Kontroler obciążenia portu USB

Prezentowane urządzenie może służyć w roli "przedłużacza" portu USB z 3 gniazdami. Wyposażono je w wyświetlacz LCD, na którym są prezentowane parametry napięcia i prądu. Gniazda USB są połączone równolegle i można ich użyć do zasilania różnych odbiorników, ale tylko jeden z nich może komunikować się z komputerem.

Rysunek 1. Schemat ideowy kontrolera obciążenia portu USB

Na rysunku 1 pokazano schemat ideowy urządzenia. Jego sercem jest mikrokontroler PIC12F675 (IC1). Dokonuje pomiaru napięcia i prądu oraz steruje wyświetlaczem LCD. Z uwagi na ograniczoną liczbę wyprowadzeń mikrokontrolera do sterowania wyświetlaczem zastosowano dodatkowy rejestr szeregowo równoległy 4094 (IC2). Za pomocą wyprowadzeń 2 i 3 mikrokontrolera dane szeregowo podawane są na wejścia DATA i CLK rejestru, a ten steruje liniami danych D4...D7 oraz sygnałami RS i R/W.

Wejście ENABLE wyświetlacza jest bezpośrednio dołączone do mikrokontrolera, który steruje nim w rytm przesyłanych danych. Wyświetlacz LCD ma rozdzielczość 8 znaków×2 linie. W górnym wierszu jest wyświetlane napięcie portu USB, a w dolnym natężenie prądu, który jest pobierany z portu komputera. Wyświetlacz pracuje w trybie interfejsu 4-bitowego, więc każdy znak do wyświetlenia czy rozkazy są przesyłane w dwóch porcjach po 4 bity.

Mikrokontroler jest zasilany napięciem Uref uzyskiwanym za pomocą układu TL431 (IC3). Jest to układ precyzyjnego stabilizatora, którego przeznaczeniem jest zastosowanie do budowania źródeł napięcia referencyjnego. Jego napięcie wyjściowe może być regulowane w szerokim zakresie. W związku z tym, że napięciem odniesienia dla przetwornika A/C wbudowanego w mikrokontroler IC1 jest jego napięcie zasilające, to IC3 stabilizuje ustala je na wartość 4,096 V.

Dodatkowo, to napięcie może być precyzyjnie ustawione za pomocą potencjometru wieloobrotowego, montażowego R5. Dzięki temu najmniej znaczącemu bitowi 10-bitowego przetwornika A/C odpowiadają 4 mV. Napięcie mierzone jest doprowadzone do linii GP0 mikrokontrolera (wyprowadzenie 7). Ta linia pracuje jako wejście 0 przetwornika A/C. Jest do niej doprowadzone napięcie +5 V z portu USB komputera za pomocą dzielnika rezystancyjnego R8/R6.

Gniazda złącz USB są doprowadzone "na wprost" do portu USB komputera oprócz masy, która jest przyłączona przez bocznik prądowy R2 o rezystancji 0,1 Ω. Spadek napięcia na tym boczniku - będący wynikiem poboru prądu przez odbiorniki - jest wzmacniany 40-krotnie przez wzmacniacz pomiarowy IC4. Wyjście wzmacniacza pomiarowego jest doprowadzone do portu GP1 mikrokontrolera pracującego jako wejście 1 przetwornika A/C.

Wzmacniacz pomiarowy wymaga symetrycznego napięcia zasilania. Ponadto, napięcie +Ucc powinno być o 2 V wyższe od maksymalnego napięcia wyjściowego wzmacniacza. Dlatego też zastosowano układ IC5 typu MAX232, który służy tylko do wytworzenia symetrycznego napięcia zasilania ±8,5 V.

Montaż i uruchomienie

Rysunek 2. Schemat montażowy kontrolera obciążenia portu USB

Układ zmontowany jest na dwustronnym obwodzie drukowanym. Schemat montażowy pokazano na rysunku 2. Płytka jest przystosowana do zamontowania w obudowie Z-75. Z uwagi na wysokość obudowy (24 mm pomniejszone o grubość ścianek) pozostaje niewiele miejsca. Dlatego najlepiej użyć cienkiego laminatu np. o grubości 1 mm, a potencjometry wieloobrotowe R5 i R6 powinny być miniaturowe.

