Carte de dérivation ESP32 Dual H Bridge : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Ce projet concerne une carte de dérivation ESP32 conçue pour être le cerveau de votre prochain robot. Les caractéristiques de cette carte sont;

• Peut accueillir n'importe quel kit de développement ESP32 qui a deux rangées de jusqu'à vingt broches sur des centres d'un pouce.
• Un emplacement pour monter une carte fille de contrôleur de moteur CC à double pont en H TB6612FNG.
• Un bornier à deux vis pour chaque raccordement moteur.
• Un bornier à deux vis et un jeu de cinq broches d'en-tête pour Vin & Gnd
• Deux rangées de vingt broches de dérivation GPIO.
• Embases pour deux capteurs sonar HC-SR04, avec diviseurs de tension sur la sortie Echo.
• Un en-tête pour la connexion à une LED tricolore à anode commune avec des résistances de limitation.
• Régulateur de tension embarqué 5V, 1A avec cinq broches d'en-tête pour 5V et Gnd.
• Quatre ensembles d'en-têtes pour les connexions I2C avec 3,3 V et Gnd pour chaque connexion.
• Tous les composants se montent sur un côté du circuit imprimé.

La taille physique de la carte est de 90 mm x 56 mm, recto-verso. Cela le place bien dans les limites de taille de 100 mm x 100 mm pour la plupart des prototypes à faible coût des fabricants de cartes.

Tous les fichiers nécessaires à la création d'une de ces cartes sont disponibles sur github ici.

La carte a été conçue autour du DOIT ESP32 DEVKIT V1 qui possède deux rangées de dix-huit broches chacune. Des traces facilement découpées à l'arrière de la carte vous permettent de séparer les broches dédiées 5V, Gnd et 3.3V de leurs bus respectifs. Ensuite, vous pouvez utiliser les broches de ces emplacements comme GPIO et à l'aide de cavaliers, connecter les bus 5V, Gnd et 3.3V aux broches appropriées du kit de développement ESP32 que vous utilisez.

Deux rangées de vingt trous sont prévues pour le montage du kit de développement ESP. Je vous recommande d'acheter des barrettes femelles et de les souder dans les trous. De cette façon, vous pouvez retirer le kit de développement ESP32 et le remplacer par un autre à tout moment. De plus, l'utilisation des barrettes de douilles offre beaucoup d'espace pour les pièces montées sous le kit de développement. J'aime acheter des barrettes à quarante broches et des connecteurs femelles, puis les couper à la bonne taille. Cela permet de réduire les coûts. Vous ne pouvez pas couper les barrettes femelles entre deux prises, vous devez "brûler" une prise pour les couper. En d'autres termes, une barrette femelle à quarante broches ne peut pas être coupée en deux barrettes à vingt broches. Une barrette femelle à quarante broches peut être coupée en une barrette à vingt broches et une barrette à dix-neuf broches.

Étape 1: pont double H TB6612FNG

Le TB6612FNG est un contrôleur de moteur à double pont en H qui peut piloter un moteur pas à pas ou deux moteurs de loisirs à courant continu (pas de moteurs sans balais). Il est idéal pour entraîner les petits moteurs à engrenages peu coûteux qui sont facilement disponibles. La carte de dérivation a un emplacement pour monter une carte fille dotée du TB6612FNG. La carte TB6612FNG que j'ai choisi d'utiliser est disponible à plusieurs endroits; Sparkfun (réf. ROB-14451, Mouser et Digikey vendent également la carte Sparkfun), Pololu (réf. 713), EBay, Aliexpress et Gearbest. Les prix varient d'environ un dollar à cinq dollars.

Chaque pilote de moteur à courant continu utilise trois broches GPIO. Deux broches GPIO déterminent l'état du moteur; marche avant, marche arrière, roue libre et frein. La troisième broche GPIO est PWM pour contrôler la vitesse du moteur. Une septième broche GPIO pilote la broche STBY. Les signaux de contrôle du TB6612FNG sont câblés aux broches de dérivation GPIO ESP32. Les broches GPIO utilisées sont déterminées par la saveur du kit de développement ESP32 que vous utilisez. Les broches câblées ont été soigneusement sélectionnées afin qu'elles s'alignent avec les broches GPIO PWM et de sortie sur la plupart des kits de développement ESP32.

