XOD қуат алатын күн батареясы: 9 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:27

Көптеген тұрмыстық тауарлар мен жабдықтар дүкендерінде арзан күн бақшасы/жүру шамдары бар. Бірақ ескі мақалада айтылғандай, сіз әдетте төлейтін нәрсені аласыз. Әдетте олар қолданатын зарядтау мен жарықтандыру схемалары қарапайым және арзан, бірақ сіз алатын жарық шамасы әсерлі (және сіздің жүру жолыңызды пайдаланып жүргендердің қайда бара жатқанын көруге әрең жетеді!).

Бұл менің желіден тыс жарықтандыру модулін жобалауға талпынысым, бірақ оны әзірге салыстырмалы түрде арзан. Оған «ми» беру арқылы. XOD.io - бұл Arduino ендірілген платформасымен үйлесімді жаңа IDE, онда сіз кодты графикалық түрде «жаза» аласыз. Қоршаған орта сіздің графикалық эскизіңізді заманауи C ++ тіліне көшіреді, ол ықшам кодты құруда өте тиімді және қосымша сыртқы тәуелділікті қажет етпестен Arduino IDE қорымен толық үйлесімді көзді жасайды. Осылайша, күрделі тапсырмаларды орындау үшін шектеулі бағдарлама мен деректерді сақтау ресурстары бар шағын, арзан микроконтроллерлерді де қолдануға болады.

Бұл жоба екі Arduino үйлесімді ATTiny85 микроконтроллерінің шамның қуат талаптарын басқару үшін қалай қолданылатынын көрсетеді. Бірінші процессор сыртқы аппараттық құралдан қоршаған ортаның сенсорлық деректерін өңдейді, ал екіншісі күндізгі уақытта күн сәулесінен барынша көп энергия жинауға тырысады, содан кейін қуатты жарық диодты жарықтандыруды бақылайды, себебі батарея түнде зарядсыздандырылады. Екінші процессор өз жұмысын «анық емес логиканы» басқару арқылы жүзеге асырады. Екі чипке арналған бағдарламалық қамтамасыз ету тек XOD ортасында жасалды.

1 -қадам: Қажетті материалдар

Arduino IDE, соңғы нұсқасы, ATTinyCore кеңейтімі «тақталар» менеджерінен орнатылған

Sparkfun USBTinyISP ATTiny бағдарламашысы, 11801 немесе баламалы Sparkfun өнім беті

Pololu реттелетін төмен вольтты күшейткіш түрлендіргіші, U1V11A немесе оған ұқсас Pololu өнім беті

Жылытқыш, жалпы анод, Adafruit 2524 немесе баламалы Adafruit өнім беті бар жоғары қуатты ақ немесе RGB светодиодты

Microchip ATTiny85 8 істікшелі DIP пакетінде, 2 Mouser өнім бетінде

8 істікшелі DIP IC розеткалары, 2

Көлемді сақтау конденсаторы, 16 в 220 уФ

Шығу конденсаторы, 6.3v 47uF

Ток шектейтін резисторлар, 50 Ом 1/4 ватт

i2c тартылатын резисторлар, 4.7к, 2

Панельдік кернеуді ажырататын резисторлар, 1/4 ватт, 100к, 470к

Ағымдық резистор, 10 Ом 1⁄2 ватт 1% төзімділік

Айналым конденсаторлары, 0,1uF керамика, 2

2 3.7 v 100mAh литий-ионды қайта зарядталатын батарея, PKCELL LP401 немесе оған балама

Панель үшін баррель штепсельдік кіріс ұясы, 1

3 «x3» дәнекерлеуші тақтайшасы бар шағын терминал блоктары және қосылуға арналған жіңішке қатты сым

