2、后面
AC插座/保险/开关、风扇。


3、内部



4、大小、重量
长宽高=150*106*55mm，拿在手上沉甸甸的，像块板砖，放在体重秤上没显示，我站在体重称上拿它与否数值也没变化，估计有1斤重吧。



楼下继续……

xiaowei0304

【硬件篇】


1、模块选型（1）可调电源模块直接用DC-DC降压模块+多圈电位器，恒流功能就不要了，出差也很少用到恒流功能。搜了搜X宝，选了XL4015模块，就是下图这个小板：


输入电压:  4-38V输出电压：1.25-36V输出电流：0-5A输出功率：75W
缺点：

● 电位器长时间使用可能导致接触不良，输出电压接近输入电压，可能损坏负载（虽然增加了软件过压保护，但是500ms也足以烧毁负载）
● 电位器体积比较大，占用了不少本就不富裕的空间，且逼格不够
● 无恒流功能
● 无法输出0V，最低1.25V 由于电压无法低至0V，还查了一些资料，因为要编程，要用到PWM（AVR没有DAC），还要增加外围电路，后来也放弃了，并且太低的电压也很少用，经常用的也就是3.3V、5V、12V。
下面是网上查到的通过单片机DAC实现0~23V电压可调电路（原文链接：https://blog.csdn.net/u014453443/article/details/80828519）：


VG<=1.63V时，VOUT=1.23*(1+R2/R1)=23.78VVG>1.63V时，VOUT=1.23*(1+R2/R1)-(VG-1.63)*R2/R3VG=3.25V时，VOUT=23.78-35.64/R3=23.78-23.78=0V
（2）USB快充使用86型墙壁面板充电器的IP6505T，当时一起买了20片以及配套的电感。


端口USB1-V和USB1接到继电器，实现过压保护，同时也方便校准。电流采样电阻0.05欧，ATmega324 ADC差分放大10倍，内部参考电压2.56V。


（3）T12烙铁参考了@luo541072893 大神的白菜白光T12控制器（https://www.mydigit.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=197014）电路（感谢！），把MOS换成PMOS APM4953（最初是完全抄的大神的电路，后来发现PMOS貌似更容易控制，电路也简单，不需要自举电路），软件是自己写的。APM4953也不知道是啥时候买的，反正元件盒里正好有，电压也正好够。缺点：APM4953导通电阻太大（85mΩ，这也导致了后面的PMOS电池开关失败）。


（4）电源模块电源模块纠结了很久，直到全部完工以后才把18650锂电及升压部分去掉，只保留了AC-DC模块。
最初想法：24V AC-DC电源模块和18650+升压模块（18V）双路供电，并实现两路电源自动切换。
① AC-DC电源模块选用24V/3A拆机模块（与86面板的15V电源模块是同一家，一起买的），长这个样子：


看起来规规矩矩的，貌似问题不大，后面使用也没发现什么问题，发热也挺低的。
② DC-DC升压模块选用FP5139模块，板子上还有个SDB628升压辅助电源，输出电压6.8V左右，正好可以给78L05供电。


通过控制FP5139的4脚可以实现升压模块的启停：


③ 电源开关及切换控制电路



功能：
● 按键开机，同时使能AC-DC和DC-DC；
● 电源控制端后续有效，保持开机；
● AC-DC工作时禁止DC-DC；
● AC-DC无输出时使能DC-DC；
● 按键通过二极管触发按键动作。


④ 锂电保护及充电电路使用6片8205A NMOS并联提高放电电流。


TP4056充电，只用了一片，慢慢充；前面还有个24V-5V的DC-DC（之前买的小模块）专门给充电用。


⑤ 电池MOS开关电路这个比较失败，PMOS APM4953导通电阻太大，导致发热过大，直接把自己给烧化了:giggle: ，换成低导通电阻的PMOS应该是可行的。其实最初是想通过控制锂电保护用的8205A或DW01实现开关，但是个人能力有限，没搞定，有成功经验的坛友请帮忙支支招:handshake: 。


