Llambë diellore e rimbushshme me energji XOD: 9 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:27

Ka llamba të lira të kopshtit/vendkalimeve diellore të disponueshme në shumicën e mallrave shtëpiake dhe dyqaneve të pajisjeve. Por siç thotë shprehja e vjetër, zakonisht merrni atë për të cilën paguani. Qarqet e zakonshme të karikimit dhe ndriçimit që ata përdorin janë të thjeshta dhe të lira, por prodhimi i dritës që merrni është gjithçka mbresëlënëse (dhe mezi mjafton për këdo që përdor vendkalimin tuaj për të parë se ku po shkon!)

Kjo është përpjekja ime për të hartuar një modul ndriçimi jashtë rrjetit që është një përmirësim domethënës, ndërkohë që është ende relativisht i lirë për tu bërë. Duke i dhënë disa "tru". XOD.io është një IDE i ri i pajtueshëm me platformën e zhvillimit të ngulitur Arduino, ku mund të "shkruani" kodin në mënyrë grafike. Mjedisi e transferon skicën tuaj grafike në C ++ moderne, e cila është jashtëzakonisht efikase në gjenerimin e kodit kompakt, dhe gjeneron burim plotësisht të pajtueshëm me stokun Arduino IDE pa kërkuar varësi të tjera të jashtme. Në këtë mënyrë edhe mikrokontrolluesit e vegjël, të lirë me burime të kufizuara të programit dhe ruajtjes së të dhënave mund të përdoren për të marrë detyra komplekse.

Ky projekt tregon se si dy mikrokontrollues të pajtueshëm me Arduino ATTiny85 që punojnë së bashku mund të përdoren për të menaxhuar kërkesat e energjisë të llambës. Procesori i parë merret me të dhënat e mjedisit të ndjerë nga pajisjet e jashtme, dhe i dyti përpiqet të marrë energjinë më të madhe nga dielli gjatë ditës, dhe më pas të kontrollojë ndriçimin e një LED me fuqi të lartë ndërsa një bateri magazinimi shkarkohet gjatë natës. Procesori i dytë e kryen punën e tij përmes një zbatimi kompakt të kontrollit të "logjikës fuzzy". Softueri për të dy çipat është zhvilluar ekskluzivisht brenda mjedisit XOD.

Hapi 1: Materialet e kërkuara

Arduino IDE, versioni i fundit, me shtrirjen ATTinyCore të instaluar nga menaxheri "Bordet"

Programues Sparkfun USBTinyISP ATTiny, 11801 ose faqe ekuivalente e produktit Sparkfun

Konvertues i rregullueshëm i rritjes së tensionit të ulët Pololu me hyrje të fikjes, U1V11A ose faqe ekuivalente të produktit Pololu

LED me fuqi të lartë të bardhë ose RGB me ngrohës, anodë të zakonshme, Adafruit 2524 ose faqe ekuivalente të produktit Adafruit

Mikroçip ATTiny85 në paketë DIP 8-pin, faqe produkti 2 Mouser

8 priza IC DIP, 2

Kondensator për ruajtjen e pjesës më të madhe, 16 v 220 uF

Kondensator dalës, 6.3v 47uF

Rezistenca kufizuese të rrymës, 50 ohm 1/4 vat

rezistenca tërheqëse i2c, 4.7k, 2

Rezistorë ndarës të sensit të tensionit të panelit, 1/4 vat, 100k, 470k

Rezistenca e sensit aktual, 10 ohm 1⁄2 watt 1% tolerancë

Kondensatorët e anashkalimit, qeramike 0.1uF, 2

2 Bateri litium-jon 3.7 v 100mAh e rimbushshme, PKCELL LP401 ose ekuivalent

Foleja e hyrjes së prizës së fuçisë për panelin, 1

Mini terminale bllokon 3”x3” pllakë ngjitëse, dhe tela të hollë me bërthamë të fortë për të bërë lidhje

Një oshiloskop, multimetër dhe furnizim me energji në stol pothuajse me siguri do të kërkohen për testim

Hapi 2: Konfigurimi i mjedisit

Mjedisi XOD nuk mbështet serinë ATTiny të përpunuesve jashtë kutisë, por duke përdorur disa biblioteka të palëve të treta nga universi Arduino është e drejtpërdrejtë të shtoni mbështetje për këtë seri AVR. Hapi i parë është të instaloni bibliotekën "ATTinyCore" nga menyja zbritëse "Tools → Board → Board → Board" e Arduino IDE. Sigurohuni që cilësimet siç tregohen në imazhin e përfshirë janë të sakta - mbani mend se duhet të shtypni "Burn bootloader" për të ndryshuar siguresat e tensionit të nxirjes dhe shpejtësisë së orës para se të ngarkoni ndonjë kod!

