Como usar painéis solares para alimentar o Arduino

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Se qualquer um dos projetos que você criar for projetado para portabilidade ou uso de monitoramento remoto, geralmente será necessário o uso de fontes de energia criativas. A energia solar geralmente pode ser uma solução útil para alimentar esses dispositivos. Neste tutorial, discutiremos como selecionar o painel solar adequado com base em seus requisitos de energia, principalmente para projetos usando o Arduino. Também abordaremos o gerenciamento de energia e os controladores de carga.

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Componentes necessários para este projeto:

  • Arduino Pro-Mini 3.3 V ou Arduino Nano
  • TP4056 (03962A gerenciamento de energia, controlador de carregamento
  • Capacitor 100 Mega Farad
  • Capacitor 100 nano Farad
  • MCP1700-3302E regulador de tensão de 3.3V
  • Bateria de lítio de 2000 mAH *
  • Painel solar de 6V DC, 500 mA *
  • Breadboard
  • Jumper wires

* Os valores reais dependerão dos requisitos de energia do seu projeto.

Selecionando o Arduino Certo para o seu Projeto

Neste exercício, compararemos os três diferentes Arduino placas para ver qual melhor se adapta às suas necessidades. Aqui estão listados os vários atributos usados ​​para determinar o mais adequado para o nosso exemplo.

A UNO do Arduino será nossa plataforma de referência. Vamos começar listando os atributos e depois comparar as três placas.

Arduino UNO

  • Microcontrolador ATmega328P, microcontrolador da família AVR de 8 bits
  • Tensão de operação: 5V DC
  • Tensão de entrada 7 – 12V DC
  • Entradas analógicas: 6
  • E / S digital: 14, 6 PWM
  • SRAM: 2KB
  • EEPROM: 1KB
  • Flash 32K
  • Velocidade do relógio: 16 Mhz
  • Conexão USB
  • Potência (inativa) 50 mA
  • Tamanho: 2,7 “X 2,1”

Arduino NANO

  • Microcontrolador ATmega328P, microcontrolador da família AVR de 8 bits
  • Tensão de operação: 5V DC
  • Tensão de entrada 7-12V DC
  • Entradas analógicas: 8
  • E / S digital: 22, 6 PWM
  • SRAM: 2KB
  • EEPROM: 1KB
  • Flash 32K
  • Velocidade do relógio: 16 Mhz
  • Conexão USB
  • Potência (inativa) 19 mA
  • Tamanho: 1,7 “X .73”

Arduino Pro-Mini 3.3 V

  • Microcontrolador ATmega328P, microcontrolador da família AVR de 8 bits
  • Tensão de operação: 3.3V DC
  • Tensão de entrada 3.3-12V DC
  • Entradas analógicas: 6
  • E / S digital: 14, 6 PWM
  • SRAM: 2KB
  • EEPROM: 1KB
  • Flash 32K
  • Velocidade do relógio: 8 Mhz
  • Potência (inativa) 4,7 mA
  • Tamanho: .7 “X 1.3”
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Todas as três placas incorporam o mesmo microcontrolador. Eles têm quase o mesmo número de portas analógicas, portas digitais, portas PWM, e configuração de memória. A variação mais significativa está na velocidade do relógio, requisitos de energia e tamanho físico das placas.

O objetivo principal ao projetar um dispositivo funcionando com energia solar seria reduzir o consumo de energia. Com esse objetivo e os atributos dados acima, agora comparamos e escolhemos entre Arduino Uno, Nano e Pro Mini.

Um Arduino Uno extrai aproximadamente 50 mA mais de duas vezes e meia o que um Nano exige a 19 mA. O Pro Mini com 4,7 mA traz 11 vezes menos que um UNO. E comparando os três, o Pro-Mini é consideravelmente menor e mais barato.

Velocidade do relógio do Pro-Mini

Além do poder consumo, a grande diferença é a velocidade do relógio do Pro-Mini. Essa velocidade mais lenta do relógio é responsável pela redução mais significativa de energia necessária para o Pro-Mini. Dependendo da sua aplicação, isso pode ou não afetar adversamente o circuito.

Outra diferença é que o Pro-Mini não incorpora um controlador host USB. Essa omissão requer que você use um controlador FTDI para programar o Pro-Mini, possivelmente adicionando algum custo ao seu projeto. A eliminação do consumo de energia do controlador USB é reduzida, bem como o preço e tamanho gerais.

No seu design, você pode usar o Nano se você precisar da velocidade extra do relógio ou, possivelmente, precisar conectar periféricos de 5V. Há também um Arduino Pro-Mini de 5 volts disponível que funciona com um relógio de 16 Mhz. Se você optar por usar um Arduino de 5V, basta adicionar um conversor de reforço após o fornecimento de 3,3V (conversor de modelo DC para DC modelo Amazon600600). Mas para este exercício, usaremos o 3.3-V Pro-Mini.