Montaż najlepiej zacząć od mikrokontrolera. PIC jest w wersji SMD i nie każdy ma odpowiednią podstawkę, aby zaprogramować go przed wlutowaniem. Dlatego można zacząć od niego, po czym przylutować przewody do programatora i wgrać program przed montażem pozostałych elementów.

Następnie należy przylutować pozostałe elementy SMD. W dalszej kolejności należy przylutować złącze do wyświetlacza LCD. Są to zwykłe goldpiny z tym, że w celu zmniejszenia wysokości układu są one montowane bez trzymającego je plastiku.

Dlatego najlepiej wetknąć je do gniazda, następnie do płytki i przylutować od spodu, potem wyjąć gniazdo. Jeśli płytka jest zrobiona samodzielnie to należy przylutować złącze również od górnej strony, tak jak wszystkie te miejsca, w których są przelotki z dolnej na górną warstwę laminatu. Następnie montujemy pozostałe elementy przewlekane. Kondensatory elektrolityczne należy położyć, aby zmieściły się pod wyświetlaczem.

Bocznik prądowy R2 łatwo zdobyć wymontowując go ze starego, uszkodzonego multimetru. Zazwyczaj są w nich stosowane boczniki 0,1 Ω w formie kilku zwojów drutu. Można w ostateczności użyć rezystora 0,1 Ω, ale należy liczyć się z tym, że pomiar prądu nie będzie zbyt dokładny. Na końcu montujemy gniazdka USB i przewód łączący układ z komputerem. Ja wykorzystałem gotowy kabel USB.

To rozwiązanie, chociaż estetyczne, nie jest dobre. Kable USB mają dość cienki przekrój i występuje na nich stosunkowo duży spadek napięcia. Lepiej zastosować rozbieraną wtyczką USB i kabel masy oraz zasilania +5 V zdublować dodatkowym przewodem lub wykorzystać tylko 2 przewody, jeśli ktoś rezygnuje z transmisji i potraktuje USB jedynie jako źródło zasilania.

Jako ostatni montujemy wyświetlacz LCD. Wcześniej należy do niego przylutować gniazdo goldpin i wcisnąć w płytkę. Najlepiej zastosować wyświetlacz o jak najmniejszym poborze prądu, ponieważ wynik pomiaru prądu pobieranego przez urządzenie nie jest sumowany z prądami odbiorników i dlatego powinien być pomijalnie mały.

Najlepiej zastosować matrycę bez podświetlania, chociaż osobiście użyłem wyświetlacza z podświetlaniem niebieskim, który pobiera niewielki prąd - całe urządzenie, łącznie z moim wyświetlaczem, pobiera prąd rzędu 30 mA. Można też zasilić urządzenie z zewnętrznego zasilacza +5 V.

Po włączeniu zasilania należy potencjometrem R5 uzyskać na kondensatorze C6 napięcie 4,096 V. Należy również sprawdzić czy na wzmacniaczu operacyjnym IC4 jest zasilanie ±8,5 V. Po osiągnięciu tych parametrów można wlutować zworę łączącą dodatnie doprowadzenie kondensatora C6 z nóżką 1 mikrokontrolera IC1 i przyłączyć urządzenie do portu USB komputera.

Na wyświetlaczu pojawią się wartości napięcia i prądu. Następnie, do gniazda USB urządzenia należy dołączyć obciążenie przez miliamperomierz. Może to być rezystor lub żarówka pozycyjna z samochodu (5 W/12 V). Po dołączeniu obciążenia wartość wskazywanego prądu powinna zmienić się z 0 do zbliżonej do wskazań miliamperomierza.

Dla żarówki świateł pozycyjnych to około 250 mA. Następnie należy skorygować tę wartość potencjometrem R5, aby była zgodna ze wskazaniem naszego multimetru wzorcowego. Teraz należy odłączyć wzorcowy miliamperomierz, a następnie dołączyć obciążenie i woltomierz. Potencjometrem R6 ustawić wskazanie napięcia zgodne ze wzorcowym woltomierzem. Pozostało jedynie włożyć układ do obudowy Z-75, co odpowiedniego wykonania otworów dla wyświetlacz i gniazd USB.

Grzegorz Mazur
grmazur@poczta.onet.pl