本文展示了如何創(chuàng)建一個(gè)由時(shí)間開關(guān)電池供電的太陽能充電電路，用于為 Arduino Uno 和一些外圍設(shè)備（傳感器、通信模塊等）供電。

如果要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄儀，電源總是一個(gè)問題。大多數(shù)時(shí)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(shè)備會沒電了……你不想去那里充電，對吧？因此，提出了一種太陽能充電電路，以利用來自太陽的免費(fèi)能量為電池充電并為您心愛的 Arduino 供電。

您將面臨的另一個(gè)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電量。

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，但它仍然會很高”。

如果您使用自己的電源電路繞過低效穩(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(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 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(shè)備。如果這是您的情況，本教程適合您。

另一個(gè)問題是，即使您的 Arduino 處于睡眠狀態(tài)，您的傳感器可能仍處于活動狀態(tài)，從而耗盡您的電池電量。因此，在太陽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)省電量。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)以及返回休眠幾分鐘的應(yīng)用。

此處描述的電路仍在測試中，未對所用組件進(jìn)行徹底分析（模型二極管、晶體管和電阻值）。我打算稍后將此電路變成用于 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(cuò)。因此，請隨時(shí)發(fā)表評論并關(guān)注此項(xiàng)目，并自擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)使用它！

第 1 步：材料

您將需要以下組件來構(gòu)建此太陽能供電電路：

Arduino Uno

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 三極管（x2）

1 兆歐電阻 （x2）

100 kohm 電阻器 （x3）

10 kohm 電阻 （x1）

100 uF 電解電容器 （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

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，并將其電壓提高到 Arduino Uno 使用的 5V。

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。5V 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，以便更容易地連接到面包板。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 Arduino Uno 供電，將其連接到 booster 的 USB 連接器，您的 Arduino 將一直工作到電池耗盡。當(dāng)陽光充足時(shí)，電池會自動開始充電。

請注意，TP4056 輸入被限制在 4.5 和 5.5V 之間。在這個(gè)電路中，太陽能電池板和電池充電器之間沒有電壓限制器。可能會使用齊納二極管來限制電壓并保護(hù)您的電路。

根據(jù)您的功耗，您的電池會快速放電。如果是這種情況，請執(zhí)行下一步。

第 3 步：定時(shí)器電路

有很多項(xiàng)目涉及 Arduinos 和一堆傳感器。在大多數(shù)情況下，Arduino 會定期讀取傳感器并在內(nèi)部存儲讀數(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，您可能會讓 Arduino 進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但這不會節(jié)省很多電量。盡管微處理器降低了其功耗，但穩(wěn)壓器和其他外圍設(shè)備（例如您的傳感器和通信模塊）仍在工作，消耗了大部分電力。

此處提出的替代方案是使用外部定時(shí)器電路，該電路周期性地打開/關(guān)閉電源。當(dāng)它打開時(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，然后重新啟動該過程。

在關(guān)閉狀態(tài)期間，定時(shí)器電路僅消耗幾毫安。

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)開啟/關(guān)閉。在非穩(wěn)態(tài)電路中，輸出電壓在 Vcc （+5V）（高態(tài)）和 GND （0V）（低態(tài)）之間連續(xù)交替。該輸出用于驅(qū)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 周期重復(fù)所需的時(shí)間長度）和占空比（輸出打開的時(shí)間百分比）。增加 C1 將增加周期。增加 R1 會增加高電平時(shí)間 （T1），但不會影響低電平時(shí)間 （T0）。增加 R2 將增加高電平時(shí)間 （T1），增加低電平時(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)只會在一半的時(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)簡單的邏輯反相器（TQ1 和 R4）。這樣，將選擇 R1、R2 和 C1 的值，使占空比約為 90%（在邏輯反相器之前）。逆變器后，只有 10% 的時(shí)間輸出為 ON。該反向輸出用于驅(qū)動另一個(gè)晶體管 （TQ2），該晶體管用于驅(qū)動 5V 繼電器 （K1），最終切斷 Arduino 及其外圍設(shè)備的電源。

在第一次模擬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)斷狀態(tài)期間，電路指示僅消耗 0.8 mA。當(dāng)電路開啟（短時(shí)間）時(shí)，它消耗大約 40 mA，這會添加到 Arduino（和其他外圍設(shè)備）消耗的電流中。

很難測量實(shí)際值，但 Arduino Uno 通常消耗大約 52 mA。

考慮到這些值（關(guān)閉 5 分鐘和開啟 27 秒），具有睡眠模式的 Arduino 將消耗大約 36 mAh。如果使用定時(shí)開關(guān)電路，耗電量只有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(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 4 步：組裝定時(shí)器電路

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 秒開啟時(shí)間：

R1 = 2 兆歐

R2 = 200 千歐

R4 = 10 歐姆

R5 = 10千歐姆

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常閉輸出，雖然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?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（+5V/GND 來自升壓器）和一個(gè)輸出（+5V/GND 到 Arduino）。

為時(shí)間電路供電，將 Arduino 連接到它，看看它是否工作。您會不時(shí)聽到繼電器被啟動的聲音。

第 5 步：完成電路和測試

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

Arduino 將每 5 分鐘通電一次并保持 27 秒。您可以更改這些值，為之前描述的電阻器和電容器選擇不同的值。

設(shè)計(jì)一個(gè)漂亮的外殼來保護(hù)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(yùn)行時(shí)間

我想對功耗和運(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：

不帶開關(guān)電路（使用睡眠模式）：

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

噸（Arduino 處于活動狀態(tài)）= 27 秒

離子 = 51.7 mA

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 毫瓦時(shí)

電池壽命 = 11100/181 = 61 小時(shí) = 2.5 天

帶定時(shí)開關(guān)電路：

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

噸（arduino 處于活動狀態(tài)）= 27 s

離子 = 92 mA

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 毫瓦時(shí)

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，這兩種情況肯定會縮短電池壽命。

這里要注意的重要一點(diǎn)是，該定時(shí)器電路還將節(jié)省一些降低傳感器功率的能量，而睡眠模式將繼續(xù)降低微處理器的消耗。