تغذیه آردوینو با صفحه خورشیدی (اتصال سلول خورشیدی)

اگر هر یک از پروژه هایی که ایجاد می کنید به صورت قابل حمل یا نظارت از راه دور طراحی شده باشد، معمولاً نیاز به استفاده از منابع انرژی خاصی دارد. انرژی خورشیدی اغلب می تواند راه حل مفیدی برای تامین انرژی چنین دستگاه هایی باشد. در این آموزش، در مورد نحوه انتخاب پنل خورشیدی مناسب بر اساس نیاز برق خود، به ویژه برای پروژه هایی که از آردوینو استفاده می کنند، بحث خواهیم کرد. همچنین به مدیریت انرژی و کنترلرهای شارژ اشاره خواهیم کرد.

اجزای مورد نیاز:

• Arduino Pro-Mini یا Arduino Nano
• کنترلر شارژ باتری TP4056
• خازن 100 uF
• خازن 100 nF
• تنظیم کننده ولتاژ 3.3 ولت MCP1700-3302E
• باتری لیتیوم یونی 3.7 ولت 18650 (2000 میلی آمپر ساعت یا بیشتر)*
• پنل خورشیدی 6 ولت DC، 500 میلی آمپر *
• برد بورد
• سیم های جامپر

*مقادیر واقعی به توان مورد نیاز پروژه شما بستگی دارد.

انتخاب آردوینو مناسب برای پروژه خود

در این تمرین، سه برد مختلف آردوینو را با هم مقایسه می کنیم تا ببینیم کدام یک به بهترین وجه با نیازهای شما مطابقت دارد. در اینجا ویژگی‌های مختلفی که برای تعیین برد مناسب استفاده می‌شوند، فهرست شده‌اند.

Arduino UNO پلتفرم معیار ما خواهد بود. بیایید با فهرست کردن ویژگی ها شروع کنیم و سپس سه برد را با هم مقایسه کنیم.

ARDUINO UNO

• میکروکنترلر ATmega328P خانواده 8 بیتی AVR
• ولتاژ کاری: 5 ولت DC
• ولتاژ ورودی 7 – 12 ولت DC
• ورودی های آنالوگ: 6
• ورودی/خروجی دیجیتال: 14، 6 PWM
• SRAM: 2KB
• EEPROM: 1KB
• فلش 32K
• سرعت ساعت: 16 مگاهرتز
• اتصال USB
• مصرف برق (بیکار) 50 میلی آمپر
• اندازه: 2.7 اینچ در 2.1 اینچ

آردوینو نانو

• میکروکنترلر ATmega328P خانواده 8 بیتی AVR
• ولتاژ کاری: 5 ولت DC
• ولتاژ ورودی 7-12 ولت DC
• ورودی های آنالوگ: 8
  ورودی/خروجی دیجیتال: 22، 6 PWM
• SRAM: 2KB
• EEPROM: 1KB
• فلش 32K
• سرعت ساعت: 16 مگاهرتز
• اتصال USB
• مصرف برق (بیکار) 19 میلی آمپر
• اندازه: 1.7 اینچ در 73 اینچ

ARDUINO PRO-MINI 3.3 V

• میکروکنترلر ATmega328P خانواده 8 بیتی AVR
• ولتاژ کاری: 3.3 ولت DC
• ولتاژ ورودی 3.3-12 ولت DC
• ورودی های آنالوگ: 6
• ورودی/خروجی دیجیتال: 14، 6 PWM
• SRAM: 2KB
• EEPROM: 1KB
• فلش 32K
• سرعت ساعت: 8 مگاهرتز
• مصرف برق (بیکار) 4.7 میلی آمپر
• اندازه: .7 اینچ در 1.3 اینچ

هر سه برد از یک میکروکنترلر استفاده می کنند. آنها تقریباً تعداد یکسانی پورت آنالوگ، پورت دیجیتال، پورت PWM و حافظه دارند. مهم ترین تغییر در سرعت ساعت، نیاز برق و اندازه فیزیکی بردها است.

هدف اصلی در طراحی دستگاهی که با انرژی خورشیدی کار می کند، کاهش مصرف برق است. با این هدف و ویژگی های داده شده در بالا، اکنون بین Arduino Uno، Nano و Pro Mini مقایسه و انتخاب می کنیم.

یک آردوینو Uno تقریباً 50 میلی آمپر مصرف میکند یعنی بیش از 2 برابر آنچه که یک نانو (19 میلی آمپر) نیاز دارد. Pro Mini با مصرف فقط 4.7 میلی آمپر 11 برابر کمتر از UNO مصرف میکند. و با مقایسه این سه، Pro-Mini بسیار کوچکتر و ارزانتر است.