没画PCB，搭棚焊的。下图是融化后的样子，黑色的PCB，不是烧糊的。


⑥ 其他辅助电源有两个辅助电源：12V和5V，12V给继电器和散热风扇使用，5V给单片机、时钟等其他电路使用。最初为了省事儿用的是78M12和78L05，后来为了安全并降低功耗，去掉78M12替换为LM2596 DC-DC降压模块，电压设置在9V，实测继电器和风扇都能正常工作，78L05的压差也不至于太大。



（5）单片机及外围MCU：
使用自己顺手的AVR ATmega324，10位ADC也够用了，还有差分输入，省了外围放大电路。需要测量的参数：
● 可调电源：电压、电流（差分输入），两路共需6个ADC
● USB快充：同可调电源，两路共需6个ADC
● 输入电压：1个ADC
● T12测温：1个ADC
● 电池电压：1个ADC
● 环境温度：1个ADC
● 内部温度：1个ADC一共需要17个ADC输入，每片ATmega324有8路ADC，两片还差1个！最后，内部温度使用DS18B20解决：）当然啦，环境温度也可以使用DS18B20，只不过画PCB的时候没考虑到测内部温度（汗…），只能用这样半吊子方案了：）
●时钟芯片：仍然是DS3231。
● 按键：旋转编码器+两个轻触开关。
● LCD：1.8英寸、分辨率128*160的彩色LCD，驱动貌似是ST7565S，SPI接口（采用I/O模拟SPI，速度比较慢，又一设计缺陷，惯性思维害人不浅），是其他产品上的一块独立小板。





（6）散热风扇一个I/O输出PWM实现直流无刷风扇调速，风扇尺寸40*40*10mm，额定电压电流12V/0.1A。


（7）输出继电器可调电源和USB都配置了输出继电器（不会用MOS，继续汗…），可调电源接到常开端，USB接到常闭端，也就是开机后USB默认有输出，而可调电源默认关闭输出。电路使用分立元件，刚开始还弄错了三极管型号，用了PNP管S8550，但继电器是12V（为了降低驱动电流），导致继电器不可控，一直是闭合状态。



（8）蜂鸣器有源蜂鸣器，主要是提醒作用，比如避免长时间开着T12（虽然有休眠功能），异常情况（过压、过流、过载、设置超时、T12进入休眠、错误、转为正常加热等）。电路超级简单，一个三极管驱动，其实也可以I/O直接驱动。

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xiaowei0304

【硬件篇】-续

2、外壳、面板及PCB


动手之前先用PPT画了个透视图，咱也没有啥画3D效果图的软件，有也不会用~~


实际上没有严格按照这个示意图来实现，也有不少错误。

（1）外壳根据各模块尺寸，最终选择了黑色铝型材分体外壳盒子，外部尺寸（长宽高）=150*106*55mm，大小比较合适，拆装也方便，外观也算好看。


比某人送给我的黑金刚稍微大一点、长一点、高度差不多。


（2）前面板手头没有任何数控工具，所以只能用PCB当面板，前后面板都是PCB，后来发现PCB做面板还挺好使的。装上主要器件，有点意思了。前脸比较拥挤，地方小东西多，还有不少可优化的地方（比如航空插座、比如多圈电位器旋钮）。


前面板背面还画了一些电路，现在已经不记得当时为啥要画这些了（好像是LM358跟随器防止电位器接触不良直接输出高压的），目前只用到了两个轻触按键。PCB大小超过10*10cm，打样花了30大洋。两个轻触按键是反着安装的，用了直插电容的腿加固了下，设计不是太好。



（3）后面板后面板很简单，AC电源插座/开关/保险和风扇。为了省25块钱，采用两块板拼起来，中间焊上，有点丑，不过在后面看不见，眼不见心不烦……



风扇的螺丝没有钻孔，而是焊接在PCB上。


（4）主板为了大个头的多圈电位器，PCB成了这种不规则的怪样子。在PCB上开了个洞把USB母座焊上，用直插的那种USB座也行，就是稍微高一点，与编码器、航空插座的高度不太匹配。为了降低高度，把电感改为卧式。ATmega324上方的红线是LCD的电源，最初打算息屏用的，去掉锂电以后就没啥用了。


