Battery shield V1.3.0 - Wemos D1 Mini

Il Battery shield V1.3.0 per Wemos D1 mini ha una doppia funzione. Permette sia di alimentare la Wemos D1 Mini con una batteria ai polimeri di litio da 3,7V che ricaricare la batteria quando questa è scarica.
NOTA: Quello riportato in questo articolo è la versione V1.3.0, che sostituisce il precedente modello con alcune migliorie. Per il modello precedente vedere articolo Battery shield – Wemos D1 Mini
Per altri shield specifici per Wemos D1 mini vedere l’articolo Wemos D1 mini – Raccolta Shield disponibili.

Indice

Descrizione del modulo

Il Wemos Battery Shield V1.3.0 permette di alimentare la Wemos D1 Mini con una batteria ai polimeri di litio da 3,7V.
Il circuito è basato sull’integrato TP5410 che contiene un circuito per la ricarica della batteria e un convertitore DC-DC step-up da 1A che si occupa di generare i 5Vcc per alimentare la Wemos D1 Mini ed eventuali shield.

Foto del PCB fronte e retro delle due versioni a confronto

Lo shield, come gli altri della serie è stato concepito per essere installato direttamente sopra il modulo Wemos D1 mini, per cui il suo PCB ha le stesse dimensioni.
Per informazioni sul modulo Wemos D1 mini vedere articolo Modulo WeMos – LOLIN D1 mini

Caratteristiche

Connettore batteria: PH2-2.0mm
Fusibile ripristinabile: 1A
Tensione di carica: max: 10 V, raccomandare: 5 V.
Corrente di carica: max: 1A
Voltaggio della batteria al litio: 3,3-4,2 V.

Posizione connettori, led e Jumper

1 – Connettore collegamento alla batteria al litio (3.3-4.2V)
2 – Micro USB porta di ricarica (5 V)
3 – LED verde si illumina quando la carica è completa
4 – LED rosso si illumina quando la ricarica è in corso
5 – J1 Imposta la corrente di carica massima – 0,5 A (default) o 1 A
6 – J2 Permette di leggere il valore della tensione della batteria tramite la porta A0. Risulta già collegato alla porta.
7 – Piazzole per saldare i terminali della batteria

Miglioramenti apportati

Rispetto la versione 1.0, questa è leggermente diversa ma basata sempre sul TP5410, di seguito le modifiche apportate:

Il connettore per batteria è ora tipo PH2-2.0mm
Sono presenti due piazzole a cui poter saldare direttamente la batteria al circuito;
E’ stato inserito un fusibile da 1 A di tipo ripristinabile per proteggere la presa USB;
E’ stato inserito un circuito di protezione da inversione di polarità formato dal doppio transistor BCM8578C e il FET CJ2301 (vedere il link);
E’ presente un Jumper (J2) che permette di tenere sotto controllo il terminale di alimentazione della batteria tramite la porta A0 in modo da monitorare il valore della tensione;

Per altre informazioni e aggiornamenti vedere la pagina originale.

Come si utilizza il modulo

Quando la batteria è scarica è sufficiente collegare lo shield a una fonte di alimentazione utilizzando un cavo mini USB. Due LED indicano quando la batteria è in carica e quando la carica è stata completata.

Schema elettrico del modulo

Il circuito elettrico è basato, a differenza del modello precedente sull’integrato TP5400 (datasheet) che contiene all’interno un circuito per la ricarica della batteria e un convertitore DC-DC step-up da 1A che si occupa di generare i 5Vcc per alimentare la Wemos D1 Mini ed eventuali shield.
Non è previsto un circuito per protegge dalla scarica profonda della batteria, ma rispetto al modello precedente arresterà l’alimentazione se la tensione della batteria dovesse scendere sotto il valore di 3V, mentre per il precedente modello era di 2,7V.
E’ presente un circuito basato suo mosfet Q1 CJ2301 (datasheet) pilotato dal chip U2 BCM8578V (datasheet) contenente una doppia coppia di transistor PNP, permette di alimentare il modulo Wemos D1 bypassando il circuito TP5400 se la batteria non è connessa.

Sotto è riportato lo schema a blocchi dell’integrato TP5400

Sotto è riportato lo schema tipico di utilizzo del chip TP 5400, come potrete notare è molto simile a quello utilizzato nel modulo.

Schema di principio riportato sul Datasheet

Dove trovare il modulo

Il modulo Wemos Battery Shield potrà essere acquistato presso il sito Homotix codice WEBATSW.
Il suo costo al momento della redazione di questo articolo è di circa 4,95 €.

All’interno del blister troverete 2 Pin strip 1×8 . Queste dovranno essere saldate a vostra cura.

