如何為Arduino板提供環(huán)境能源

構(gòu)建一個從環(huán)境中收集能量的Arduino系統(tǒng)提供了大量的布線自由，但需要密切關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計。使用來自環(huán)境和無線鏈路的電源可以將電路板從任何布線中釋放出來，并為放置設(shè)備提供了極大的靈活性。

Arduino是一個開源電子原型設(shè)計平臺，專門針對接收傳感器輸入的業(yè)余愛好者建筑系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。這特別適用于能量收集設(shè)計，因此傳感器可以放置在正確的位置，而不必?fù)?dān)心電源和信號線。

它基于靈活，易用的硬件和軟件，適用于設(shè)計師，業(yè)余愛好者以及任何對創(chuàng)建交互式環(huán)境感興趣的人。然而，結(jié)果，該裝置沒有針對低功率進(jìn)行優(yōu)化，并且在使用能量收集方法時需要克服一些挑戰(zhàn)。

Arduino Nano板是一款小巧，完整的面包板友好型電路板，基于Armeino Nano 3.0的ATmega328處理器或Arduino Nano 2.x系列的ATmega168處理器。它只缺少直流電源插孔，可以使用Mini-B USB電纜而不是標(biāo)準(zhǔn)電纜。 Nano是由Gravitech設(shè)計和生產(chǎn)的。 16 MHz處理器的建議輸入電壓為7-12V，每個引腳有14個數(shù)字I/O引腳，每個引腳的直流電流為40 mA。 ATmega168版本中有16 KB閃存，ATmega328中有32 KB閃存，其中2 KB由引導(dǎo)加載程序使用。同樣，ATmega168有1 KB的SRAM和512字節(jié)的EEPROM，帶有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的價值在于業(yè)余愛好者開發(fā)的開源軟件以及硬件的靈活性。制造商提供電路布局，并且很容易構(gòu)建附加卡或屏蔽，以添加傳感器或通信功能。

圖1：Arduino Nano板。

從能量收集源運(yùn)行這樣的電路板有幾個問題。必須仔細(xì)考慮總功率預(yù)算，但通過輪詢輸入和數(shù)據(jù)傳輸，可擴(kuò)展的能源（如太陽能電池板）和充足的電池備份，可以對其進(jìn)行管理。

另一個問題是從電池到電路板的供電。這需要一些復(fù)雜的電源管理器件來處理Arduino電路板所需的7至12 V的較高電壓以及能量收集源中固有的較低電壓和電流。

功率預(yù)算

設(shè)計的功率預(yù)算完全取決于應(yīng)用。 14個引腳中的每一個都支持5 V的40 mA DC電流，對于各種傳感器而言，潛在功耗超過2.8 W，無需添加無線鏈路。能量收集源難以支持。但是，并非所有線路都會一直處于活動狀態(tài) - 事實(shí)上，許多線路幾乎不會被使用。因此，電路板的使用情況對于確定峰值功率要求并將其映射到能源和電池至關(guān)重要。

通過輪詢可以進(jìn)一步降低功率。對于可能每秒輪詢一次的傳感器，以及每5秒激活一次的無線鏈路，當(dāng)前的要求會大大降低，并且可以通過能量收集源更輕松地滿足。

Arduino軟件中還有幾種省電模式，由于這是開源的，因此不斷出現(xiàn)新的發(fā)展。使用看門狗和休眠功能使微控制器芯片在周期之間進(jìn)入休眠模式可以將電池壽命從4天延長到3年以上，這表明能量收集可以實(shí)現(xiàn)更低的功率預(yù)算。

這可以使用Arduino開源編程語言在設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。這基于Wiring語言，它具有與C ++相同的語法和庫，但具有簡化和修改。為了使語言易于使用，Arduino開發(fā)環(huán)境基于基于Java的Processing開源IDE。開發(fā)可以在PC或Mac上作為主機(jī)在Windows，MacOS-X或Linux下完成，也可以在主板上完成。

