如何創(chuàng)建一個時間開關電池供電的太陽能充電電路

描述

本教程展示了如何創(chuàng)建一個時間開關電池供電的太陽能充電電路，該電路用于為 Arduino Uno 和一些外圍設備（傳感器、通信模塊等）供電。

如果你想設計一個遠程數據記錄器，電源總是一個問題。大多數時候沒有可用的電源插座，這迫使您使用一些電池為電路供電。但最終你的設備會耗盡電池......你不想去那里充電，對吧？因此，人們提出了一種太陽能充電電路，讓用戶可以從太陽中獲得免費能量來為電池充電并為您心愛的 Arduino 供電。

您將面臨的另一個問題是 Arduino 的效率。即使您將其置于睡眠狀態(tài)，它也會消耗大量電池，“睡眠通常用于在 Arduino 板上省電。然而，對于某些 Arduino 變體，并沒有太大的好處。例如，Arduino串行和 USB 板使用 7805 類型的電源調節(jié)器，當 Atmega IC 處于空閑模式時需要 10 mA。將這些板置于睡眠狀態(tài)將減少幾 mA 的總功耗，但仍會很高“。

如果您使用自己的電源電路繞過低效的穩(wěn)壓器，或者使用具有相當高效電源的電路板，例如 Arduino Pro，那么睡眠對于降低功率和延長電池壽命非常有益。使用某些鋰離子電池時，甚至可以完全移除調節(jié)器。

但大多數時候，您不想直接在您的 Arduino Uno 上使用您糟糕的焊接技能，或者不想購買更節(jié)能的設備。如果這是您的情況，那么本教程適合您。

另一個問題是，即使您的 Arduino 正在睡覺，您的傳感器可能仍然處于活動狀態(tài)，從而耗盡您的電池。因此，在太陽能充電電池中添加了一個定時器電路，它只為 Arduino 供電幾秒鐘，然后再次將其關閉以節(jié)省電力。它適用于您的微控制器僅用于讀取某些傳感器、傳輸或保存數據以及返回睡眠幾分鐘的應用。

此處描述的電路仍在測試中，未對所使用的組件進行徹底分析（模型二極管、晶體管和電阻值）。我打算稍后將這個電路變成 Arduino Uno 的電池供電的太陽能充電板，但現(xiàn)在我仍在嘗試和出錯。因此，請隨意評論和關注這個項目，使用它需要您自擔風險！

我設計了這個電路來為我的 Arduino 迷你氣象站供電。它使用了一個消耗大量電力的灰塵傳感器，我想定期關閉整個電路以節(jié)省電池。

第 1 步：材料

• 阿杜諾

• 小面包板

• 5V升壓器

• 鋰電池充電器（TP4056）

• 6V太陽能電池

• 18560鋰電池

• 電池座

• 1N4004 二極管 (x2)

• 555集成電路

• 2N3904晶體管（x2）

• 1 兆歐電阻 (x2)

• 100 kohm 電阻 (x3)

• 10 kohm 電阻 (x1)

• 100 uF 電解電容 (x2)

• 10 nF 陶瓷電容器 (x1)

• 5V單刀雙擲繼電器

• 跳線

• USB電纜

第 2 步：組裝太陽能電池充電器

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首先，您必須組裝太陽能電池充電器電路。這使用來自一些太陽能電池的能量為電池充電，并將其電壓提升到 Arduino Uno 使用的 5V。

該電路基于太陽能供電的Arduino 氣象站deba168的精彩教程。

太陽能電池連接到鋰電池充電器（TP4056）的輸入端，其輸出連接到18560鋰電池。一個 5V 升壓升壓器也連接到電池，用于將 3.7V dc 轉換為 5V dc。您可以檢查圖片中組件之間的連接。

一些引腳焊接到兩個模塊（TP4056 和升壓器）的底部，以便更輕松地連接到面包板。如果你不使用面包板，你可以用電線連接組件并焊接它們。

此時您可能已經為您的 Arduino Uno 供電，將其連接到 booster 的 USB 連接器，您的 Arduino 將一直工作，直到電池耗盡。當陽光充足時，電池會自動開始充電。

請注意，TP4056 輸入限制在 4.5 和 5.5V 之間。在這個電路中，太陽能電池板和電池充電器之間沒有電壓限制器。可以使用齊納二極管來限制電壓并保護您的電路。

根據您的耗電量，您的電池會快速放電。如果是這種情況，請執(zhí)行下一步。

第三步：定時器電路

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有很多項目涉及 Arduinos 和一堆傳感器。在大多數情況下，Arduino 會定期讀取傳感器并在內部存儲讀數或使用 Wi-Fi、藍牙、以太網等傳輸它們的值......之后，它通常會進入空閑狀態(tài)，直到到達下一個采樣時間.

在這段空閑時間里，你可能會讓你的 Arduino 進入睡眠狀態(tài)，但它不會節(jié)省很多電量。盡管微處理器降低了其功耗，但調節(jié)器和其他外圍設備（例如您的傳感器和通信模塊）繼續(xù)工作，消耗大部分功率。

這里提出的替代方案是使用外部定時器電路，它定期打開/關閉電源。當它打開時，Arduino 將執(zhí)行其設置、讀取傳感器并保存或傳輸數據。所有這一切都在幾秒鐘內完成。之后，電路將切斷電源幾分鐘，然后重新啟動該過程。

在關閉狀態(tài)期間，定時器電路僅消耗幾毫安。

計時器電路安裝在Autodesk Circuits?上，以便在使用真實組件實施之前對其進行模擬。

非穩(wěn)態(tài)模式下的 555 定時器電路旨在控制 Arduino 及其外圍設備何時開啟/關閉。在非穩(wěn)態(tài)電路中，輸出電壓在 Vcc (+5V)（高電平狀態(tài)）和 GND (0V)（低電平狀態(tài)）之間持續(xù)交替。該輸出用于驅動繼電器，該繼電器將定期切斷 Arduino 的電源。