Les moteurs sont connectés à l'aide de deux borniers à vis à deux broches étiquetés Moteur A et Moteur B. Un de chaque côté de la carte de dérivation. L'alimentation des moteurs est fournie soit par un bornier à vis à deux broches, soit par un ensemble de connecteurs mâles à une extrémité de la carte de dérivation, étiquetés Vin. Vin peut être n'importe quelle tension continue de 6V à 12V. Un régulateur de tension 5V, 1A convertit la tension Vin en 5V pour alimenter les capteurs Sonar.

Le DOIT Dev KIT est disponible en deux tailles, 30 broches (15 sur un côté) et 36 broches (18 sur un côté). J'ai répertorié les connexions pour les deux kits de développement ci-dessous.

Kit de développement 30 broches - Kit de développement 36 broches

AIN1 - 25 - 14 - commande de direction pour moteur A

AIN2 - 26 - 12 - commande de direction pour moteur A

PWMA - 27 - 13 - contrôle de vitesse pour moteur A

STBY - 33 - 27 - arrête les deux moteurs

BIN1 - 16 - 15 - commande de direction pour moteur B

BIN2 - 17 - 2 - commande de direction pour moteur B

PWMB - 5 - 4 - contrôle de vitesse pour moteur B

Étape 2: Broches GPIO

La carte dispose de deux ensembles d'en-têtes à vingt broches pour la répartition GPIO. Chaque ensemble d'en-têtes GPIO comprend vingt broches pour 3.3V et vingt broches pour Gnd. Les broches 3,3 V sont situées entre les broches GPIO et les broches Gnd. Cette configuration réduit la possibilité que quelque chose explose s'il est branché à l'envers. Presque tout ce que vous souhaitez connecter à une broche GPIO nécessite une connexion 3,3 V ou Gnd ou les deux. La configuration à trois rangées signifie que vous avez toujours une broche d'alimentation et de masse pour chaque connexion.

Si vous utilisez un kit de développement ESP32 autre que le kit de développement DOIT, il peut avoir des broches Vin, 3.3V et Gnd à des emplacements différents du kit de développement DOIT. La carte de dérivation a facilement coupé des traces à l'arrière qui peuvent être coupées pour isoler les broches Vin, 3.3V et Gnd des bus respectifs. Vous pouvez ensuite utiliser des cavaliers pour connecter les broches Vin, 3.3V et Gnd de votre kit de développement ESP32 aux bus appropriés. Les broches 3,3 V peuvent être connectées à l'aide de fiches de court-circuit à deux broches standard. Pour les connexions des broches Gnd, j'ai composé quelques cavaliers à l'aide de coques DuPont à trois broches, de deux broches à sertir femelles et d'un petit morceau de fil. Après avoir serti les broches femelles à chaque extrémité du fil, je les ai insérées dans les fentes d'extrémité de la coque à trois broches.

Si jamais vous voulez reconnecter les transes que vous avez coupées, chacune a un ensemble de trous traversants. Vous pouvez soit souder un cavalier en forme de U dans les trous, soit ajouter une embase à deux broches et utiliser une fiche de court-circuit à deux broches standard pour créer un cavalier amovible.

Un mot d'avertissement. Le régulateur 3,3 V du kit de développement ESP32 est utilisé pour fournir 3,3 V à l'ESP32 et à tous les périphériques que vous connectez au bus 3,3 V. Le régulateur a une limite de 1A. Plus la tension Vin est élevée et plus vous consommez de courant, le régulateur chauffera. Gardez cela à l'esprit lorsque vous essayez de piloter des appareils à courant élevé comme des bandes LED ou des servomoteurs avec 3,3 V. Quelques appareils I2C comme les gyroscopes, les accélérateurs et les convertisseurs ADC ne devraient pas poser de problème.