電源

針對Arduino電路板相對較高功率需求的最有效的能量收集源是太陽能。這可以在室內(nèi)和室內(nèi)提供大量電力來驅(qū)動電路板。

Sanyo Energy一直處于開發(fā)太陽能電池的最前沿，其重點(diǎn)是采用Amorton技術(shù)的柔性電池。這些可以組合在一起以提供電壓和電流要求，并且輕且靈活，足以在業(yè)余愛好者設(shè)計中使用。

Amorton是一種集成的非晶硅太陽能電池，它使用硅烷（SiH4）作為其源氣體，并使用等離子體氣相沉積工藝制造。在玻璃襯底上連續(xù)形成三個非晶硅層--p層，i層和n層，并且該p-i-n結(jié)對應(yīng)于晶體硅太陽能電池的p/n結(jié)。這樣就形成了一個結(jié)點(diǎn)陣列，可以為各種功率輸出獲得任何所需的電壓。

與晶體硅不同，非晶硅具有不規(guī)則的原子排列，允許更多的光被吸收，使得電池在給定的功率輸出下更薄。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的超薄非晶硅薄膜并用于發(fā)電。

圖2：三洋的Amorton太陽能電池薄膜。

電源管理

電源管理是利用能量收集來驅(qū)動Arduino電路板的關(guān)鍵。 EnerChip的電源管理器件使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換，并使用能量收集傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載阻抗匹配。它還為電路板上的AVR微控制器提供通信接口，并為輸入的能量和存儲能量水平提供能量狀態(tài)指示器。

CBC915通過動態(tài)匹配其輸入阻抗與傳感器的輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)有效地將來自外部功率傳感器的能量轉(zhuǎn)換為電路板可用的電壓和電流的功能。在阻抗匹配時，將從換能器提取最大功率。在能量收集應(yīng)用中有許多不同類型的功率傳感器;它們大致分為兩類。由于PV電池的類似二極管的電流 - 電壓（IV）特性，光伏（PV）電池是獨(dú)特的并且因此屬于它們自己的類別。 PV電池阻抗隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。隨著光強(qiáng)度增加，PV電池阻抗降低。例如，30cm2雙串聯(lián)非晶硅電池陣列的典型阻抗在1000 Lux時為1kΩ，在200 Lux時為5kΩ。

因此，將最大功率從光伏電池傳輸?shù)紺BC915能量處理器升壓轉(zhuǎn)換器需要升壓轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗響應(yīng)光強(qiáng)度的變化而動態(tài)變化，光強(qiáng)度的變化來自光伏電池阻抗的變化。

當(dāng)呈現(xiàn)匹配阻抗時，高效PV電池的輸出電壓在變化的入射光強(qiáng)度下相當(dāng)恒定。相反，效率較低的電壓的峰值功率點(diǎn)處的電壓將隨著光強(qiáng)度的變化而變化。 CBC915調(diào)整其輸入阻抗，以匹配任何類型或質(zhì)量的PV電池的輸出特性。 CBC915設(shè)計用于1系列至8系列電池的PV電池陣列，相當(dāng)于阻抗匹配約0.5 V至4 V.在大多數(shù)情況下，使用具有兩個串聯(lián)電池的PV陣列是最節(jié)能的。具有較少單元的串聯(lián)單元配置具有不會由于陰影而損失太多效率并且每單位面積具有更高效率的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)殛嚵兄械拈g隙較少而不會有助于能量轉(zhuǎn)換。

圖3：來自Cymbet的EnerChip CBC915。

另一種替代方案是EH4295微功率升壓低壓增壓器。這是一個自供電的升壓模塊，可將來自太陽能電池的低直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為適用于Arduino板的更高交流或直流電壓輸出。它不需要單獨(dú)的電源來運(yùn)行，它直接從低輸入電壓能量采集源獲得電源，從低至2μW開始，這使得板載自啟動振蕩器成為可能。

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圖4：EH4295升級Advanced Linear Devices的低壓增壓器。

EH4295的標(biāo)稱輸入阻抗為950Ω，適用于許多不同的能量產(chǎn)生源，也可用于涓流充電應(yīng)用，如電池充電器或超級充電器，包括能量輸入沒有得到很好的控制或調(diào)節(jié)。

