لامپ خورشیدی قابل شارژ XOD: 9 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

در اکثر فروشگاه های لوازم خانگی و لوازم خانگی لامپ های ارزان قیمت باغی/پیاده رو وجود دارد. اما همانطور که در ضرب المثل قدیمی آمده است ، معمولاً آنچه را که برای آن هزینه می کنید دریافت می کنید. مدارهای معمول شارژ و روشنایی که از آنها استفاده می کنند ساده و ارزان هستند ، اما خروجی نوری که بدست می آورید چیزی جز چشمگیر نیست (و به سختی برای کسی که از پیاده رو شما استفاده کند تا ببیند به کجا می رود!)

این تلاش من برای طراحی یک ماژول روشنایی خارج از شبکه است که پیشرفت چشمگیری دارد ، در حالی که ساخت آن هنوز ارزان است. با دادن مقداری "مغز" به آن. XOD.io یک IDE جدید سازگار با پلت فرم توسعه جاسازی شده Arduino است ، که در آن می توانید کد را به صورت گرافیکی "بنویسید". محیط طرح گرافیکی شما را به C ++ مدرن منتقل می کند ، که در ایجاد کد فشرده بسیار مثر است و بدون نیاز به وابستگی های خارجی ، منبع کاملاً سازگار با سهام Arduino IDE را ایجاد می کند. به این ترتیب حتی میکروکنترلرهای کوچک و ارزان قیمت با محدودیت برنامه و منابع ذخیره سازی داده می توانند برای انجام کارهای پیچیده به کار گرفته شوند.

این پروژه نشان می دهد که چگونه می توان از دو میکروکنترلر ATTiny85 سازگار با آردوینو برای مدیریت نیازهای لامپ استفاده کرد. پردازنده اول داده های محیطی را از سخت افزار خارجی دریافت می کند ، و پردازنده دوم سعی می کند بیشترین انرژی را از خورشید در طول روز بگیرد و سپس روشنایی یک LED با قدرت بالا را در هنگام تخلیه باتری ذخیره سازی در شب کنترل می کند. پردازنده دوم کار خود را از طریق اجرای فشرده کنترل "منطق فازی" انجام می دهد. نرم افزار هر دو تراشه منحصراً در محیط XOD توسعه یافته است.

مرحله 1: مواد مورد نیاز

Arduino IDE ، آخرین نسخه ، با پسوند ATTinyCore که از مدیر "Boards" نصب شده است

برنامه نویس Sparkfun USBTinyISP ATTiny ، 11801 یا معادل صفحه محصول Sparkfun

مبدل تقویت کننده ولتاژ پایین Pololu قابل تنظیم با ورودی خاموش ، U1V11A یا معادل صفحه محصول Pololu

LED قدرتمند سفید یا RGB با هیت سینک ، آند معمولی ، Adafruit 2524 یا صفحه محصول معادل Adafruit

Microchip ATTiny85 در بسته 8 پین DIP ، صفحه محصول 2 موس

سوکت IC 8 پین ، 2 عدد

خازن ذخیره سازی انبوه ، 16 v 220 uF

خازن خروجی ، 6.3v 47uF

مقاومتهای محدود کننده جریان ، 50 اهم 1/4 وات

مقاومت های کشش i2c ، 4.7k ، 2

مقاومت تقسیم کننده ولتاژ پانل ، 1/4 وات ، 100k ، 470k

مقاومت حسگر فعلی ، تحمل 10 اهم 1⁄2 وات 1

خازن های بای پس ، سرامیک 0.1uF ، 2

2 باتری لیتیوم یون 3.7 و 100 میلی آمپر ساعتی ، PKCELL LP401 یا معادل آن

جک ورودی پلاگین بشکه برای پانل ، 1

مینی ترمینال بلوک های لحیم کاری 3 اینچ x3 اینچی و سیم نازک هسته جامد برای ایجاد اتصالات

برای آزمایش تقریباً یک اسیلوسکوپ ، مولتی متر و منبع تغذیه نیمکت مورد نیاز است

مرحله 2: تنظیم محیط

محیط XOD از سری پردازنده های ATTiny خارج از جعبه پشتیبانی نمی کند ، اما با استفاده از چند کتابخانه شخص ثالث از جهان Arduino ، افزودن پشتیبانی از این سری AVR ها ساده است. اولین قدم این است که کتابخانه "ATTinyCore" را از منوی کشویی "Tools → Board → Board Board" Arduino IDE نصب کنید. اطمینان حاصل کنید که تنظیمات مطابق تصویر درج شده صحیح است - به یاد داشته باشید که قبل از بارگذاری کد ، باید "Burn bootloader" را فشار دهید تا فیوزهای تنظیمات ولتاژ و سرعت کلاک را تغییر دهید!