Étape 3: Vin

Vin est la tension d'entrée pour les moteurs et le régulateur 5V. Vin peut être n'importe quelle tension de 5V à 12V. Si vous utilisez 5V pour Vin, la tension de sortie du régulateur 5V embarqué ne sera pas de 5V. Cela est dû au fait que le régulateur 5V doit avoir une tension supérieure à 5V pour réguler à 5V.

Le Vin est également utilisé comme tension d'entrée du régulateur 3,3 V du kit de développement ESP32.

La conception de référence du kit de développement ESP a une diode pour isoler la tension USB de la tension sur la broche Vin du kit de développement. La diode garantit que la tension Vin n'essaie pas de piloter la tension USB et que la puce de pont USB vers série du kit de développement ESP32 n'est alimentée que par la tension USB. Cela signifie que vous pouvez connecter en toute sécurité une source de tension supérieure à 5V au Vin de la carte de dérivation et utiliser la connexion USB en même temps, sans craindre de détruire quoi que ce soit. Le régulateur de tension du kit de développement ESP32 appartient à la même famille que le régulateur de tension utilisé sur la carte de dérivation. Cela signifie qu'ils peuvent gérer la même plage de tensions d'entrée.

Connectez la batterie qui entraîne les moteurs aux bornes Vin et elle alimentera également l'ESP32 et tous les périphériques que vous avez connectés.

Étape 4: Capteurs sonar HC-SR04

Deux embases à quatre broches sont fournies pour la connexion du populaire capteur sonar HC-SR04. Les embases sont situées sur les côtés opposés de la carte de dérivation, près des borniers à vis du moteur. Les en-têtes sont configurés pour une connexion un à un avec le HC-SR04.

Le HC-SR04 est un appareil 5V. Il est alimenté en 5V et son signal de sortie (Echo) est à des niveaux de 5V. L'ESP32 a un GPIO de 3,3 V et ne tolère pas le 5 V. Par conséquent, vous avez besoin d'une sorte de convertisseur de niveau de tension pour ramener la sortie 5V du HC-SR04 au niveau 3,3V de l'ESP32. La carte de dérivation a un simple diviseur de tension pour chacun des signaux d'écho HC-SR04 afin d'effectuer la conversion de niveau. Aucune conversion de niveau n'est requise pour qu'une broche GPIO ESP32 pilote le signal de déclenchement du HC-SR04.

L'embase à quatre broches du HC-SR04 fournit les connexions 5V et Gnd pour le capteur. Le 5V est fourni par le régulateur 5V sur la carte de dérivation.

Alors qu'un en-tête à quatre broches est fourni pour se connecter au HC-SRO4, un en-tête à deux broches est fourni pour connecter les signaux Echo et Trig du HC-SR04 à l'ESP32. De cette façon, vous pouvez choisir les broches GPIO à utiliser. Utilisez des cavaliers femelle-femelle pour effectuer les connexions. T est l'entrée Trig et E est le signal de sortie d'écho converti en niveau de tension.

Il devrait être possible d'utiliser l'en-tête HC-SR04 pour connecter un autre capteur 5V. Connectez la sortie du capteur 5V à l'entrée Echo et utilisez le diviseur de tension pour le convertir en un signal 3,3V. Le diviseur de tension gérera les signaux qui ont des transitions lentes. Pour les transitions à grande vitesse, vous devez utiliser un convertisseur de niveau de tension actif. Si vous connectez un signal analogique au diviseur de tension, puis à une entrée analogique sur l'ESP32, vous devez tenir compte du fait que l'oscillation de tension sera de zéro à 3,3 V, et non de zéro à 5 V lors du calcul des volts par compte.

Par exemple, vous pouvez câbler un capteur IR Vishay TSOP34838 aux broches 5V, Gnd et Echo de l'en-tête HC-SR04 (Echo est câblé à la broche de sortie du capteur). Ensuite, vous devriez pouvoir recevoir des commandes IR à partir de n'importe quelle télécommande IR utilisant une porteuse de 38 KHz.