Per la saldatura, si utilizzerà un piccolo saldatore a punta fine, della potenza di circa 25 – 30 W.
Servirà poi dello stagno per saldatura ricavato, per esempio da un rocchetto di stagno per saldatura con filo diametro 1 mm “lead-free” ovvero senza piombo. Lega composta dal 97% di stagno e 3% di rame.
Vedere anche gli articoli:

Leggiamo il valore della tensione della batteria

Come funzione il pin A0

L’attuale versione del modulo Battery Shield permette la lettura della tensione della batteria, vediamo come.
L’ESP8266, utilizzato dal Modulo Wemos D1 mini, possiede al suo interno un Convertitore Analogico Digitale (ADC) a 10 bit. Può convertire la tensione analogica da 0 a 1V in 1024 valori digitali compresi tra 0 e 1023.
Per espandere il range di tensioni applicabili sull’ingresso, sul PCB del Wemos D1 Mini, è già presente un partitore di tensione. Permette di misurare tensioni fino a 3.3V, ma questo non è sufficiente per misurare tensioni maggiori come quelle di un battery Pack USB (5V), oppure come quelle di una batteria LiPo (3.7V). Qui sotto è riportato l’estratto, dello schema elettrico presente sul sito ufficiale, relativo al pin out dell’unico ingresso analogico, pin A0, della scheda Wemos nella versione 4.00.

Vediamo che il partitore interno è composto da due resistenze: R12 = 220 KΩ e R13 = 100 KΩ ,
questo permette che sul pin A0 se vi è una tensione di 3.3V, all’ingresso dell’ADC ci sarà al massimo 1V.

Come misurare una tensione superiore a 3.3V?

Per cui se occorre misurare tensioni superiori bisogna modificare il partitore presente aggiungendo, esteriormente, in serie a R12 un’ulteriore resistenza esterna Rest
La tensione sull’ADC interno all’ESP8266 sarà uguale alla Vout calcolata qui sotto:

Nel nostro caso sul modulo Battery Shield è già presente una resistenza R6 del valore di 130 kΩ. Il Jumper J2 deve essere interrotto se si vuole utilizzare il pin per altri scopi.

Applichiamo ora la formula vista sopra

Con i valori delle resistenze presenti e il valore massimo della tensione I-Ion da 3,7V pari a 4,2, avremo che la tensione Vout presente all’ingresso dell’ADC sarà di circa 0,93 Volt.
Siamo quindi sicuri di non causare problemi al microcontrollore perché lavoriamo nell’intervallo delle tensioni consentite, 0V<Vout<0,93V<1V.
Il valore della tensione della batteria Vin che ci interessa misurare Vin è calcolata in questo modo:

Quando la tensione sarà di 0,93V l’ADC attribuirà il valore di campionamento pari a 1023, quando la tensione sarà 0 il valore di campionamento sarà 0.
NOTA: il valore di 0,222 è teorico, questo può variare a seconda della tolleranze dei tre valori delle resistenze presenti nel partitore. Si consiglia di misurare prima il valore della tensione della batteria mediante un multimetro digitale e modificare il valore di conversione sino ad ottenere il valore corretto.

Esempio di codice per lettura della tensione della batteria

Sotto un esempio di codice, nel mio caso il valore di conversione corretto era pari a 0.23.

unsigned int rawvalue = 0;
float volt = 0.0;
float conversione = 0.23;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(A0, INPUT);
}

void loop() {
  rawvalue = analogRead(A0);
  Serial.print("Valore raw: ");
  Serial.println(rawvalue);
  volt = rawvalue / 1023.0;
  volt = volt / conversione;
  Serial.print("Tensione: ");
  Serial.print(volt);
  Serial.println(" V");
  delay(1000);
}

unsigned int rawvalue = 0;

float volt = 0.0;

float conversione = 0.23;

void setup() {

Serial.begin(115200);

pinMode(A0, INPUT);

}

void loop() {

rawvalue = analogRead(A0);

Serial.print("Valore raw: ");

Serial.println(rawvalue);

volt = rawvalue / 1023.0;

volt = volt / conversione;

Serial.print("Tensione: ");

Serial.print(volt);

Serial.println(" V");

delay(1000);

}

Wemos D1 mini – Raccolta Shield disponibili

Per la scheda Wemos D1 mini, prodotta dalla WEMOS/LOLIN sono disponibili vari shield che appartengono a varie categorie: Display & Interactive Shield, Environment, Power, Control, Others.
Per l’elenco vedere articolo Wemos D1 mini – Raccolta Shield disponibili

Altri modelli di caricabatteria

Piccolo modulo con chip TP4056 per la carica di batterie agli ioni di litio Li-Ion 3,7V a singola cella.
Il metodo di carica è lineare: corrente e tensione costante. La corrente di carica massima è di 1 A. L’alimentazione è di 5 V tramite micro USB.

Piccolo carica batteria, riporta la sigla LX-LCBST, con Step-Up Boost regolabile. Il modulo è adatto per batterie agli ioni di litio Li-Ion 3,7V a singola cella ed è dotato di chip di protezione.
Sul modulo è presente un chip Step up con uscita regolabile tramite trimmer per erogare una tensione continua compresa tra 4 e 28V.