Kodi burimor për këtë bibliotekë është në dispozicion në:

Një bibliotekë tjetër e dobishme që duhet të keni nga depoja është "FixedPoints", e cila është një zbatim në kohë përpilimi i matematikës së pikave fikse për përpunuesit e mbështetur nga Arduino. ATTiny ka SRAM të kufizuar dhe memorien e programit, dhe ndihmon shumë me zvogëlimin e madhësisë së skicës përfundimtare për të përdorur një numër të plotë 2 bajt për ruajtjen e të dhënave të përgjithshme, në vend të një lloji të pikës lundruese, e cila kërkon 4 bajtë në AVR. Shpejtësia e ekzekutimit gjithashtu duhet të përmirësohet pasi ATTiny nuk ka një njësi të shumëzimit të harduerit, aq më pak pikë lundruese të harduerit!

Kodi burim është në dispozicion në:

Udhëzuesi se si të krijoni, shpërndani dhe vendosni skica grafike XOD në: https://github.com/Pharap/FixedPointsArduino do të ndihmojë shumë për të kuptuar se si u krijuan skedarët burim të përfshirë.

Hapi 3: Vështrim i përgjithshëm i dizajnit

Në tabelë dy procesorë ATTiny85 janë të lidhur përmes një ndërfaqe i2c dhe përdoren së bashku për të menaxhuar ndjesinë e tensionit të panelit diellor, rryma që rrjedh në bateri nga konvertuesi i përforcimit ndërsa paneli është i ndriçuar, tensioni i baterisë dhe bateria temperatura.

Konvertuesi i përforcimit është një modul jashtë raftit i bazuar në një IC Texas Instruments TPS6120, i cili mund të marrë një tension hyrës deri në 0.5 volt dhe ta rrisë atë nga 2 volt në 5 volt. Bërthama e sensorit përfshin disa blloqe funksionale. Ora kryesore fillon të funksionojë sapo të zbatohet fuqia në konvertorin e nxitjes nga hyrja e panelit diellor. Kjo fillon ekzekutimin e skicës dhe gjëja e parë është të përcaktoni nëse paneli është i ndriçuar mjaftueshëm për të siguruar rrymën e ngarkimit të baterisë.

Tensioni i panelit diellor kalohet përmes dy filtrave dixhitalë, dhe nëse është mbi një prag të caktuar sistemi përcakton që paneli është i ndriçuar dhe lidh orën kryesore në monitorin me sensin aktual. Ky është një kanal konvertues analog në dixhital i çipit, i konfiguruar në mënyrë të ndryshme, i cili ndjen tensionin në një rezistencë tolerancë 10 ohm 1% të lidhur në seri midis daljes së konvertuesit të nxitjes dhe hyrjes së baterisë. Kur paneli nuk është i ndriçuar, kjo ATTiny i dërgon një sinjal ATTiny -it të dytë duke i thënë të monitorojë fuqinë LED në vend të fuqisë së karikimit, dhe fikni konvertuesin e nxitjes dhe izoloni hyrjen në mënyrë që bateria të mos e kthejë rrymën mbrapa përmes panelit Me

Bërthama e dytë ATTiny është vendi ku ekzekutohet kontrolluesi LED dhe sistemi i monitorimit të ngarkesës së baterisë. Tensioni i panelit, tensioni i baterisë dhe të dhënat aktuale të ngarkimit të baterisë dërgohen në këtë bazë për përpunim përmes një rrjeti logjik fuzzy, i cili përpiqet të gjenerojë një sinjal të përshtatshëm PWM për të aplikuar në kunjin SHTDN, duke kontrolluar kështu sasinë e rrymës së dërguar në bateri për ta ngarkuar atë kur ndriçohet-një formë themelore e përcjelljes së pikës maksimale të fuqisë (MPPT.) Ai gjithashtu merr një sinjal nga bërthama e sensorit që i thotë nëse duhet të ndizet ose fiket LED, në varësi të daljes së ditës së bërthamës së sensorit/ rrokullisje nate.