کد منبع این کتابخانه در آدرس زیر موجود است:

کتابخانه مفید دیگری که باید از مخزن داشته باشید "FixedPoints" است که پیاده سازی زمان ریاضی نقطه ثابت برای پردازنده های پشتیبانی شده از آردوینو است. ATTiny حافظه SRAM و برنامه محدودی دارد و برای کوچک کردن اندازه نهایی طرح بسیار مفید است تا از یک عدد صحیح 2 بایت برای ذخیره اطلاعات عمومی استفاده شود ، نه نوع شناور ، که به 4 بایت در AVR نیاز دارد. سرعت اجرا نیز باید بهبود یابد زیرا ATTiny دارای واحد ضرب سخت افزاری نیست ، بسیار کمتر از نقطه شناور سخت افزاری!

کد منبع در دسترس است:

آموزش نحوه ایجاد ، انتقال و استقرار طرح های گرافیکی XOD در آدرس: https://github.com/Pharap/FixedPointsArduino کمک زیادی به درک نحوه ایجاد فایل های منبع شامل می کند.

مرحله 3: مرور کلی طراحی

روی برد دو پردازنده ATTiny85 از طریق رابط i2c به هم متصل شده اند و با یکدیگر برای مدیریت ولتاژ پنل خورشیدی ، جریان جریان به باتری از مبدل تقویت کننده در حالی که صفحه روشن است ، ولتاژ باتری و باتری کار می کنند. درجه حرارت.

مبدل تقویت کننده یک ماژول خارج از قفسه است که بر اساس IC Texas Instruments TPS6120 ساخته شده است ، که می تواند ولتاژ ورودی را تا 0.5 ولت کاهش دهد و آن را از 2 ولت به 5 ولت در هر نقطه افزایش دهد. هسته سنسور شامل چندین بلوک عملکردی است. ساعت اصلی به محض اعمال نیرو به مبدل تقویت کننده از ورودی پنل خورشیدی شروع به کار می کند. این کار اجرای طرح را آغاز می کند و اولین مورد این است که مشخص شود آیا تابلو به اندازه کافی روشن است تا جریان شارژ باتری را تأمین کند.

ولتاژ پنل خورشیدی با استفاده از دو فیلتر دیجیتالی منتقل می شود و اگر بیشتر از آستانه مشخصی باشد ، سیستم روشن می شود که صفحه روشن است و ساعت اصلی را وارد مانیتور حسگر کنونی می کند. این یک کانال مبدل آنالوگ به دیجیتال تراشه است که به صورت متفاوتی پیکربندی شده است ، که ولتاژ را در یک مقاومت تحمل 10 اهم 1 10 10 اهم متصل به صورت سری بین خروجی مبدل تقویت کننده و ورودی باتری حس می کند. وقتی تابلو روشن نباشد ، این ATTiny سیگنالی به ATTiny دوم می فرستد که به آن می گوید به جای قدرت شارژ ، قدرت LED را کنترل کند ، و مبدل بوست را خاموش کرده و ورودی را جدا کنید تا باتری جریان را از طریق صفحه به عقب ارسال نکند. به

دومین هسته ATTiny جایی است که کنترل کننده LED و سیستم نظارت بر شارژ باتری اجرا می شود. ولتاژ پانل ، ولتاژ باتری و داده های فعلی شارژ باتری برای پردازش از طریق یک شبکه منطقی فازی به این هسته ارسال می شود که سعی می کند یک سیگنال PWM مناسب برای اعمال به پین SHTDN ایجاد کند ، در نتیجه مقدار جریان ارسال شده به باتری را کنترل می کند. برای شارژ کردن هنگام روشن شدن-یک شکل اصلی حداکثر نقطه ردیابی نقطه قدرت (MPPT.) همچنین سیگنالی از هسته سنسور دریافت می کند که به آن بستگی به خروجی روز هسته سنسور دارد که آیا باید LED را روشن یا خاموش کند/ فلیپ فلاپ شبانه

هنگامی که LED در شب فعال است ، این ATTiny داده های ولتاژ باتری ارسال شده از طرف دوست خود و سنسور دمای درون تراشه خود را بررسی می کند تا برآورد تقریبی در مورد میزان نیروی وارد شده به LED (ولتاژ باتری کاهش می یابد) را بدست آورد. و دمای تراشه با افزایش جریان از پین های آن افزایش می یابد.) شبکه منطقی فازی مرتبط با وصله LED PWM تلاش می کند تا در مورد میزان مصرف باتری هنوز قضاوت کند و با خالی شدن باتری شدت LED را کاهش دهد.