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O Arduino Pro-Mini sem carga gasta menos de 5mA

Reservatório de carga (fonte de bateria)

Muitas baterias recarregáveis ​​estão disponíveis para executar o Pro-Mini. Neste exemplo, usaremos uma bateria de íons de lítio que fornece uma fonte de 3,7 V de uma única célula.

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Ao decidir usar uma bateria de íon de lítio, fatores de segurança devem ser considerados. Observe que as baterias de íon de lítio, se mal utilizadas ou mal manuseadas, podem pegar fogo ou explodir. É necessário tomar precauções extras, considerando que a bateria possui uma quantidade alta de energia e conteúdo químico volátil.

Para evitar esses problemas em potencial, os controladores de carga da bateria de lítio foram projetados para controlar com segurança as taxas de carga e descarga.

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Carga e proteção da bateria

O módulo de proteção e carga da bateria TP4056 aborda as seguintes preocupações sobre o carregamento e a manutenção de baterias de íons de lítio:

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  • Gerencia corrente constante a carga de tensão constante de uma bateria de lítio conectada
  • Proteção contra descarga excessiva – impede que a bateria descarregue abaixo de 2,4V.
  • Proteção contra sobrecarga – carrega com segurança a bateria em 4.2V.
  • Proteção contra sobrecorrente e curto-circuito – corte a saída da bateria se a taxa de descarga exceder 3A ou no caso de um curto-circuito.
  • Carga lenta (recondicionamento da bateria) – o nível de voltagem da bateria conectada é menor que 2,9V. Além disso, o módulo usará uma corrente de carga lenta de 130mA até que a tensão da bateria atinja 2,9V. Nesse ponto, a corrente de carga será linearmente aumentada para a corrente de carga configurada.
  • Proteção de partida suave – limita a corrente de partida.
Célula solar, controlador de carga / proteção contra subtensão, bateria de lítio e circuito regulador de tensão

Essa configuração carrega a bateria e fornece energia ao circuito quando a célula solar está produzindo energia. À noite, o circuito de carga se desconecta e a bateria é usada como fonte de energia para o circuito.

O controlador de carregamento 03962A também permite o carregamento a partir de um carregador de celular de 5 V (mini cabo USB). O MCP 1700 regula efetivamente a tensão nos 3,3 V necessários para o Pro-Mini. Dois capacitores são usados ​​para eliminar o ruído e suavizar a tensão de saída. Observe que o capacitor de 100 mfd tem uma polaridade.

As baterias de íon de lítio podem ser conectadas em paralelo se as duas baterias forem idênticas. Sua temperatura de operação é de 10 ° C a 55 ° C, enquanto a temperatura de carregamento é de 5 ° C a 45 ° C.

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Conecte o circuito acima usando um amperímetro conectado ao VCC para medir a quantidade de corrente que seu circuito está usando. Use o conector USB para fornecer energia inicialmente ao circuito de carregamento.

Selecionando a bateria de célula solar e lítio

No próximo artigo, abordaremos maneiras de incorporar a economia de energia ao seu código, o que ajudará a reduzir a corrente consumida pela bateria.

Tendo em conta os requisitos de energia do seu circuito concluído, você pode começar a projetar o circuito de energia.

Começamos com a suposição de que seu dispositivo será usado remotamente, funcionando 24 horas por dia, sete dias por semana. Você deve usar o dia com menos sol em 24 horas e é 21 de dezembro. Para ajudar a determinar a quantidade de sol em sua área, você pode consultar este site: http://latlong.net.

Depois de calcular sua latitude, você pode consultar aqui para ver quantas horas de luz do dia você pode receber em dezembro. No meu caso, o gráfico mostra que durante o solstício de dezembro, o sol brilha 10 horas por dia em San Antonio.

O próximo cálculo que você pode verificar aqui determina a taxa pela qual você pode esperar que o sol brilhe, levando em consideração os dias nublados. Para minha localização, posso esperar 67% do tempo em 21 de dezembro, recebendo 10 horas de luz solar.

Cálculo de tamanhos de painel solar e bateria

Agora, calcularemos o tamanho do painel solar e da bateria para alimentar meu circuito que consome 23 mA. Usando as porcentagens calculadas acima, isso significa que terei 6,7 horas de luz solar para carregar o tempo no dia mais curto do ano (67% de 10 horas = 6,7 horas).

Dado o cálculo acima, meu circuito consumirá 522 mAH / dia (23 mA x 24 horas = 522 mAH / dia). Se tivermos 6,7 horas de luz solar, a fonte de alimentação deverá fornecer 82 mAH (552 mAH / 6,7 horas de luz do dia = 82 mAH). Para garantir a segurança e responder por dois dias muito nublados, devemos dobrar a taxa (82 mAH X 2 = 164 mAH).

Diante disso, devemos escolher um painel solar capaz de pelo menos 5-7 V @ 164 mAH e uma bateria de lítio classificada em 1044 mAH. Para ser conservador, meu painel solar é classificado em 6 V a 500 mAH; a bateria de íons de lítio é classificada em 2000 mAH.

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