LCD面


（5）从板从板和主板的MPU部分完全一样，LCD接口也保留了，可以单独使用。这张照片是没更换PMOS和继电器驱动三极管之前的，风扇驱动电路也不对（左上角位置），78M12也健在。


下面这个是现在的模样（貌似也不是最终版本，因为78M12还是健在）：


背面4个继电器，松乐的，便宜……


（6）模块承载板原计划上下各一块板子，分别用来承载AC-DC模块+两节18650，以及DC-DC升压模块、降压模块+一节18650，现在已经拆了。

● AC-DC承载板



● DC-DC承载板


下面那个是升压模块，上面两个是降压模块，右边那个是AC-DC开关继电器，中间竖着的是给锂电充电的5V降压模块。


背面是TP4056充电电路和锂电池保护电路。


3、组装

（1）前面板-主板-从板

采用夹心饼干的方式叠在一起，中间用铜柱支撑。下图是还没焊接元件前的摆放测试。



放进壳子里试试——正合适。


下面是组装好以后的样子




为便于拆装，USB母座没有焊接到前面板上（前面板设计有焊接点），接线柱用螺丝固定住主控板和前面板，旋转编码器和航空插座也起到固定作用，实测非常牢固，插拔USB插头不会晃动。

（2）上下承载板上线承载板用两根铜柱连接（像个汉堡包），然后嵌入壳体滑槽中。



然鹅已成为历史，现在只有一块板，成了披萨……


上图也是最终组装后的内部图。

（3）组装完成底面装了4个垫脚，钻了5个进风孔（3个在两个主控板之间，2个在电源板和主控板之间），表面的颜色是用黑色油笔涂的，因为打孔的时候让我弄花了，还好是在底面。


打磨了前后面板的棱角（做PCB的时候忘了画圆弧边界），螺丝沉头孔也打磨好了。



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xiaowei0304

【软件篇】


1、UI设计

构思了几个界面，最终采用了中间圆圈的方案。


● 可调电源：2路可调电源输出电压、电流、功率、输出状态
● USB：2路USB输出电压、电流、累计电量、输出状态
● T12：当前温度、预置温度、输入电压、状态（关闭、休眠、错误）
● 其他：环境温度、机内温度、日期/时间



2、主从MCU通信
USART串行通信，使用ATmega324的USART0。
● 工作模式：异步、无校验、1停止位、9位字符、波特率9600
● 通信格式：<命令字><数据1><数据2>
第8位=1表示指令，=0表示数据
● 指令列表



附上USART0接收中断：

1. <font size="3">SIGNAL(USART0_RX_vect)
   
2. {
   
3.   //判断是否为指令（必须首先读取第8位）
   
4.   if(UCSR0B&_BV(RXB80))                //指令
   
5.   {
   
6.     nCmdRsv=UDR0;
   
7.     nCmdFlag=1;
   
8.     nDataIdx=0;                //收到指令则复位数据指针，相当于清空数据
   
9.   }
   
10.   else                                                //数据
    
11.   {
    
12.     if(nDataIdx>1) nDataIdx=0;        //确保指针不越界
    
13.     nDataRsv[nDataIdx]=UDR0;
    
14.     nDataIdx++;
    
15.     if(nDataIdx==2) iDataRsv=(uint)nDataRsv[0]|(uint)(nDataRsv[1]<<8);
    
16.   }
    
17. }
    
18. </font>

复制代码

3、T12烙铁
● PID温控：仅使用PD方案，即微分方案；室温补偿功能
● 5组可设置的预置温度：温度范围[20-500]℃，短按编码器按键切换预置温度组，编码旋钮临时调整温度
● 休眠功能：休眠时间可设置，范围[0-255]秒，0秒表示不休眠
● 初始状态为关闭