Étape 5: LED tricolore

La LED tricolore est une LED RVB à anode commune de 5 mm, à trou traversant. Des résistances de limitation de courant sont fournies et l'anode commune est câblée au bus 3,3V. Un en-tête à trois broches étiqueté RVB est fourni pour l'utilisation de la LED. Un signal de faible niveau sur l'une des broches RVB allumera la LED de cette couleur. Piloter plusieurs entrées RVB en même temps entraînera l'allumage de plusieurs LED avec le mélange de couleurs résultant. Vous pouvez utiliser des cavaliers femelle à femelle pour connecter les broches d'en-tête RVB aux broches GPIO de votre choix. Si vous câblez la LED à une broche GPIO dotée de capacités PWM, vous pouvez faire varier la luminosité de la LED en faisant varier le temps bas PWM. J'aime utiliser les LED pour m'aider à déboguer le code sur lequel je travaille.

Étape 6: Breakout I2C

La carte de dérivation a quatre rangées de broches d'en-tête pour l'interface I2C. Deux des rangées comportent chacune quatre broches et sont de 3,3 V et Gnd. Les deux autres rangées comportent chacune cinq broches et sont destinées au SDA et au SCL. La broche supplémentaire dans chacune de ces rangées vous permet d'utiliser deux câbles de démarrage femelle à femelle pour connecter les rangées aux broches GPIO de votre choix. L'ESP32 peut avoir les signaux SDA et SCL sur plusieurs des broches GPIO. Jusqu'à quatre appareils I2C de 3,3 V peuvent être connectés et alimentés sans avoir recours à des câbles en guirlande. Il n'y a pas de résistances pullup sur les signaux SDA et SCL sur la carte de dérivation. Les résistances pullup doivent se trouver sur les appareils que vous connectez au bus I2C.

Remarque: pour ceux qui ne connaissent pas I2C, des résistances de rappel sont nécessaires car les broches SDA et SCL sont des broches à drain ouvert, à trois états et bidirectionnelles. La valeur des résistances pullup affecte la vitesse de balayage et la sonnerie sur le bus.

Étape 7: Nomenclature

Toutes les résistances sont SMT 1206.

Tous les condensateurs sont SMT, boîtier A, EIA 3216.

Tous les embases et multiprises ont un pas de 0,1 pouce (2,54 mm).

6 - connecteurs mâles à vingt broches

6 - connecteurs mâles à cinq broches

4 - connecteurs mâles à quatre broches

1 - en-tête mâle à trois broches

2 - connecteurs mâles à deux broches

2 - barrettes femelles à vingt broches

1 - Carte TB6612FNG, livrée avec deux connecteurs mâles à huit broches

3 - Condensateurs au tantale 10uf

1 - résistance 10K

2 - résistances 2.2K

5 - résistances 1K

1 - AMS1117, 5V

1 - 5 mm, LED RVB à anode commune

3 - pas de 3 mm, deux broches, bornes à vis

Optionnel

3 - connecteurs mâles à deux broches - pour reconnecter les pistes Vin, 3.3V et Gnd coupées

Étape 8: Envelopper le tout

Il s'agit d'une carte de dérivation ESP32 très polyvalente avec les fonctionnalités les plus courantes requises par de simples robots intégrés à la carte de dérivation.

La carte de dérivation n'est pas limitée aux kits de développement ESP32. N'importe quelle carte de microcontrôleur qui a deux rangées de jusqu'à vingt broches avec un espacement d'un pouce peut être utilisée. Une carte ESP8266 ou LPC1768 conviendrait. Vous pouvez assembler la carte sans la carte fille TB6612FNG et l'utiliser pour casser uniquement le GPIO. Le tableau vous offre de nombreuses options pour l'utiliser.

Si certaines de ces cartes sont fabriquées, ne supprimez pas le nom « Macedon Engineering » des cartes. Vous pouvez librement utiliser ces cartes pour toute application non commerciale. Si vous fabriquez et utilisez le tableau, je vous serais reconnaissant de savoir pourquoi vous l'avez utilisé. J'espère que vous trouverez le tableau utile.