Kur LED është aktive gjatë natës, ky ATTiny monitoron të dhënat e tensionit të baterisë që i dërgohen nga shoku i tij dhe sensorin e tij të temperaturës në çip, për të marrë një vlerësim të përafërt se sa energji po shtyhet në LED (tensioni i baterisë zvogëlohet dhe temperatura e çipit rritet me rrymën e nxjerrë nga kunjat e tij.) Rrjeti me logjikë fuzi i lidhur me arnën LED PWM përpiqet të bëjë një gjykim se sa energji e baterisë është akoma e disponueshme dhe të zvogëlojë intensitetin e LED ndërsa bateria është e varfëruar.

Hapi 4: Krijimi i arnave të personalizuara nga biblioteka kryesore XOD

Për këtë dizajn u përdorën disa nyje me porosi, disa prej të cilave mund të ndërtohen lehtësisht tërësisht nga nyjet XOD të përfshira, dhe disa të cilat u zbatuan në C ++.

E para nga dy nyjet e patch-it të personalizuara në fotografi është zbatimi i një filtri eksponencial mesatar të lëvizshëm. Ky është një filtër dixhital me kalim të ulët të ulët i përdorur në seri në skicë, një herë për të filtruar tensionin e panelit diellor në hyrje për thelbin logjik, dhe një herë tjetër për të ushqyer këmbëzën e cila përcakton ndriçimin afatgjatë të ambientit. Shihni hyrjen në Wikipedia për zbutjen eksponenciale.

Struktura e nyjeve në imazh është vetëm një përfaqësim grafik i drejtpërdrejtë i funksionit të transferimit në artikull, i lidhur së bashku duke përdorur lidhje nga hyrjet e duhura në daljet. Ekziston një nyje e shtyrjes nga biblioteka e cila lejon krijimin e një loop reagimi (XOD do t'ju paralajmërojë nëse krijoni një lak reagimi pa futur një vonesë në lak, siç përshkruhet në modelin e ekzekutimit XOD.) Me atë detaj të kujdesur për patch punon mirë, është e thjeshtë.

Nyja e dytë patch me porosi është një ndryshim në flip-flop të aksioneve të përfshirë me XOD, që ushqehet me tensionin e panelit të filtruar. Ai fiksohet lart ose poshtë në varësi të faktit nëse sinjali i hyrjes është mbi ose nën një prag të caktuar. Nyjet e hedhura përdoren për të kthyer vlerat e daljes Boolean në llojin e të dhënave të pulsit për të shkaktuar flip -flop, ndërsa gjendja kalon nga e ulët në e lartë. Dizajni i kësaj nyje patch duhet të shpresojmë të jetë disi vetë-shpjegues nga pamja e ekranit.

Hapi 5: Krijimi i arnave të personalizuara duke përdorur C ++

Për kërkesa të veçanta ku funksionimi i nyjeve të nevojshme do të ishte shumë kompleks për ta përshkruar me lehtësi në mënyrë grafike, ose që mbështeten në bibliotekat Arduino që nuk janë amtare në mjedisin e stokut Arduino, XOD e bën të lehtë për ata me disa njohuri C/C ++ të shkruajnë copa të vogla kod që më pas mund të integrohet në një arnim të njëjtë me çdo nyje tjetër të krijuar nga përdoruesi ose aksione. Zgjedhja e "krijoni një arnim të ri" nga menyja e skedarit krijon një fletë të zbrazët për të punuar, dhe nyjet hyrëse dhe dalëse mund të tërhiqen nga seksioni "nyjet" e bibliotekës kryesore. Pastaj nyja "e pa-zbatuar-në-xod" mund të tërhiqet brenda, dhe kur klikohet ajo do të sjellë një redaktues teksti ku funksionaliteti i kërkuar mund të zbatohet në C ++. Si të trajtoni gjendjen e brendshme dhe qasjen në portat hyrëse dhe dalëse nga kodi C ++ është e mbuluar këtu.