Тестілеу үшін осциллограф, мультиметр және стендтік қуат көзі қажет болады

2 -қадам: Қоршаған ортаны реттеу

XOD ортасы ATTiny процессорларының сериясын қораптан қолдамайды, бірақ Arduino әлемінің үшінші тарап кітапханаларын қолдана отырып, осы AVR сериясына қолдау қосу оңай. Бірінші қадам - Arduino IDE -нің «Құралдар → тақта → тақта менеджері» ашылмалы мәзірінен «ATTinyCore» кітапханасын орнату. Қосылған суретте көрсетілген параметрлердің дұрыстығына көз жеткізіңіз - кез келген кодты жүктемес бұрын қоңырау кернеуі мен сағат жылдамдығының сақтандырғыштарын өзгерту үшін «Жүктегішті күйдіру» түймесін басу керектігін ұмытпаңыз!

Бұл кітапхананың бастапқы коды:

Репозиторийдегі тағы бір пайдалы кітапхана-бұл Arduino қолдайтын процессорлар үшін бекітілген нүктелік математиканы компиляциялауды жүзеге асыратын «FixedPoints». ATTiny -де SRAM мен бағдарламалық жады шектеулі, бұл AVR -де 4 байтты қажет ететін өзгермелі нүкте түрін емес, жалпы деректерді сақтау үшін 2 байтты бүтін санды пайдалануға эскиздің соңғы өлшемін кішірейтуге көмектеседі. Орындау жылдамдығын жақсарту керек, өйткені ATTiny-де аппараттық көбейту қондырғысы жоқ, аппараттық өзгермелі нүкте аз!

Бастапқы код мына жерде қол жетімді:

Https://github.com/Pharap/FixedPointsArduino сайтында XOD графикалық эскиздерін құру, көшіру және орналастыру бойынша оқулық қосылған файлдардың қалай жасалғанын түсінуге көп көмектеседі.

3 -қадам: Дизайнға шолу

Бортта i2c интерфейсі арқылы екі ATTiny85 процессоры қосылған және олар күн панелінің кернеуін, панель жарықтандырылған кезде аккумуляторға аккумуляторға түсетін токты, батарея кернеуі мен батареяны басқару үшін қолданылады. температура.

Күшейткіш түрлендіргіші-бұл TPS6120 IC Texas Instruments негізіндегі модуль, ол кіріс кернеуін 0,5 вольтке дейін қабылдай алады және оны 2 вольттан 5 вольтке дейін көтере алады. Сенсорлық ядро бірнеше функционалды блоктардан тұрады. Негізгі сағат күн панелінің кірісінен күшейткіш түрлендіргішке қуат берілгеннен кейін жұмыс істей бастайды. Бұл эскиздің орындалуын бастайды, және біріншіден, батареяның зарядтау тогын беру үшін панельдің жеткілікті жарықтандырылғанын анықтау.

Күн панелінің кернеуі екі сандық сүзгіден өтеді, егер ол белгілі бір шектен жоғары болса, жүйе панельдің жарықтандырылғанын анықтайды және негізгі сағатты ағымдағы мониторға қосады. Бұл дифференциалды түрде конфигурацияланған чиптің цифрлық түрлендіргіш арнасы, ол түрлендіргіштің шығысы мен аккумулятордың кірісі арасында тізбектей жалғанған 10 Ом 1% төзімділік резисторының кернеуін сезеді. Панель жарықтандырылмаған кезде, бұл ATTiny екінші ATTiny -ге сигнал жібереді, ол зарядтаудың орнына жарықдиодты қуатты бақылап отыруын, күшейткішті түрлендіргішті өшіріп, кірісті оқшаулауын талап етеді, сондықтан батарея токты панель арқылы жібермейді..