سرعت ساعت PRO-MINI

جدای از مصرف انرژی، تفاوت بزرگ در سرعت کلاک پرو مینی است. این سرعت ساعت پایین‌تر باعث کاهش قابل توجه در توان مورد نیاز برای Pro-Mini می‌شود. بسته به کاربرد شما، این ممکن است بر مدار تأثیر منفی بگذارد یا تاثیری نداشته باشد.

تفاوت دیگر این است که Pro-Mini از کنترلر USB استفاده نمی کند. این حذف مستلزم استفاده از یک کنترلر FTDI برای برنامه ریزی Pro-Mini است که احتمالاً هزینه ای را به پروژه شما اضافه می کند. اما این حذف مصرف برق کنترلر USB و همچنین قیمت و اندازه کلی کاهش می یابد.

در طراحی خود، اگر به سرعت کلاک اضافی نیاز دارید یا احتمالاً نیاز به اتصال لوازم جانبی 5 ولت دارید، می توانید از نانو استفاده کنید. همچنین یک Arduino Pro-Mini 5 ولتی موجود است که ساعت 16 مگاهرتز را اجرا می کند.

مخزن شارژ (منبع باتری)

بسیاری از باتری های قابل شارژ برای راه اندازی Pro-Mini در دسترس هستند. برای این مثال، از باتری لیتیوم یونی استفاده خواهیم کرد که منبع 3.7 ولتی را از یک سلول واحد فراهم می کند.

هنگام تصمیم گیری برای استفاده از باتری لیتیوم یونی، عوامل ایمنی باید در نظر گرفته شود. توجه داشته باشید که باتری های لیتیوم یونی، در صورت استفاده نادرست، می توانند آتش بگیرند یا منفجر شوند. با توجه به اینکه باتری دارای مقدار زیادی انرژی و مواد شیمیایی فرار است، لازم است اقدامات احتیاطی بیشتری انجام شود.

برای جلوگیری از این مشکلات احتمالی، کنترل‌کننده‌های شارژ باتری لیتیومی برای کنترل ایمن نرخ شارژ و دشارژ طراحی شده‌اند.

شارژ باتری و حفاظت

ماژول شارژ و حفاظت باتری TP4056 نگرانی های زیر را در مورد شارژ و نگهداری باتری های لیتیوم یونی برطرف می کند:

• جریان ثابت تا شارژ ولتاژ ثابت باتری لیتیومی متصل را مدیریت می کند
• محافظت در برابر تخلیه بیش از حد – از تخلیه باتری کمتر از 2.4 ولت جلوگیری می کند.
• حفاظت از شارژ بیش از حد – باتری را با خیال راحت تا 4.2 ولت شارژ می کند.
• حفاظت در برابر جریان اضافه و اتصال کوتاه – در صورت افزایش سرعت تخلیه از 3 آمپر یا در صورت اتصال کوتاه، خروجی باتری را قطع میکند.
• و…

مدار اتصال باتری و سلول خورشیدی به آردوینو

این پیکربندی باتری را شارژ می‌کند و همچنین برق مدار را زمانی که سلول خورشیدی در حال تولید انرژی است، تامین می‌کند. در شب، مدار شارژ قطع می شود و باتری به عنوان منبع تغذیه مدار استفاده می شود.

کنترلر شارژ 03962A همچنین امکان شارژ از یک شارژر تلفن همراه 5 ولتی (کابل مینی USB) را فراهم می کند. MCP1700 به طور موثر ولتاژ را تا 3.3 ولت مورد نیاز برای Pro-Mini تنظیم می کند. برای حذف نویز و صاف کردن ولتاژ خروجی از دو خازن استفاده می شود. توجه داشته باشید که خازن 100uF دارای قطبیت است.

اگر هر دو باتری یکسان باشند، می توان باتری های لیتیوم یونی را به صورت موازی وصل کرد. دمای کارکرد آن 10 درجه سانتی گراد تا 55 درجه سانتی گراد است در حالی که دمای شارژ آن 5 درجه سانتی گراد تا 45 درجه سانتی گراد است.

با توجه به میزان تابش نور خورشیدی در منطقه شما و میزان مصرف مدار، میتوانید تصمیم بگیرید که از صفحه خورشیدی با چه اندازه ای و باتری با چه ظرفیتی استفاده کنید.