Si shembull i zbatimit të arnave të personalizuara në C ++, dy arna të tjera të personalizuara për bërthamën e shoferit përdoren për të bërë një vlerësim të tensionit të furnizimit të bërthamës së shoferit dhe temperaturës së bërthamës. Së bashku me rrjetin e tij të paqartë kjo lejon një vlerësim të përafërt të fuqisë së mbetur të baterisë në dispozicion për të ndezur LED -të kur është errësirë.

Pajisja e sensorit të temperaturës ushqehet gjithashtu me daljen e sensorit të tensionit të furnizimit për të marrë një vlerësim më të mirë - duke ndjerë temperaturën bazë na lejon të marrim një vlerësim të përafërt se sa energji po digjet në LED, dhe e kombinuar me leximin e tensionit të furnizimit kur duke e mbaruar baterinë një vlerësim tjetër i përafërt se sa energji e baterisë ka mbetur. Nuk ka pse të jetë super e saktë; nëse bërthama "e di" se LED -të po tërheqin shumë rrymë, por tensioni i baterisë po bie me shpejtësi, ndoshta është e sigurt të thuhet se fuqia e baterisë nuk do të zgjasë shumë më shumë, dhe është koha për të fikur llambën.

Hapi 6: Ndërtimi

Unë e ndërtova projektin në një pjesë të vogël të tabelës së prototipit me jastëkë bakri për pjesët e hapura. Përdorimi i bazave për IC -të ndihmon shumë për programimin/modifikimin/testimin; USBTiny ISP nga Sparkfun ka një prizë të ngjashme në bordin e tij, kështu që programimi i dy çipave përbëhet vetëm nga lidhja e programuesit në një portë USB PC, ngarkimi i kodit XOD të transpiluar nga skedarët e përfshirë Arduino.ino me cilësimet e duhura të bordit dhe programuesit, dhe pastaj hiqni butësisht patate të skuqura nga priza e programuesit dhe futini ato në prizat e protoboardit.

Moduli i konvertuesit të përforcimit të bazuar në Pololu TPS6120 vjen në një dërrasë ngritëse të bashkuar në protoboard në titujt e pin, kështu që është e mundur të kurseni hapësirë duke montuar disa përbërës nën të. Në prototipin tim vendosa dy rezistencat tërheqëse 4.7k poshtë. Këto kërkohen që autobusi i2c midis çipave të funksionojë si duhet - komunikimi nuk do të funksionojë siç duhet pa to! Në anën e djathtë të bordit është foleja hyrëse për prizën e panelit diellor dhe kondensatori i ruajtjes së hyrjes. Bestshtë mirë që të përpiqeni të lidhni prizën dhe këtë kapak drejtpërdrejt së bashku përmes "vrapimeve" të lidhësit, jo telave të lidhjes, për të marrë një rezistencë sa më të ulët të një rruge të mundshme. Shkrirjet e saldimit të ngurtë përdoren më pas për të lidhur terminalin pozitiv të kondensatorit të magazinimit direkt në terminalin e tensionit të hyrjes të modulit të nxitjes, dhe kunjin e tokëzimit të modulit të nxitësit drejtpërdrejt në kunjin e tokëzimit të prizës.

Në të djathtë dhe të majtë të prizave për dy ATTinys janë 0.1uF kondensatorë përçmues/deglitching. Këta përbërës janë gjithashtu të rëndësishëm për të mos u lënë jashtë, dhe duhet të lidhen me fuqinë e IC -ve dhe kunjat e tokëzimit përmes një rruge sa më të shkurtër dhe të drejtpërdrejtë. Rezistenca shqisore aktuale 10 ohm është në të majtë, kjo është e lidhur në përputhje me daljen nga konvertuesi i nxitimit dhe secila anë është e lidhur me një kunj hyrës të bërthamës së sensorit - këto kunja janë ngritur për të punuar si një ADC diferenciale për të matur indirekt rrymë në bateri. Lidhjet midis kunjave IC për autobusin i2c dhe kunjin e fikjes së konvertorit të rritjes, etj., Mund të bëhen duke përdorur tela lidhës në pjesën e poshtme të protoboardit, tela shumë e hollë lidhëse me bërthamë të fortë funksionon mirë për këtë. I bën ndryshimet më të lehta dhe gjithashtu duket shumë më mirë sesa të vishni kërcyesit midis vrimave në krye.

