uPesy ESP32 Wroom Low Power DevKit v1.0

Module ESP32

Le cerveau de la carte est l’ESP32 : un microcontrôleur puissant fabriqué par Espressif . Sur cette carte, un module WROOM est utilisé (comme indiqué dans le nom de la carte 🤔). Il contient un chip ESP32 et un circuit élémentaire pour le faire fonctionner.

Vous trouverez toutes les informations techniques qui vous intéressent dans les datasheets du fabricant:

• Pour le Module WROOM : https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-wroom-32_datasheet_en.pdf

• Pour l’ESP32 : https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_datasheet_en.pdf

Convertisseur USB/UART

Puisque l’ESP32 ne comprend pas le protocole USB, un chip de Silicon Labs, le CP2102 joue le rôle de traducteur avec l’ordinateur. Il est nativement supporté par Windows, MacOS et Linux. Il n’y a donc pas besoin d’installer de driver supplémentaire, comme cela pourrait être le cas avec un CH340G.

Gestion de l’alimentation

Cette section de la carte est responsable de la gestion de l’alimentation. Elle contient entre autres un régulateur de tension 3.3V ainsi que des protections. Son fonctionnement sera détaillé dans la section Utilisation . Les composants ont été soigneusement choisis pour consommer un minimum de courant lorsque la carte est alimentée par batterie ou via une alimentation externe.

Connectique

Le connecteur USB-C permet d’alimenter la carte et de communiquer avec l’ordinateur. Il permet notamment de téléverser un programme, d’envoyer des messages via print() …

Les 2 boutons EN et BOOT de la carte permettent de contrôler l’état de l’ESP32:

• EN : Ce bouton, appelé parfois RESET permet de redémarrer de force l’ESP32.

• BOOT : L’utilisation seule de ce bouton n’a pas aucun effet lorsque l’ESP32 est déjà allumé. Il agit sur son comportement lors du démarrage (lors du boot).

On peut utiliser ces boutons pour mettre manuellement l’ESP32 en mode FLASH , mode qui permet de charger un nouveau programme sur l’ESP32. Normalement, l’ESP32 se met automatiquement dans ce mode lorsque le téléversement se fait via USB grâce au convertisseur CP2102.

Pour ce faire, lorsque l’étape de connexion avec l’ESP32 arrive :

Connecting........_____....._____....._____....._____....._____....._____....._____....._____....._____....._____

Il faut réaliser la combinaison suivante :

• Maintenir appuyé en même temps les boutons EN et BOOT pendant 2 secondes.

• Relâchez le bouton EN tout en maintenant BOOT appuyé pendant 2 secondes.

• Relâchez le bouton BOOT

Tolérance en tension des pins

• L’ESP32 est un microcontrôleur qui fonctionne en 3.3V. Les niveaux logiques sont donc de 0 et 3.3V et non pas de 0 et 5V. C’est-à-dire que la tension en sortie des pins GPIO est de 3.3V et la tension en entrée ne doit pas excéder 3.3V. Les pins GPIO ne sont pas prévus pour avoir des niveaux logiques de 5V .

• La tension mesurée par le convertisseur analogique numérique ne doit pas non plus excéder 3.3V (et pas non plus négative bien sûr).

Les différents modes d’alimentation

Il y a 3 façons d’alimenter la carte ESP32 Low Power, dont 2 sont optimisées pour la consommation de courant :

• Via USB (\(V_{BUS}\) ) : On connecte la carte via son connecteur USB-C à un ordinateur ou à un chargeur de téléphone adéquat. Une LED rouge s’allume dès la mise sous tension. Ce mode d’alimentation n’est pas optimisé pour la consommation de courant.

• Via une batterie externe (\(V_{BAT}\) ) : On connecte une batterie Lithium-ion/LiPo de 3.7V sur le connecteur JST PH 2.0. Si l’on branche l’USB en même temps, la carte recharge la batterie. Ce mode d’alimentation est optimisé pour la consommation de courant : la consommation sera < 15µA en Deep Sleep.

  

• Via une alimentation externe (\(V_{IN}\) ) : On connecte sur la broche \(V_{IN}\) de la carte ESP32 une alimentation externe avec une tension comprise entre 3.5V et 7V maximum . Ce mode d’alimentation est optimisé pour la consommation de courant : la consommation sera également < 15µA en Deep Sleep.