Екінші ATTiny ядросы - бұл жарықдиодты контроллер мен батареяның зарядталуын бақылау жүйесі. Панель кернеуі, аккумулятор кернеуі және аккумулятор зарядтау ток деректері логикалық желі арқылы өңдеу үшін осы ядроға жіберіледі, ол SHTDN түйреуішін қолдану үшін тиісті PWM сигналын шығаруға тырысады, осылайша аккумуляторға жіберілетін ток мөлшерін бақылайды. жарықтандырылған кезде оны зарядтау-максималды қуат нүктесін бақылаудың негізгі түрі (MPPT.) Ол сенсордың ядросынан күндізгі шығысқа байланысты жарық диодты қосу немесе өшіру керектігін білдіретін сигнал алады. түнгі флип.

Жарықдиодты түнде қосулы кезде, ATTiny оған жолдасынан және батареядағы кернеу температурасының сенсорынан жіберілген батареяның кернеу деректерін бақылайды, сондықтан жарықдиодты шамға қанша қуат түсетінін болжауға болады. және микросхеманың температурасы оның түйреуіштерінен шыққан кезде жоғарылайды.) LED PWM патчімен байланысты анық емес логикалық желі батарея қуаты әлі де бар екендігі туралы шешім қабылдауға тырысады және аккумулятор таусылғанда жарық диодты қарқындылығын төмендетеді.

4 -қадам: XOD Core кітапханасынан реттелетін патчтарды жасау

Бұл дизайн үшін бірнеше реттелетін патч түйіндері пайдаланылды, олардың кейбіреулері толығымен XOD түйіндерінен оңай құрастырылуы мүмкін, ал кейбіреулері C ++ - те енгізілген.

Суреттердегі екі реттелетін патч түйіндерінің біріншісі-экспоненциалды жылжымалы орташа сүзгі. Бұл бір рет логикалық ядро үшін күн батареясының кіріс кернеуін сүзу үшін, ал тағы бір рет қоршаған ортаның ұзақ мерзімді жарықтандырылуын анықтайтын триггерді беру үшін, эскизде сериялы түрде қолданылатын, төмен өтетін цифрлық сүзгі. Экспоненциалды тегістеу туралы Википедия жазбасын қараңыз.

Кескіндегі түйін құрылымы - бұл тиісті кірістерден шығуларға сілтемелерді қолдана отырып, мақаладағы тасымалдау функциясының тікелей графикалық көрінісі. Кітапханада кері байланыс циклын құруға мүмкіндік беретін кешіктіру түйіні бар (егер сіз XOD орындалу үлгісінде сипатталғандай, циклге кідіріссіз кері байланыс циклын жасасаңыз, XOD ескертеді.) патч жақсы жұмыс істейді, бұл қарапайым.

Екінші реттелетін түйін-бұл сүзгіден өткізілген панельдік кернеумен қоректенетін XOD құрамындағы флип-флоптың өзгеруі. Ол кіріс сигналының белгілі бір шекті мәннен жоғары немесе төмен болуына байланысты жоғары немесе төмен ілінеді. Күй түйіндері флип -флопты іске қосу үшін логикалық шығыс мәндерін импульстік деректер түріне түрлендіру үшін қолданылады, себебі күй төменнен жоғарыға ауысады. Бұл патч түйінінің дизайны скриншоттан біршама түсінікті болуы керек.

5 -қадам: C ++ көмегімен реттелетін патчтарды құру

Арнайы талаптар үшін, түйіннің функционалдығы графикалық түрде оңай бейнеленуі мүмкін емес немесе Arduino қорына жатпайтын Arduino кітапханаларына сүйенетін, XOD кейбір C/C ++ білімі барларға өлшемді бөліктерді жазуды жеңілдетеді. кез келген басқа пайдаланушы немесе қор түйіні сияқты патчқа біріктіруге болатын код. Файл мәзірінен «жаңа патч жасауды» таңдау жұмыс үшін бос парақ жасайды, ал кіріс және шығыс түйіндерін негізгі кітапхананың «түйіндер» бөлімінен сүйреп апаруға болады. Содан кейін «орындалмаған-xod» түйінін апаруға болады, және ол басылғанда мәтіндік редактор пайда болады, онда қажетті функцияны C ++-те іске асыруға болады. Ішкі күйді қалай басқаруға болады және C ++ кодынан кіріс және шығыс порттарына кіру мұнда қарастырылады.