Moduli LED që kam përdorur ishte një njësi RGB me tre ngjyra, plani im ishte që të kem të tre LED-të aktivë për të prodhuar të bardhë kur bateria të jetë plotësisht e ngarkuar dhe ngadalë të zbehet LED blu në të verdhë pasi ngarkesa ishte e varfëruar. Por kjo veçori ende nuk është zbatuar. Një LED i vetëm i bardhë me një rezistencë që kufizon rrymën do të funksionojë gjithashtu.

Hapi 7: Testimi, Pjesa 1

Pas programimit të të dy IC -ve ATTiny me skedarët e përfshirë të skicës përmes programuesit USB nga mjedisi Arduino, ndihmon për të provuar që dy bërthamat në prototip po funksionojnë siç duhet para se të përpiqeni të ngarkoni baterinë nga paneli diellor. Në mënyrë ideale kjo kërkon një osciloskop bazë, multimetër dhe furnizim me energji stol.

Gjëja e parë që duhet kontrolluar është që nuk ka qarqe të shkurtra askund në tabelë para se të futni IC -të, baterinë dhe panelin në prizat e tyre për të shmangur dëmtimet e mundshme! Mënyra më e lehtë për ta bërë këtë është përdorimi i një furnizimi me energji stol që mund të kufizojë rrymën e tij të prodhimit në një vlerë të sigurt në rast të asaj situate. Kam përdorur furnizimin me stol të vendosur në 3 volt dhe kufi 100 mA i lidhur me terminalet e prizës hyrëse të panelit diellor me prizat pozitive dhe negative të furnizimit me energji elektrike. Me asgjë tjetër përveç përbërësve pasivë të instaluar, në thelb nuk duhet të regjistrohet asnjë tërheqje aktuale në monitorin aktual të furnizimit me energji elektrike për të folur. Nëse ka një rrjedhje të konsiderueshme të rrymës, ose furnizimi kalon në kufizimin e rrymës, diçka ka shkuar keq dhe bordi duhet të kontrollohet për të siguruar që nuk ka lidhje të gabuara ose kondensatorë me polaritet të kundërt.

Hapi tjetër është të siguroni që konvertuesi i nxitjes po funksionon si duhet. Ka një potenciometër me vidë në tabelë, me furnizimin me energji elektrike ende të lidhur dhe katër kunjat e konvertuesit të lidhur në mënyrë të përshtatshme potenciometri duhet të kthehet me një majë të vogël kaçavidë derisa tensioni në terminalin dalës të modulit të lexojë rreth 3.8 deri 3.9 volt. Kjo vlerë DC nuk do të ndryshojë gjatë funksionimit, bërthama e shoferit do të kontrollojë tensionin mesatar të daljes përmes pulsimit të kunjës së fikjes së modulit.

Hapi 8: Testimi, Pjesa 2

Gjëja tjetër për të kontrolluar është se komunikimi i2c po funksionon mirë, me bordin që mbaron nga stoli, IC -ja e sensorit mund të instalohet. Në një oshiloskop duhet të ketë sinjale pulsuese në pin 5 dhe pin 7 të çipit fizik, ky drejtues i2c në çip duke u përpjekur të dërgojë të dhëna te shoku i tij. Pasi të fiket bërthama e drejtuesit mund të instalohet dhe lidhja të kontrollohet përsëri me një oshiloskop, duhet të ketë një sekuencë më të madhe të pulseve të dukshme në të dyja rreshtat. Kjo do të thotë që patate të skuqura po komunikojnë në mënyrë korrekte.

Ndihmon që bateria të jetë pak e ngarkuar për provën përfundimtare të plotë. Furnizimi me stol gjithashtu mund të përdoret për ta arritur këtë, me kufirin aktual të vendosur në rreth 50 mA dhe tensionin ende në 3.8 volt, duke e lënë baterinë LiPo të lidhur drejtpërdrejt për disa minuta.