Le type de batterie à utiliser

La batterie utilisée doit être compatible avec le chargeur intégré de la carte uPesy. Le chargeur est un MCP73831 de chez MicroChip qui permet de recharger des batteries Li-Ion/Li-Polymer composées d’une seule cellule de 3.7V (ou 4.2V lorsque la batterie est complètement chargée).

Elles sont beaucoup utilisées dans les appareils mobiles.

La capacité de la batterie à choisir dépendra de votre application et de tout les combien temps vous devrez recharger la batterie. Une capacité entre 1000mAh et 2000mAh sera amplement suffisante dans la plupart des cas.

L’autre point important est de vérifier que la polarité de votre batterie correspond bien à celle de la carte. Malheureusement, il semblerait qu’il n’y a pas de consensus sur la polarité des connecteurs des batteries.

Référez-vous à l’image ci-dessus, pour vérifier la polarité : le 3.7V de la batterie, représenté par le fil de couleur rouge doit rentrer du côté du “+”. Dans le doute, vérifiez avec un voltmètre la polarité avant branchement.

Voici des exemples de batteries LiPo compatibles avec la carte uPesy :

• https://www.amazon.fr/dp/B08ZCQXFX4

• https://www.amazon.com/dp/B087LTZW61 [connecteur JST 1.25]

• https://www.amazon.com/dp/B082152887 [polarité inversée]

Le fonctionnement du chargement

Le rechargement d’une batterie déjà connectée sur le connecteur JST se passe de la manière suivante :

• Lorsqu’un câble USB est branché, la batterie n’alimente plus la carte. C’est l’alimentation USB qui va à la fois alimenter la carte et charger la batterie en plus.

• La LED bleue doit s’allumer. Cette LED s’allume uniquement pendant le chargement de la batterie.

• Lorsque la LED est éteinte, c’est que la batterie est complètement chargée.

• On peut débrancher le câble USB, et la batterie alimentera de nouveau l’ESP32.

Le courant de charge maximal est limité autour de 300 mA. En fonction de la capacité de la batterie, le temps de charge sera plus au moins long. Par exemple, pour une batterie de 1000mAh, le temps de charge sera un peu plus de 3h.

Connaître le déchargement de la batterie depuis un programme

Avec une batterie Li-Ion/Li-Polymer, on peut estimer sa capacité restante en se basant sur sa tension. La carte intègre un pont diviseur de tension, relié à la broche GPIO35 , qui divise la tension \(V_{DC}\) par un ratio.

On peut donc connaître soit la tension de la batterie \(V_{BAT}\) , soit d’une alimentation externe \(V_{IN}\) , voir celle de l’USB \(V_{BUS}\) avec la formule suivante :

Le code Arduino suivant permet de mesurer la tension de la batterie :

void setup() {
  pinMode(35, INPUT); // Il faut déclarer le pin en entrée
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  float v_mes = analogRead(35);
  float v_dc = 2.15*(v_mes/4095)*3.3;
  Serial.println(v_dc);
  delay(100);
}

Protections intégrées

La carte uPesy ESP32 WROOM Low Power DevKit intègre des fusibles pour sécuriser vos projets contre des courts-circuits :

• Sur le rail de l’USB (\(V_{BUS}\) ), il y a un fusible thermique auto-réarmables de 500mA. Il s’active et se désactive automatiquement (c’est une résistance qui varie avec la température appelée polyfuse en anglais).

• Sur chacun des rails \(V_{BAT}\) et \(V_{IN}\) , il y a des fusibles non-réarmables de 500mA de chez LittleFuse : \(F_{BAT}\) et \(F_{VIN}\) . S’ils se déclenchent, il faudra en mettre des nouveaux car la carte ne sera plus alimentée. Heureusement, des emplacements ont été prévus à cet effet derrière la carte.

  

Il y a globalement moins de protection que sur la carte uPesy ESP32 Wroom DevKit, pour limiter au maximum la consommation et ainsi obtenir une très basse consommation en mode Deep Sleep. Il n’y a pas en autres de protections contre les surtensions sur les rails \(V_{BAT}\) et \(V_{IN}\) ni de protections contre les inversions de polarités au niveau de la batterie. A noté que les cartes ESP32 “génériques” ne disposent pas non plus de ses protections.