C ++ - те реттелетін патчтарды енгізуге мысал ретінде, жүргізуші ядросының кернеуі мен ішкі температураны бағалау үшін драйвер өзегіне арналған қосымша екі қосымша патч қолданылады. Бұл бұлыңғыр желімен қатар, қараңғыда жарықдиодты жарықтандыруға болатын батареяның қалған қуатын шамамен бағалауға мүмкіндік береді.

Температура сенсоры патч сонымен қатар жақсы кернеу сенсорының шығысымен қамтамасыз етіледі - ішкі температураны сезу жарықдиодты шамдарда қанша қуат жанып жатқанын шамамен бағалауға мүмкіндік береді және кернеуді оқу кезінде қосылады. аккумулятордың заряды қанша батарея қуаты қалғанын тағы да болжап бағалау. Бұл өте дәл болуы керек емес; Егер ядро светодиодтар көп ток алатынын, бірақ батарея кернеуі тез төмендейтінін «білсе», батарея қуаты ұзаққа созылмайды деп айтуға болады және шамды өшірудің уақыты келді.

6 -қадам: құрылыс

Мен жобаны тесік бөліктерге арналған мыс жастықшалары бар прототиптеу тақтасының кішкене бөлігіне салдым. IC үшін розеткаларды қолдану бағдарламалауға/өзгертуге/тестілеуге көп көмектеседі; Sparkfun -дың USBTiny провайдерінде осындай ұя бар, сондықтан екі чипті бағдарламалау бағдарламашыны компьютердің USB портына қосудан, сәйкес тақта мен бағдарламашы параметрлері бар Arduino.ino файлдарынан аударылған XOD кодын жүктеуден тұрады. содан кейін чиптерді бағдарламашының ұясынан ақырын алып тастап, оларды протободы ұяшықтарға салыңыз.

Pololu TPS6120 негізіндегі күшейткіш түрлендіргіш модулі түйреуіштер үстіңгі тақтасына дәнекерленген көтергіш тақтада орналасқан, сондықтан оның астына кейбір компоненттерді орнату арқылы орынды үнемдеуге болады. Менің прототипімде мен 4.7k тартатын екі резисторды астына қойдым. Бұл чиптер арасындағы i2c шинасының дұрыс жұмыс істеуі үшін қажет - оларсыз байланыс дұрыс жұмыс істемейді! Тақтаның оң жағында күн панелінің штепсельінің кіріс ұясы мен кіріс сақтау конденсаторы орналасқан. Мүмкіндігінше төмен қарсылыққа жету үшін, домкрат пен бұл қақпақты сым емес, дәнекерлеу арқылы тікелей қосуға тырысқан жөн. Содан кейін қатты дәнекерлегіштер сақтау конденсаторының оң терминалын күшейту модулінің кіріс кернеу терминалына тікелей қосу үшін, ал күшейткіш модулінің жерге тұйықтауышын ұяның жерге тұйықтауышына тікелей қосу үшін қолданылады.

Екі ATTinys розеткасының оң және сол жағында конденсаторлар 0,1uF бар. Бұл компоненттердің кетіп қалмауы да маңызды, және оларды қысқа тұйықталу нүктелері мен қысқа тұйықтауыштарға мүмкіндігінше қысқа жолмен қосу керек. 10 Ом ток резисторы сол жақта, ол күшейткіш түрлендіргіштің шығуына сәйкес қосылады және әр жағы сенсордың негізгі кіріс түйреуішіне қосылады - бұл түйреуіштер жанама өлшеу үшін дифференциалды ADC ретінде жұмыс істеуге арналған. аккумуляторға ток. I2c шинасына арналған IC түйреуіштері мен күшейткіш түрлендіргіштің сөндіру түйреуішіне және т.б. арасындағы байланыстар прото тақтаның астындағы қосқыш сымды қолдана отырып жасалуы мүмкін, бұл үшін өте жұқа қатты ядролы сым жақсы жұмыс істейді. Бұл өзгерістерді жеңілдетеді, сонымен қатар үстіңгі тесіктер арасында секіргіштерді жүгіруден гөрі ұқыпты көрінеді.