（1）PID程序及其系数设置（网上搜到，已不记得出处了，抱歉……）

1. <font size="3">//---------------------------------------
   
2. //PID相关
   
3. int SetPoint;                                //设定目标 Desired Value
   
4. int Proportion=6;                        //比例系数 Proportional Const，
   
5. //int Integral=0;                        //积分系数 Integral Const（没有使用）
   
6. int Derivative=4;                        //微分系数 Derivative Const
   
7. int LastError=0;                                //上次偏差
   
8. //int SumError;                                //历史误差累计值
   
9. uint NextPoint;                        //当前采样值，采样温度
   
10. //---------------------------------------
    
11. 
    
12. int PIDCalc(void)
    
13. {
    
14.   int dError,Error;
    
15.   Error=SetPoint-(int)NextPoint;                //偏差，设定值减去当前采样值
    
16.   //SumError+=Error;                                        //积分，历史偏差累加
    
17.   dError=Error-LastError;                                //当前微分，偏差相减
    
18.   //PrevError=LastError;                                //保存
    
19.   LastError=Error;
    
20.   return (Proportion*Error/*+Integral*SumError*/-Derivative*dError);
    
21. }
    
22. </font>

复制代码

（2）关于加热速度
从室温到设定的温度330℃大概需要10秒，比其他老师们做的慢了两三秒，应该是测温和PWM顺序执行，而测温占用的时间比较长（20ms，占整个控制循环的1/6，也就是无法100%功率加热）导致的，或许应该改变一下算法，测温和PWM控制异步执行。
另外，温度不是太准，翻遍了论坛也没找到现成的T12热电偶分度表，只能按照K型热电偶分度表计算。不过实际使用来看，高或者低几度真的无所谓，白菜白光连显示都没有不也正常使用嘛，回想当年我都是靠近烙铁头闻一闻，权当是生物探测温度了：）

加热效果可以看这张动图，反正用起来还挺好使：）



（3）T12的4种状态
OFF、温度、SLEEP、ERROR
SLEEP状态下完全停止加热，而不是预热到某个温度，其实应该叫PAUSE，保持在某个温度也比较容易实现，就这样吧，不改了。
ERROR状态目前只判断了没有插入T12烙铁头或者损坏的情况。



4、两路可调电源
● 测量电压：精确到0.01V（实际为0.001V，因显示限制不显示毫伏位，做四舍五入处理）
● 测量电流：精确到0.001A
● 过载保护：超过设定的电流或功率，并至少持续500ms时断开输出并声音告警；软件保护，最大500ms延迟；最大电流和功率可设置
● 初始状态为关闭：输出继电器断开，不可设置
● 可手动开关：短按按键开启或关闭
● 显示功率

5、两路USB快充
● 测量电压：精确到0.01V（实际为0.001V，因显示限制不显示毫伏位，做四舍五入处理）
● 测量电流：精确到0.001A
● 过压保护：超过12V时断开输出并声音告警；软件保护，最大500ms延迟
● 累计电量mAh：范围[0-65536]mAh，关机后清零
● 初始状态为输出：输出继电器闭合，不可设置
● 可手动开关：长按按键开启或关闭

6、风扇控制部分
风扇控制部分比T12随意多了，在10ms定时器中判断温度差，然后在1ms定时器中确定占空比，也就是有10级控制。温度滞回0.1℃，避免频繁启动风扇。

7、设置
设置菜单如下：
主设置：T12开关、设置
--设置：校准、时间、T12设置、提醒间隔、屏保时间、风扇开启温度、最大电流、最大功率、退出
----校准：USB1、USB2、CH1、CH2、返回
------电流-0A、电流-1A、电压-5V、返回
----时间：设置日期&时间
----T12设置：预置温度1-5、休眠时间、返回


