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[ESP8266/ESP32] Fire Beetle 实现蓝牙功率计

这次为了测试微软Surface平板电脑的功耗，我设计了一个功率计，主要硬件是 DFRobot 的 ESP32 FireBeetle（DFR0478）， DC-DC降压电源模块5.5~28V转3.3V3A（DFR0570），FireBeetle萤火虫OLED12864显示屏（DFR0507）以及INA226电压电流监控模块（CJMCU-226）。其中 FireBeetle 是主控，提供蓝牙连接功能；INA226是德州仪器出品的INA226高侧/低侧测量、双向电流/功率监视器芯片，测的总线电压范围：0V至 36V，能够报告电流、电压和功率，精度0.1%增益误差（最大值），10μV 偏移（最大值），10引脚 DGS 超薄小外形尺寸(VSSOP) 封装。美中不足的是这款芯片价格太高，因此我选择淘宝直接购买模块。

从硬件角度来说，基本设计如下：电源经过INA226后提供给设备，主控通过 I2C 和 INA226进行通讯；此外为了方便起见我们直接从电源上取电，经过降压模块之后共给INA226、主控和屏幕来使用。

INA226 的基本原理是：通过在被测试电源上串接一个电阻（通常是电阻很小的精密电阻），后再通过读取两端电压再经过 ADC 即可推算出当前电流，配合测量出来的电压即可得知当前输出端的功耗。

最终电路图设计如下，特别注意降压模块旁边有一个名为3.3VPOWER的条线，在使用USBMicro接口连接 FireBeetle 下载和调试时，板子会提供3.3V电压，这种情况下需要断开这个条线；而当独立工作时，需要将此位置短路。

PCB 设计如下：

上方是电源的输入和输出接口。

焊接之后工作的照片，这里使用MicrosoftSurface 平板电脑适配器（磁吸接口）进行测试，这个适配器内部有三根线：VCCGND 和一个Signal。从测试来看，Signal的作用是标志当前磁吸接口是否连接到电脑上，如果连接上Signal会拉低，适配器VCC会按照15V 输出。这次实验中，我将 Signal 接地让适配器始终按照15V输出。

代码如下：

#include "DFRobot_OLED12864.h"

#include "INA226.h"

#include "BluetoothSerial.h"

 

#define DISPLAYTIMEOUT 30000

 

INA226 INA(0x40);

// OLED 地址

const uint8_t OLED_I2C_addr = 0x3c;

const uint8_t OLED_pin_SPI_cs = D2;

 

// OLED 对象

DFRobot_OLED12864 OLED(OLED_I2C_addr, OLED_pin_SPI_cs);

 

// 声明蓝牙串口

BluetoothSerial SerialBT;

// 蓝牙连接标记

boolean Connected = false;

 

unsigned long DisplayTimeOut;

boolean displayOff = false;

 

// 蓝牙连接事件

void callback(esp_spp_cb_event_t event, esp_spp_cb_param_t *param) {

  if (event == ESP_SPP_SRV_OPEN_EVT) {

    // 蓝牙已连接

    Serial.println("Client Connected");

    // 标记蓝牙已连接

    Connected = true;

  }

 

  if (event == ESP_SPP_CLOSE_EVT ) {

    // 蓝牙已断开

    Serial.println("Client disconnected");

    // 标记蓝牙已断开

    Connected = false;

  }

}

 

 

void IRAM_ATTR detectButton() {

  Serial.println("Button");

  // 如果当前屏幕是关闭的状态，触发之后要打开屏幕

  if (displayOff) {

    displayOff = false;

    DisplayTimeOut = millis();

  }

}

 

void setup()

{

  Serial.begin(115200);

  // 注册回调函数

  SerialBT.register_callback(callback);

 

  if (!SerialBT.begin("OxiSensor")) {

    Serial.println("An error occurred initializing Bluetooth");

  } else {

    Serial.println("Bluetooth initialized");

  }

 

  Wire.begin();

  if (!INA.begin() )

  {

    Serial.println("could not connect. Fix and Reboot");

  }

  INA.setMaxCurrentShunt(1, 0.002);

 

  // 初始化屏幕

  OLED.init();

  OLED.flipScreenVertically();

 

  OLED.clear();

 

  DisplayTimeOut = millis();

 

  pinMode(D8, INPUT_PULLUP);

  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(D8), detectButton, RISING);

 

}

 

// 要显示内容的缓冲

char Buffer[40];

// 存放浮点转字符串的缓冲

char FloatToStr[20];

 

float Voltage; //当前电压，单位是 V

float Ampere;  //当前电流，单位是 mA

float Watt;   //当前功率，单位是 mW

unsigned long Elsp;

 

void fillchar(char *p, int len) {

  char *blank="                 ";

  strncat(p, blank, len - strlen(p));

}

void loop()

{

 

  Elsp = millis();

  Voltage = INA.getBusVoltage();

  Ampere = INA.getCurrent_mA();

  Watt = INA.getPower_mW();

  Serial.print(Elsp);

  Serial.print(",");

  Serial.print(Voltage, 3);

  Serial.print(",");

  Serial.print(Ampere, 3);

  Serial.print(",");

  Serial.print(Watt, 3);

  Serial.println();

 

  // 如果当前OLED 处于关闭状态，就不对屏幕发送任何显示数据

  if (displayOff == false) {

    // 打开屏幕

    OLED.displayOn();

 

    dtostrf(Voltage, 1, 3, FloatToStr);

    sprintf(Buffer, "V:%sV", FloatToStr);

    fillchar(&Buffer[0],16);

    OLED.disStr(0, 0, Buffer);

 

    memset(Buffer, ' ', sizeof(Buffer));

    dtostrf(Ampere, 1, 3, FloatToStr);

    sprintf(Buffer, "A:%smA", FloatToStr);

    fillchar(&Buffer[0],16);

    OLED.disStr(0, 16, Buffer);

 

    memset(Buffer, ' ', sizeof(Buffer));

    dtostrf(Watt, 1, 3, FloatToStr);

    sprintf(Buffer, "P:%smW", FloatToStr);

    fillchar(&Buffer[0],16);

    OLED.disStr(0, 32, Buffer);

 

    OLED.display();

 

    // 如果屏幕亮超过DISPLAYTIMEOUT指定时间，就关闭屏幕

    if (millis() - DisplayTimeOut > DISPLAYTIMEOUT) {

      Serial.println("Turn off display");

      displayOff = true;

      OLED.displayOff();

    }

  }

 

  if (Connected) {

    SerialBT.print(Elsp);

 

    memset(Buffer, 0, sizeof(Buffer));

    dtostrf(Voltage, 1, 3, FloatToStr);

    sprintf(Buffer, ",%s,", FloatToStr);

    SerialBT.print(Buffer);

 

    dtostrf(Ampere, 1, 3, FloatToStr);

    sprintf(Buffer, "%s,", FloatToStr);

    SerialBT.println(Buffer);

  }

 

  delay(1000);

}
复制代码

为了读取功率数据，使用了 INA226 库，我手上的 INA226 地址是0x40；代码中创建了一个 BLE 的UART，用户可以搜索发现设备，配对之后就可以获得数据。除了蓝牙之外，用户还可以通过USB的 UART来获得当前的电压电流信息。为了保护 OLED, 程序还设计了经过DISPLAYTIMEOUT设定的时间后自动关闭屏幕的功能，按下OLED按钮后会再次唤醒屏幕显示。

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