ワイヤレス充電でのスーパーキャパシタによるバックアップ

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作成者：Taylor Roorda、最終更新日：2016年02月09日

目次

プロジェクトの概要

このプロジェクトの目的は、IDTのワイヤレス充電技術と、バッテリバックアップの代替としてのスーパーキャパシタの使用を実証することです。またデバイスは、XBeeワイヤレスモジュールを使って、他の同じ機器と通信し、それぞれが充電状態を送信することができます。受信されたデータは、マイクロコントローラで処理され、I2C経由でLCDディスプレイに書き込まれます。

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使用するリソース

ハードウェア

回路図

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図 1．回路図

図1にメインPCBの回路図を示します。ヘッダJP1はIDTレシーバからの+5V入力で、この電圧はLDOレギュレータMIC29300（U2）の入力に供給されます。ワイヤレス充電器からの+5Vが存在する間、MIC29300はボードの残りの部分に3.3Vを供給し、LTC3110充電器（U1）への入力として機能します。LTC3110のDIRピンの分圧器は、その立ち上がり閾値以上に設定され、充電モードになります。充電電流は抵抗器で2Aまでプログラム可能ですが、本アプリケーションでは500mAに設定しています。5Vが無くなるとDIRはLowになり、キャパシタは入力として使用されることになります。そして、3.3Vのシステム電圧は、LTC3110から供給されます。バックアップモード中はショットキーダイオード（D1）により逆流電流を防止します。

一方、PIC16F1708マイコン（U3）は、RA4でコンデンサの中点の電圧を読み取り、パーセンテージに変換しています。パーセンテージはI2CでLCDディスプレイに書き込まれ、UARTでXBeeモジュール（U4）に送信されます。このデバイスは100%ポイントが5.0Vになるようにキャリブレーションされており、レギュレータは0.25V付近でカットアウトします。そのため、ディスプレイが約10%の充電を示すと、デバイスは電力を失います。

レイアウト

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図 2．レイアウト図

図2にメインボードのレイアウトを示します。安定性と良好な熱性能を確保するために、昇降圧コンバータLTC3110のメーカー推奨レイアウトに特に注意してください。

このボードはOSH Parkが製作したもので、同社のデザインルールに則っています。両面基板で、サイズは90.7mm x 69.5mmです。下のZIPファイルには、このデザインを再現するために必要なガーバーファイルとドリルファイルが含まれています。
EWProjectGerbers.zip（59.0 KB）

ソフトウェア

XBeeのコンフィギュレーション

まず、XBeeモジュールの設定からです。設定はDigi InternationalのXCTUソフトウェアでプログラムすることができます。今回のプロジェクトでは、SparkfunのWRL-11812のようなUSBアダプタボードを使用して、デバイスをプログラムしました。アドレス以外の設定はすべて初期値のままにしています。以下の図3のようになります。

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図 3．XCTUの設定

なお、宛先アドレスと送信元アドレスは、もう一方のユニットで反転させる必要があります。今回の用途はあまり長距離伝送を必要としないので、最低の電力設定でもいいのですが、電力に余裕があるので最高にしておきました。これは必要に応じてスケーリングすることができます。

注：マイクロコントローラ（RC2）からXBeeモジュールのSLEEP_RQピンへのI/Oラインがあることにお気づきでしょうか。ピンのハイバネーションまたはスリープ機能を使用することができますが、デバイスが同期しなくなり、データパケットを逃す可能性があることに注意してください。このプロジェクトの最終的なビルドでは、スリープ機能は使用されていません。

組み込み

このプロジェクトではPIC16の複数のペリフェラルを使用するため、MicrochipのMPLAB X用Code Configurator拡張機能は、すべてを迅速に立ち上げて実行するのに非常に便利です。個々の設定やAPIの定義は、以下のフルプロジェクトで確認できますが、ここでは主な設定項目を紹介します。

  • クロックは、INTOSC 16MHZ_HFとして設定
  • I2Cは、7ビットスレーブアドレスで100kHz
  • USARTは、送信を有効にし、9600ボーで連続受信
  • ADCは、VDDを正のVrefとして使用し、クロックをFOSC/64に設定して、チャンネルAN3、AN7を使用
  • TMR0は、256のプリスケーラを使った10msの周期、1000msのコールバックレート、割り込み可能
  • TMR1は、FOSC/4から1ms周期、割り込み可能

重要：データシートに記載されているLCDのI2Cスレーブアドレス0x78は、そのままでは動作しません。R/Wビットを含むようにあらかじめシフトされているため、Microchip I2C APIに渡すと正しく変換されません。1ビット右にシフトする必要があります。従って、正しい7ビットアドレスは0x3Cです。