مرحله 4: ایجاد وصله های سفارشی از کتابخانه اصلی XOD

چندین گره پچ سفارشی برای این طراحی استفاده شد ، که برخی از آنها را می توان به راحتی به طور کامل از گره های XOD شامل ، و برخی دیگر که در C ++ پیاده سازی شده اند ، ایجاد کرد.

اولین مورد از دو گره پچ سفارشی در تصاویر ، پیاده سازی یک فیلتر میانگین متحرک نمایی است. این یک فیلتر دیجیتال کم گذر کم ارتفاع است که بصورت سری در طرح مورد استفاده قرار می گیرد ، یک بار برای فیلتر کردن ولتاژ ورودی پنل خورشیدی برای هسته منطقی و یک بار دیگر برای تغذیه ماشه ای که روشنایی طولانی مدت محیط را تعیین می کند. مقاله ویکی پدیا را در زمینه هموارسازی نمایی ببینید.

ساختار گره در تصویر فقط یک نمایش گرافیکی مستقیم از عملکرد انتقال در مقاله است که با استفاده از پیوندهایی از ورودی های مناسب به خروجی ها به هم متصل می شوند. یک گره تاخیر از کتابخانه وجود دارد که اجازه می دهد یک حلقه بازخورد ایجاد شود (اگر در یک حلقه بازخورد ایجاد کنید بدون ایجاد تأخیر در حلقه ، همانطور که در مدل اجرای XOD توضیح داده شده است ، XOD به شما هشدار می دهد.) وصله خوب کار می کند ، به همین سادگی است.

دومین گره وصله سفارشی ، تنوعی در فلیپ فلاپ استوک است که شامل XOD است و با ولتاژ پانل فیلتر شده تغذیه می شود. بسته به اینکه سیگنال ورودی بالاتر یا زیر یک آستانه مشخص باشد ، بالا یا پایین بسته می شود. از گره های Cast برای تبدیل مقادیر خروجی بولی به نوع داده های پالس برای فعال کردن فلیپ فلاپ استفاده می شود ، زیرا حالت از پایین به بالا تغییر می کند. امیدوارم که طراحی این گره پچ شده تا حدودی از روی تصویر توضیح داده شود.

مرحله 5: ایجاد وصله های سفارشی با استفاده از C ++

برای شرایط خاص که عملکرد گره مورد نیاز بسیار پیچیده است تا به راحتی بتوان آن را به صورت گرافیکی به تصویر کشید ، یا متکی به کتابخانه های آردوینو هستند که بومی محیط آردوینو نیستند ، XOD نوشتن تکه های اندازه نیش را برای کسانی که دارای دانش C/C ++ هستند آسان می کند. کدی که می تواند در یک وصله مشابه سایر گره های ایجاد شده توسط کاربر یا سهام ذخیره شود. با انتخاب "ایجاد پچ جدید" از منوی فایل ، یک صفحه خالی برای کار ایجاد می شود و گره های ورودی و خروجی را می توان از قسمت "گره" های کتابخانه اصلی به داخل کشید. سپس گره "not-implemented-in-xod" را می توانید به داخل بکشید ، و وقتی روی آن کلیک کردید یک ویرایشگر متن ظاهر می شود که در آن قابلیت های مورد نیاز را می توان در C ++ پیاده سازی کرد. نحوه مدیریت وضعیت داخلی و دسترسی به پورت های ورودی و خروجی از کد C ++ در اینجا آمده است.

به عنوان نمونه ای از اجرای وصله های سفارشی در C ++ ، دو وصله سفارشی دیگر برای هسته راننده برای برآورد ولتاژ منبع تغذیه و دمای هسته استفاده می شود. همراه با شبکه فازی ، این امکان تخمین تقریبی از باتری باقی مانده برای تغذیه LED ها را در تاریکی فراهم می کند.