Мен қолданған жарықдиодты модуль үш түсті RGB қондырғысы болды, менің жоспарым-аккумулятор толық зарядталған кезде ақ түс шығару үшін барлық үш жарық диодты қосу және заряд таусылғанда көк жарық диодты ақырын сары түске айналдыру. Бірақ бұл функция әлі енгізілген жоқ. Бір токты шектейтін резисторы бар жалғыз ақ жарық диодты да жақсы жұмыс істейді.

7 -қадам: Тестілеу, 1 -бөлім

ATTiny IC -ді USB бағдарламашысы арқылы Arduino ортасынан алынған эскиздік файлдармен бағдарламалағаннан кейін, батареяны күн батареясынан зарядтау алдында прототиптегі екі ядро дұрыс жұмыс істейтінін тексеруге көмектеседі. Ең дұрысы, бұл үшін негізгі осциллограф, мультиметр және стендтік қуат көзі қажет.

Тексеру керек бірінші нәрсе - ықтимал зақымдарды болдырмау үшін, розеткаларға розеткаларды, батареяны және панельді қоспас бұрын, тақтада еш жерде қысқа тұйықталу жоқ! Мұны істеудің ең оңай жолы - бұл жағдайда шығыс токын қауіпсіз мәнмен шектей алатын стендтік қуат көзін пайдалану. Мен күн батареясының кіріс ұясының терминалдарына оң және теріс қуат көзіне қосылған 3 вольтты және 100 мА шекті кернеу жиынтығын қолдандым. Пассивті компоненттерден басқа ештеңе орнатылмағандықтан, электрмен жабдықтаудың ағымдағы мониторында айтылатын токтың тіркелуі болмауы керек. Егер елеулі ток ағыны болса немесе қоректену ток шектеуіне өтсе, онда бірдеңе дұрыс болмады және тақтаны бұрмаланған қосылымдар немесе полярлығы кері конденсаторлар жоқтығына тексеру керек.

Келесі қадам - күшейткіш түрлендіргіштің дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету. Тақтада бұрандалы-потенциометр бар, қуат көзі әлі де қосылған және түрлендіргіштің төрт түйреуіші тиісті түрде қосылған, модульдің шығыс терминалындағы кернеу 3,8-3,9 вольт шамасында болғанша потенциометрді кішкене бұрағыш ұшымен бұру керек. Бұл тұрақты ток мәні жұмыс кезінде өзгермейді, драйвер ядросы модульдің өшіру штырын импульстеу арқылы орташа шығыс кернеуін басқарады.

8 -қадам: Тестілеу, 2 -бөлім

Келесі тексерілетін нәрсе - i2c байланысы жақсы жұмыс істейді, тақта жұмыс істемей тұрғанда, сенсорлық ядро IC орнатуға болады. Осциллографта физикалық микросхеманың 5 және 7 түйреуіштерінде импульстік сигналдар болуы керек, бұл чиптегі досына деректерді жіберуге тырысатын i2c драйвері. Драйвер өзегін орнатқаннан кейін қосылымды осциллографпен қайта тексеруге болады, екі жолда да импульсті импульстердің үлкен тізбегі болуы керек. Бұл чиптердің дұрыс байланысқанын білдіреді.