MPLABXのフルプロジェクトです： Embedded World Project.X.zip（872.3 KB)）

部品表

数量は、2枚のボードで1つのプロジェクトを完成させる場合のものです。

表 1．部品表
数量 指定記号 Digi-Key品番 メーカー品番 商品概要
2 U1 LTC3110EFE#PBF-ND LTC3110EFE#PBF IC REG BUCK BOOST ADJ
2A 24TSSOP
2 U2 576-1120-ND MIC29300-3.3WU IC REG LDO 3.3V
3A TO263-3
2 U3 PIC16F1708-I/P-ND PIC16F1708-I/P IC MCU 8BIT 4K FLASH
20DIP
2 U4 602-1273-ND XB24-API-001 MOD XBEE 802.15.4 1MW
W/PCB ANT
2 U5 NHD-C0220BIZ-FS
(RGB)-FBW-3VM-ND		 NHD-C0220BIZ-FS
(RGB)-FBW-3VM		 LCD DISPLAY RGB LED
BKLT 20 X 2
4 N/A SAM1230-10-ND MMS-110-01-L-SV CONN RCPT 10 POS
2MM PITCH TH -
Xbee headers
2 N/A AE9998-ND A20-LC-TT CONN IC DIP SOCKET
20POS TIN - PIC
2 L1 587-1997-1-ND NR8040T2R0N FIXED IND 2UH 6.3A
11.7 MOHM SMD
2 Q1 478-7808-1-ND SD1206T020S1R0 DIODE SCHOTTKY 20V
1A 1206
2 Csys 399-5506-1-ND C0805C476M9PACTU CAP CER 47UF 6.3V
X5R 0805
2 Cin 399-9155-1-ND C0805C104K9RACTU CAP CER 0.1UF 6.3V
X7R 0805
6 Ccap, C3, C4 399-1284-1-ND C0805C105K4RACTU CAP CER 1UF 16V
X7R 0805
2 Cout 399-8014-1-ND C0805C106M9PACTU CAP CER 10UF 6.3V
X5R 0805
2 Cvsys 445-8199-1-ND CGJ4J2X7R0J224K
125AA		 CAP CER 0.22UF 6.3V
X7R 0805
4 C1, C2 JUK0E276MHD-ND JUK0E276MHD CAP 27UF 2.5V 20%
2 Rprog 311-12.1KCRCT-ND RC0805FR-0712K1L RES SMD 12.1K OHM 1%
1/8W 0805
2 R2 311-536KCRCT-ND RC0805FR-07536KL RES SMD 536K OHM 1%
1/8W 0805
2 R1 311-1.91MCRCT-ND RC0805FR-071M91L RES SMD 1.91M OHM 1%
1/8W 0805
2 Rsvsys 311-51.1CRCT-ND RC0805FR-0751R1L RES SMD 51.1 OHM 1%
1/8W 0805
2 R3 311-976KCRCT-ND RC0805FR-07976KL RES SMD 976K OHM 1%
1/8W 0805
2 R4 311-221KCRCT-ND RC0805FR-07221KL RES SMD 221K OHM 1%
1/8W 0805
2 R5 311-7.50KCRCT-ND RC0805FR-077K5L RES SMD 7.5K OHM 1%
1/8W 0805
2 R6 311-2.49KCRCT-ND RC0805FR-072K49L RES SMD 2.49K OHM 1%
1/8W 0805
4 R7, R8 311-4.70KCRCT-ND RC0805FR-074K7L RES SMD 4.7K OHM 1%
1/8W 0805
2 R9 311-150CRCT-ND RC0805FR-07150RL RES SMD 150 OHM 1%
1/8W 0805
表 2．外付け部品
数量 名称 Digi-Key品番 メーカー品番 商品概要
1 外付け部品 800-2975-ND P9038-R-EVK EVAL KIT FOR P9038 -
トランスミッタ
2 外付け部品 800-2977-ND P9025AC-R-EVK EVAL KIT FOR P9025 -
レシーバ
2 エンクロージャ SRB53-TCBC-ND RB53-1TC1BC BOX PLSTC CLEAR
4.72"L X 3.15"W
4 スタンドオフ 36-8431-ND 8431 HEX STANDOFF 8-32
ALUMINUM 1"
4 ネジ 335-1101-ND R8-32X5/16 2701 MACHINE SCREW PAN
PHILLIPS 8-32
1 USBアダプタ 1568-1305-ND WRL-11812 SPARKFUN XBEE EXPLORER
USB




オリジナル・ソース（English）