描述

本教程展示了如何創(chuàng)建一個(gè)時(shí)間開(kāi)關(guān)電池供電的太陽(yáng)能充電電路，該電路用于為 Arduino Uno 和一些外圍設(shè)備（傳感器、通信模塊等）供電。

如果你想設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄器，電源總是一個(gè)問(wèn)題。大多數(shù)時(shí)候沒(méi)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(shè)備會(huì)耗盡電池......你不想去那里充電，對(duì)吧？因此，人們提出了一種太陽(yáng)能充電電路，讓用戶可以從太陽(yáng)中獲得免費(fèi)能量來(lái)為電池充電并為您心愛(ài)的 Arduino 供電。

您將面臨的另一個(gè)問(wèn)題是 Arduino 的效率。即使您將其置于睡眠狀態(tài)，它也會(huì)消耗大量電池，“睡眠通常用于在 Arduino 板上省電。然而，對(duì)于某些 Arduino 變體，并沒(méi)有太大的好處。例如，Arduino串行和 USB 板使用 7805 類型的電源調(diào)節(jié)器，當(dāng) Atmega IC 處于空閑模式時(shí)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(huì)很高“。

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

但大多數(shù)時(shí)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(gòu)買(mǎi)更節(jié)能的設(shè)備。如果這是您的情況，那么本教程適合您。

另一個(gè)問(wèn)題是，即使您的 Arduino 正在睡覺(jué)，您的傳感器可能仍然處于活動(dòng)狀態(tài)，從而耗盡您的電池。因此，在太陽(yáng)能充電電池中添加了一個(gè)定時(shí)器電路，它只為 Arduino 供電幾秒鐘，然后再次將其關(guān)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(shù)據(jù)以及返回睡眠幾分鐘的應(yīng)用。

此處描述的電路仍在測(cè)試中，未對(duì)所使用的組件進(jìn)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(gè)電路變成 Arduino Uno 的電池供電的太陽(yáng)能充電板，但現(xiàn)在我仍在嘗試和出錯(cuò)。因此，請(qǐng)隨意評(píng)論和關(guān)注這個(gè)項(xiàng)目，使用它需要您自擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)！

我設(shè)計(jì)了這個(gè)電路來(lái)為我的 Arduino 迷你氣象站供電。它使用了一個(gè)消耗大量電力的灰塵傳感器，我想定期關(guān)閉整個(gè)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(yáng)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(yáng)能電池充電器

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首先，您必須組裝太陽(yáng)能電池充電器電路。這使用來(lái)自一些太陽(yáng)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(yáng)能供電的Arduino 氣象站deba168的精彩教程。

太陽(yáng)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(gè) 5V 升壓升壓器也連接到電池，用于將 3.7V dc 轉(zhuǎn)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(gè)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(shí)您可能已經(jīng)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(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，電池會(huì)自動(dòng)開(kāi)始充電。

請(qǐng)注意，TP4056 輸入限制在 4.5 和 5.5V 之間。在這個(gè)電路中，太陽(yáng)能電池板和電池充電器之間沒(méi)有電壓限制器。可以使用齊納二極管來(lái)限制電壓并保護(hù)您的電路。

根據(jù)您的耗電量，您的電池會(huì)快速放電。如果是這種情況，請(qǐng)執(zhí)行下一步。

第三步：定時(shí)器電路

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有很多項(xiàng)目涉及 Arduinos 和一堆傳感器。在大多數(shù)情況下，Arduino 會(huì)定期讀取傳感器并在內(nèi)部存儲(chǔ)讀數(shù)或使用 Wi-Fi、藍(lán)牙、以太網(wǎng)等傳輸它們的值......之后，它通常會(huì)進(jìn)入空閑狀態(tài)，直到到達(dá)下一個(gè)采樣時(shí)間.