通過選擇 R1、R2 和 C1 的值，可以確定周期（ON/OFF 循環(huán)重復所需的時間長度）和占空比（輸出為 ON 的時間百分比）。增加 C1 將增加周期。增加 R1 將增加高時間 (T1)，但不影響低時間 (T0)。增加 R2 將增加高時間 (T1)、增加低時間 (T0) 并降低占空比。

這種電路的最小占空比為 50%。這意味著，在最好的情況下，非穩(wěn)態(tài)電路只會在一半時間內切斷電路電源，這還不夠。因此決定在定時器的輸出端添加一個簡單的邏輯反相器（TQ1 和 R4）。這樣，將選擇 R1、R2 和 C1 的值，以使占空比約為 90%（在邏輯反相器之前）。在逆變器之后，輸出僅在 10% 的時間內為 ON。該反相輸出用于驅動另一個晶體管 (TQ2)，該晶體管用于驅動 5V 繼電器 (K1)，最終將切斷 Arduino 及其外圍設備的電源。

在第一次仿真中使用了任意值的電阻器和電容器，以驗證電路的功耗。在關閉狀態(tài)下，電路指示僅消耗 0,8 mA。當電路開啟時（短時間），它消耗大約 40 mA，這被添加到 Arduino（和其他外圍設備）消耗的電流中。

很難測量實際值，但 Arduino Uno 通常消耗 52 mA 左右。處于睡眠模式時（使用 LowPower 庫），功耗降至 35 mA。R1、R2 和 C1 的新值是使用 555 Astable Circuit Calculator計算得出的。選擇它們的值，使電路關閉 5 分鐘，然后通電 27 秒以進行采樣和傳輸數據。

考慮到這些值（5 分鐘關閉和 27 秒開啟），具有睡眠模式的 Arduino 將消耗大約 36 mAh。如果我們使用定時器開關電路，消耗只有8毫安左右。功耗降低 77% 對我來說似乎很好。您還必須考慮其余電子設備（傳感器和通信模塊）以及升壓器和電池充電器消耗的電流，以獲得精確的電流值......

第四步：組裝定時器電路

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根據原理圖組裝定時器電路。

以下值可用于電阻器和電容器以實現(xiàn) 5 分鐘關閉/27 秒開啟時間：

• R1 = 2 兆歐

• R2 = 200 歐姆

• R4 = 10 千歐

• R5 = 10 千歐

• C1 = 200 uF

• C2 = 10 nF

值得注意的是，我使用了 SPDT 繼電器的常開 (NO) 輸出。我意識到有些繼電器只有一個常閉輸出，盡管它們具有相同的封裝，并且所有指示都相同。

另請注意，在圖片中我使用了不同的值，因為我不想等待 5 分鐘才能看到我的電路工作。

圖為安裝在面包板上的電路。我有一個輸入（來自升壓器的 +5V/GND）和一個輸出（到 Arduino 的 +5V/GND）。

為時間電路供電，Arduino 連接到它，看看它是否工作。您不時聽到正在啟動的繼電器。

第 5 步：完成電路和測試

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定時器電路工作后，將其輸出連接到 Arduino 5V 和 GND 引腳。它看起來像圖片中的那個。

Arduino 將每 5 分鐘通電一次并持續(xù) 27 秒。您可以更改這些值，為電阻器和電容器選擇不同的值，如前所述。

設計一個漂亮的外殼來保護你的電路，把它放在陽光下，看看它是否有效！

第 6 步：功耗和運行時間

我想對功耗和運行時間做一些考慮。

考慮 5 分鐘 OFF 和 27 秒 ON，電路 + Arduino 的功耗如下：

無開關電路（使用睡眠模式）：

• 平均電流 (Iavg) = (Ton*Ion + Toff*Ioff ) / (Ton +Toff)

• 噸（Arduino 處于活動狀態(tài)）= 27 秒

• 離子 = 51.7 毫安

• Toff（arduino 關閉）= 5 分鐘 = 300 秒

• Ioff = 34.9 毫安

• Iavg = 36.3 毫安

• 工作電壓 (Vo) = 5V

• 平均功率 (Pavg) = Vo * Iavg = 5 * 36.3 = 181 mW

• 鋰離子電池容量 = 3000 mAh

• 電池電壓 = 3.7V

• 功率 =3.7 * 3000 = 11100 mWh

• 電池壽命 = 11100/181 = 61 h = 2,5 天

帶定時器開關電路：

• 平均電流 (Iavg) = (Ton*Ion + Toff*Ioff ) / (Ton +Toff)

• 噸（arduino 處于活動狀態(tài)）= 27 秒

• 離子 = 92 毫安

• Toff（arduino 關閉）= 5 分鐘 = 300 秒

• Ioff = 0.8 毫安

• Iavg = 8.2 毫安

• 工作電壓 (Vo) = 5V

• 平均功率 (Pavg) = Vo * Iavg = 5 * 8.2 = 41 mW

• 鋰離子電池容量 = 3000 mAh

• 電池電壓 = 3.7V

• 功率 =3.7 * 3000 = 11100 mWh

• 電池壽命 = 11100/41 = 270 小時 = 11 天

此處未考慮 TP4056 和升壓器的功率損耗，并且在這兩種情況下肯定會縮短電池壽命。

這里需要注意的重要一點是，這個定時器電路也將節(jié)省一些能量，切斷傳感器的電源，而睡眠模式將減少微處理器的消耗。