Hapi i fundit është të provoni sistemin e plotë - me gjithçka të lidhur nëse paneli është i mbuluar për dhjetë ose 15 sekonda, drita duhet të ndizet duke u drejtuar përmes daljes PWM të bërthamës së shoferit. Me panelin në rrezet e diellit të ndritshme, bateria duhet të ngarkohet nga dalja e konvertuesit të fuqisë. Rrjeti logjik fuzzy mund të inspektohet në mënyrë indirekte për të parë nëse po funksionon siç duhet duke shikuar linjën PWM që drejton pinin e fikjes së konvertuesit të nxitësit; me rritjen e ndriçimit me baterinë me gjendje të ulët ngarkimi, gjerësia e pulsit duhet të rritet, duke treguar se ndërsa më shumë energji bëhet e disponueshme nga rrezet e diellit, bërthama e shoferit po sinjalizon që të bjerë më shumë energji në bateri!

Hapi 9: Shtojca mbi Logjikën Fuzzy

Logjika fuzzy është një teknikë e të mësuarit të makinerisë që mund të përdoret në kontrollin e sistemeve harduerike ku ka pasiguri në shumë prej parametrave të sistemit që kontrollohet, duke bërë një kontribut të qartë në zgjidhjen e kontrollit të daljes për qëllimin e vështirë për tu shkruar në mënyrë matematikore. Kjo arrihet duke përdorur vlera logjike që bien diku midis 0 (false) dhe 1 (e vërtetë), duke shprehur pasiguri në një vlerë më shumë si mënyra e një njeriu ("kryesisht e vërtetë" ose "jo vërtet e vërtetë") dhe duke lejuar një zonë ari gri midis pohimeve të cilat janë 100% të vërteta dhe 100% të rreme. Mënyra se si arrihet kjo është përmes marrjes së mostrave të ndryshoreve hyrëse, mbi të cilat duhet të bazohet një vendim dhe duke i "ngatërruar" ato.

Zemra e çdo sistemi logjik fuzzy është një "kujtesë shoqëruese fuzzy". Kjo të kujton një matricë, ku në rastin e qarkut të ngarkimit të baterisë ruhet një grup 3x3 vlerash që variojnë nga 0 në 1. Vlerat në matricë mund të shoqërohen përafërsisht me mënyrën sesi një njeri do të arsyetonte se cili duhet të jetë faktori PWM që kontrollon kunjin SHTDN të konvertuesit të nxitjes, në varësi të mënyrës se si funksioni i anëtarësimit më sipër kualifikon një grup të caktuar të inputeve. Për shembull, nëse voltazhi i hyrjes në panel është i lartë, por rryma që tërhiqet në bateri është e ulët, ndoshta do të thotë që mund të tërhiqet më shumë energji dhe cilësimi PWM nuk është optimal dhe duhet të rritet. Anasjelltas, nëse voltazhi i panelit bie i ulët, por karikuesi ende po përpiqet të shtyjë një rrymë të madhe në fuqinë e baterisë gjithashtu do të humbasë, kështu që do të ishte më mirë të zvogëloni sinjalin PWM në konvertuesin e nxitjes. Sapo sinjalet hyrëse të "fuzifikohen" në një grup fuzzy, ato shumëzohen me këto vlera, të ngjashme me mënyrën se si një vektor shumëzohet me një matricë, për të gjeneruar një grup të transformuar i cili është përfaqësues i asaj se sa rëndë përmbante "njohuria" qeliza e matricës duhet të faktorizohet në funksionin përfundimtar të kombinimit.

Përdorimi i nyjës "i pazbatuar-në-xod" i cili lejon nyjet XOD që zbatojnë funksionet e personalizuara shumë të komplikuara për të qenë të arsyeshme për t'u bërë nga blloqet e ndërtimit të aksioneve, dhe pak C ++ të stilit Arduino, kujtesën asociative, funksionin e peshimit dhe " fuzzifier "të ngjashëm me blloqet e përshkruara në këtë referencë: https://www.drdobbs.com/cpp/fuzzy-logic-in-c/184408940 janë të thjeshta për t'u bërë, dhe shumë më lehtë për të eksperimentuar me to.