Бұл соңғы толық сынақ үшін батареяны аздап зарядтауға көмектеседі. Мұны істеу үшін стендтік жабдықты пайдалануға болады, ағымдағы шекті шамамен 50 мА және кернеу 3,8 вольтте, LiPo аккумуляторы бірнеше минутқа тікелей қосылып қалады.

Соңғы қадам - бұл жүйенің толық жұмысын тексеру - егер бәрі панель он немесе 15 секундқа жабылған болса, бәрі қосылып тұрғанда, жарық драйвер ядросының PWM шығысы арқылы қосылуы керек. Панель ашық күн сәулесінде болған кезде, батарея күшейткіш түрлендіргіштің шығысынан зарядталуы керек. Бұлыңғыр логикалық желінің күшейткіш түрлендіргішінің сөндіруші түйреуішін басқаратын PWM желісіне қарап, оның дұрыс жұмыс істейтінін тексеру үшін жанама түрде тексеруге болады; Батарея зарядталмаған кезде жарықтандыру жоғарыласа, импульстің ені ұлғаюы керек, бұл күн сәулесінен көбірек қуат алатын кезде, драйвердің ядросы батареяға көбірек қуат жіберілетінін көрсетеді!

9 -қадам: анық емес логикаға қосымша

Бұлыңғыр логика - бұл басқарылатын жүйенің көптеген параметрлерінде белгісіздік бар аппараттық жүйелерді басқаруда қолдануға болатын машиналық оқыту әдісі, бұл мақсатты математикалық түрде жазуға қиын болатын шығыс басқару шешіміне нақты кіріс береді. Бұл 0 (жалған) мен 1 (ақиқат) арасындағы логикалық мәндерді қолдану арқылы жүзеге асады, белгісіздіктің мәнін адам сияқты («шынайы» немесе «шындыққа сәйкес емес») білдіру және сұр аймаққа рұқсат беру. 100% шын және 100% жалған мәлімдемелер арасында. Бұған қол жеткізу әдісі - бастапқыда шешімге негізделуі қажет кіріс айнымалыларының үлгілерін алу және оларды «түсіндіру».

Кез келген анық емес логикалық жүйенің жүрегі - «анық емес ассоциативті жады». Бұл матрицаны еске салады, онда аккумуляторды зарядтау тізбегі кезінде 3x3 мәндері 0 мен 1 аралығында сақталады. Матрицадағы мәндер, жоғарыда көрсетілген мүшелік функциясы берілген кірістер жиынтығына қаншалықты сәйкес келетініне байланысты, күшейткіш түрлендіргіштің SHTDN түйреуішін басқаратын PWM коэффициенті қандай болу керектігін адамның қалай ойлайтынымен байланысты болуы мүмкін. Мысалы, егер панельдің кіріс кернеуі жоғары болса, бірақ аккумуляторға түсетін ток төмен болса, бұл көп қуатты алуға болатынын білдіреді және PWM параметрі оңтайлы емес және оны көбейту керек. Керісінше, егер панельдің кернеуі төмендесе, бірақ зарядтағыш әлі де үлкен токты аккумулятор қуатына жіберуге тырысса, ол да ысырап болады, сондықтан PWM сигналын күшейткіш түрлендіргішке төмендеткен дұрыс. Кіріс сигналдары анық емес жиынтыққа «анықталғаннан» кейін, олар «білім» ұяшығының қаншалықты ауыр екенін көрсететін түрлендірілген жиынты құру үшін векторды матрицамен көбейту әдісіне ұқсас осы мәндерге көбейтіледі. матрицаның соңғы комбинация функциясына қосылуы керек.

Арнайы функционалдылықты жүзеге асыратын XOD түйіндерін қордың құрылыс блоктарынан және Arduino стиліндегі кішкене C ++, ассоциативті жады, салмақтау функциясы және бұл анықтамада сипатталған блоктарға ұқсас фузификатор: https://www.drdobbs.com/cpp/fuzzy-logic-in-c/184408940 жасау оңай және тәжірибе жасау оңай.