EH4295自啟動振蕩器以約400 Hz的固有頻率振蕩，這取決于源阻抗，源電壓，輸出負(fù)載和器件中的諧振元件。

核心是MOSFET陣列。耦合到專用MOSFET陣列的板載變壓器構(gòu)成了自啟動振蕩電路的核心。振蕩器波形耦合到模塊內(nèi)部的變壓器，該變壓器提供AC輸出信號，該輸出信號的幅度受輸出負(fù)載的限制。典型的輸出負(fù)載是全波整流器，可以處理20 V以上的AC輸入和輸入功率，受EH4295輸出的限制。

當(dāng)與EH4295耦合時，能量發(fā)生器源內(nèi)部阻抗和EH4295輸入阻抗形成一個網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，能量發(fā)生器源開始向EH4295供電。一旦達(dá)到內(nèi)部振蕩閾值功率水平，振蕩開始，并開始能量傳遞。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型號和單位之間會有所不同。因此，EH4295非常適用于最低工作功率范圍非常低的高效率，低功耗應(yīng)用，以及使用其他方式無法捕獲和存儲在電池組或電容器存儲庫中的其他方式。

隨著輸入能量在能量發(fā)生器源處積聚，傳輸?shù)墓β柿恳蚕鄳?yīng)地發(fā)生變化。 EH4295的最大額定功率限制了其功率處理能力，但它確實(shí)允許外部輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器在更高的功率點(diǎn)接管。板載振蕩器產(chǎn)生的交流輸出使EH4295能夠支持其他開關(guān)電路在更高的電壓和功率水平下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

對于許多能量收集應(yīng)用，EH4295與EH300系列能量收集模塊相結(jié)合，在與低壓，低能量發(fā)電源配合使用時提供簡單而有效的解決方案，該發(fā)電源僅提供零星的間歇輸入功率。組合的EH4295和EH300系列模塊可以從零輸出功率上升到可用水平，用于操作許多遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)和需要1.8 V至6.8 V范圍內(nèi)直流電源電壓的電路。升壓的AC或DC輸出電壓電平也可用于產(chǎn)生參考DC輸出，以驅(qū)動或啟動其他電子電路，例如需要超過1.0 V的DC電源電壓才能工作的外部升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

集成電池

EnerChip CC CBC3105集成了5μAh固態(tài)電池，可在很寬的電源范圍內(nèi)充電。通過集成電池，它為需要電源橋接和/或二次電源的系統(tǒng)提供備用能量存儲和電源管理。單個EnerChip CC最多可以為10個并行連接的EnerChip充電。

在正常操作期間，EnerChip CC使用內(nèi)部電荷泵在2.5 V至5.5 V范圍內(nèi)為受控電壓充電.ENABLE引腳允許使用外部控制線激活和停用電荷泵，以便最大限度地減少電流消耗，并充分利用EnerChip的快速充電時間。

圖5：EnerChip CBC3105的高電壓模式，帶有固態(tài)電池，為微控制器提供5V電壓。

EnerChip CC可以使用各種電源供電，例如主電源或非充電電池。當(dāng)ENABLE引腳置為高電平時，電荷泵處于活動狀態(tài)并為集成電池充電。 EnerChip CC將在10分鐘內(nèi)收取80％的費(fèi)用。由于快速充電，建議一旦EnerChip CC充滿電，用戶通過強(qiáng)制降低ENABLE引腳來降低功耗。從MCU生成的信號可用于啟用和禁用EnerChip CC。

結(jié)論

為Arduino板提供環(huán)境能源并非易事，但通過太陽能電池組合為可充電存儲單元和創(chuàng)新的電源管理設(shè)備供電，可以為電路板提供正確的電流和電壓。只要仔細(xì)分析功率預(yù)算，正確數(shù)量的太陽能電池就應(yīng)該提供所需的功率，為Arduino系統(tǒng)設(shè)計人員提供高度的靈活性。