在這段空閑時(shí)間里，你可能會(huì)讓你的 Arduino 進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但它不會(huì)節(jié)省很多電量。盡管微處理器降低了其功耗，但調(diào)節(jié)器和其他外圍設(shè)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(shí)器電路，它定期打開(kāi)/關(guān)閉電源。當(dāng)它打開(kāi)時(shí)，Arduino 將執(zhí)行其設(shè)置、讀取傳感器并保存或傳輸數(shù)據(jù)。所有這一切都在幾秒鐘內(nèi)完成。之后，電路將切斷電源幾分鐘，然后重新啟動(dòng)該過(guò)程。

在關(guān)閉狀態(tài)期間，定時(shí)器電路僅消耗幾毫安。

計(jì)時(shí)器電路安裝在Autodesk Circuits?上，以便在使用真實(shí)組件實(shí)施之前對(duì)其進(jìn)行模擬。

非穩(wěn)態(tài)模式下的 555 定時(shí)器電路旨在控制 Arduino 及其外圍設(shè)備何時(shí)開(kāi)啟/關(guān)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(qū)動(dòng)繼電器，該繼電器將定期切斷 Arduino 的電源。

通過(guò)選擇 R1、R2 和 C1 的值，可以確定周期（ON/OFF 循環(huán)重復(fù)所需的時(shí)間長(zhǎng)度）和占空比（輸出為 ON 的時(shí)間百分比）。增加 C1 將增加周期。增加 R1 將增加高時(shí)間 (T1)，但不影響低時(shí)間 (T0)。增加 R2 將增加高時(shí)間 (T1)、增加低時(shí)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(huì)在一半時(shí)間內(nèi)切斷電路電源，這還不夠。因此決定在定時(shí)器的輸出端添加一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)間內(nèi)為 ON。該反相輸出用于驅(qū)動(dòng)另一個(gè)晶體管 (TQ2)，該晶體管用于驅(qū)動(dòng) 5V 繼電器 (K1)，最終將切斷 Arduino 及其外圍設(shè)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(yàn)證電路的功耗。在關(guān)閉狀態(tài)下，電路指示僅消耗 0,8 mA。當(dāng)電路開(kāi)啟時(shí)（短時(shí)間），它消耗大約 40 mA，這被添加到 Arduino（和其他外圍設(shè)備）消耗的電流中。

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

考慮到這些值（5 分鐘關(guān)閉和 27 秒開(kāi)啟），具有睡眠模式的 Arduino 將消耗大約 36 mAh。如果我們使用定時(shí)器開(kāi)關(guān)電路，消耗只有8毫安左右。功耗降低 77% 對(duì)我來(lái)說(shuō)似乎很好。您還必須考慮其余電子設(shè)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(shí)器電路

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根據(jù)原理圖組裝定時(shí)器電路。

以下值可用于電阻器和電容器以實(shí)現(xiàn) 5 分鐘關(guān)閉/27 秒開(kāi)啟時(shí)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(kāi) (NO) 輸出。我意識(shí)到有些繼電器只有一個(gè)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(qǐng)注意，在圖片中我使用了不同的值，因?yàn)槲也幌氲却?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(gè)輸入（來(lái)自升壓器的 +5V/GND）和一個(gè)輸出（到 Arduino 的 +5V/GND）。

為時(shí)間電路供電，Arduino 連接到它，看看它是否工作。您不時(shí)聽(tīng)到正在啟動(dòng)的繼電器。

第 5 步：完成電路和測(cè)試

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

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(shè)計(jì)一個(gè)漂亮的外殼來(lái)保護(hù)你的電路，把它放在陽(yáng)光下，看看它是否有效！

第 6 步：功耗和運(yùn)行時(shí)間

我想對(duì)功耗和運(yùn)行時(shí)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(wú)開(kāi)關(guān)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(dòng)狀態(tài)）= 27 秒

• 離子 = 51.7 毫安

• Toff（arduino 關(guān)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(shí)器開(kāi)關(guān)電路：

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

• 噸（arduino 處于活動(dòng)狀態(tài)）= 27 秒

• 離子 = 92 毫安

• Toff（arduino 關(guān)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(shí) = 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(huì)縮短電池壽命。

這里需要注意的重要一點(diǎn)是，這個(gè)定時(shí)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。