除了可调电源的校准值保存在从MCU外，其他设置都保存在主控MCU，开机时同步到从MCU。
在任何设置界面中长按按键返回上一步，设置界面直接返回到主界面，不会到主设置界面（两个圆圈的界面）。

xiaowei0304

【前传】-不成功的锂电供电


在肢解之前拍了些照片以作纪念……

1、底面


2、上面


3、全家福


4、界面
● 主界面，多了中间那个软开机/关机


● 电池供电，SLEEP下面的电压是升压后的电压值，左上角两个温度，右上角是电池电压及剩余电量（根据电压判断，不准确）；CH1和CH2的电流校准值都不对，所以显示数值错误。


● 外接电源，给电池充电中




【后记】
终于认认真真记录了本次制作全过程，虽然简单但也花费了不少心思和时间，金钱倒是没有多少，发帖留念……



总结一下：

1、优点
● 结构比较简单，需要调校的地方很少
● 集合了电源、快充和T12，功能算是比较完备，体积也比较小巧，适合出差使用

2、缺点
● 电源部分不是数控；只能调压，不能调流；无法输出0V；功率小了点；两路电源非独立，还不能共地（低端检测电流）
● 测量部分有点复杂，还涉及到主从MCU的通信，换成STM32应该能解决这个问题

3、优化
● 电源：数控，恒压恒流，在此基础上完善保护机制
● 两路独立电源，再加个AC-DC？
● 电流高端检测，比如INA219
● 把锂电再加上
● 集成一些附加功能，比如晶体管测试仪、简易频率计、简易信号发生器等

4、待完成的工作
● 外壳右侧挂个可拆卸的简易烙铁架
● 线缆还没制作

5、成本170元（不含T12及手柄、线材），PCB打样一共花了50元，占比比较大。



<收工>

sunnyquan

赶上直播了啊，，看着很棒。。

要不要出商品版，设计一块整板好了。

99520

你用的85mΩ的pmos，这阻值还大？
等坛里大佬来讲讲那部分电路

szb314

拖到底，看了，应该还不算便携:lol:

563572344

跟便携不沾边。不过手艺不错

纯真年代

建议再加一条，电源不要用AC电源，改用笔记本电源输入，大大缩小体积，出差也肯定带笔记本的

xiaowei0304

szb314 发表于 2021-2-24 13:10
拖到底，看了，应该还不算便携

比原来的T12白光烙铁稍微大一点，知足了，哈哈:lol:

xiaowei0304

99520 发表于 2021-2-24 12:55
你用的85mΩ的pmos，这阻值还大？
等坛里大佬来讲讲那部分电路

原电路的IRLR7843TRLPBF的Rds只有3mΩ，所以85mΩ应该是大不少了，具体多少算大我也不太了解:lol:

xiaowei0304

563572344 发表于 2021-2-24 13:33
跟便携不沾边。不过手艺不错

是啊，还是挺大个的，最初选择了这个壳子，只能一路做下去了

xiaowei0304

纯真年代 发表于 2021-2-24 13:34
建议再加一条，电源不要用AC电源，改用笔记本电源输入，大大缩小体积，出差也肯定带笔记本的 ...

开始也打算用外置电源的，加个PD诱骗就可以了，后来觉得还得给笔记本换来换去不太方便，就采用了内置电源。

xiaowei0304

sunnyquan 发表于 2021-2-24 12:51
赶上直播了啊，，看着很棒。。

要不要出商品版，设计一块整板好了。

因为对各种DC-DC降压模块也不熟，所以直接用了成熟模块。主控部分也是，搭积木的方式弄了两块板子，导致板子很多。再做一次的话就不用这种架构了。

sunnyquan

xiaowei0304 发表于 2021-2-24 15:12
因为对各种DC-DC降压模块也不熟，所以直接用了成熟模块。主控部分也是，搭积木的方式弄了两块板子，导致 ...

虽然板子多，能做这也是很历害的技术了！

魏先生87362

厉害。我觉得我自己模仿不来，不知道有无套件的可能~

什么支架

这个可以啊，弄得一手好物件

dig7890

好家伙！！！

ynzxwts

应该量产的，期待中