وصله سنسور دما نیز با خروجی سنسور ولتاژ تغذیه تغذیه می شود تا برآورد بهتری را بدست آورید - حس کردن دمای هسته به ما امکان می دهد تا تخمینی تقریبی از میزان سوزاندن توان در LED ها و ترکیب آن با قرائت ولتاژ منبع تغذیه در هنگام بدست آوردن اطلاعات بدست آوریم. خالی شدن باتری تخمین تقریبی بیشتری از میزان باتری باقی مانده است. لازم نیست فوق العاده دقیق باشد ؛ اگر هسته "می داند" که LED ها جریان زیادی را جذب می کنند اما ولتاژ باتری به سرعت در حال کاهش است ، احتمالاً می توان گفت که قدرت باتری زیاد دوام نمی آورد و زمان خاموش کردن لامپ فرا رسیده است.

مرحله 6: ساخت و ساز

من پروژه را بر روی یک تکه کوچک از نمونه اولیه تخته با پدهای مسی برای قطعات سوراخ دار ساختم. استفاده از سوکت برای IC ها کمک زیادی به برنامه نویسی/اصلاح/آزمایش می کند. USBTiny ISP از Sparkfun دارای یک سوکت مشابه در برد خود است ، بنابراین برنامه نویسی دو تراشه فقط شامل اتصال برنامه نویس به پورت USB رایانه ، بارگذاری کد XOD منتقل شده از فایل های موجود Arduino.ino با تنظیمات مناسب برد و برنامه نویس است ، و سپس به آرامی تراشه ها را از سوکت برنامه نویس خارج کرده و آنها را در سوکت های صفحه اصلی قرار دهید.

ماژول مبدل تقویت کننده Pololu TPS6120 بر روی یک تخته بلند کننده قرار گرفته است که روی صفحه اصلی روی هدرهای پین لحیم شده است ، بنابراین می توانید با نصب برخی از اجزای زیر ، در فضا صرفه جویی کنید. در نمونه اولیه من دو مقاومت کشش 4.7k را در زیر قرار دادم. اینها برای عملکرد صحیح گذرگاه i2c بین تراشه ها لازم است - بدون آنها ارتباط درست کار نمی کند! در سمت راست صفحه ، جک ورودی دوشاخه پنل خورشیدی و خازن ذخیره سازی ورودی قرار دارد. بهتر است سعی کنید جک و این درپوش را مستقیماً از طریق "دورهای" لحیم کاری و نه سیم اتصال ، به یکدیگر متصل کنید تا در کمترین حد ممکن مسیری را بدست آورید. سپس قطعات لحیم جامد برای اتصال مستقیم ترمینال مثبت خازن ذخیره به ترمینال ولتاژ ورودی ماژول تقویت کننده و پایه اتصال ماژول تقویت کننده به پایه زمین جک استفاده می شود.

در سمت راست و چپ پریزهای دو ATTinys خازنهای 0.1uF despike/deglitching قرار دارند. این اجزا نیز مهم هستند که کنار گذاشته نشوند و باید تا حد امکان مسیر کوتاه و مستقیم را به پریزهای برق IC و پین های زمینی متصل کنید. مقاومت حسی جریان 10 اهم در سمت چپ است ، این خط با خروجی از مبدل تقویت کننده و هر طرف به یک پین ورودی هسته سنسور متصل است - این پین ها به عنوان یک ADC دیفرانسیل برای اندازه گیری غیر مستقیم تنظیم شده اند. جریان به باتری اتصالات بین پین های IC برای گذرگاه i2c و پین خاموش کننده مبدل بوست و غیره را می توان با استفاده از سیم اتصال در قسمت زیرین صفحه اصلی ایجاد کرد ، سیم اتصال بسیار نازک هسته جامد برای این کار عالی است. این کار تغییرات را آسان تر می کند و همچنین بسیار زیبا تر از دویدن پرش کننده بین سوراخ در بالا به نظر می رسد.

ماژول LED مورد استفاده من یک واحد RGB سه رنگ بود ، برنامه من این بود که هر سه LED را فعال کنم تا وقتی باتری تقریباً کامل شارژ می شود رنگ سفید تولید کند و با اتمام شارژ به آرامی LED آبی رنگ زرد شود. اما این ویژگی هنوز اجرا نشده است. یک LED سفید سفید با یک مقاومت محدودکننده جریان نیز خوب کار می کند.

مرحله 7: آزمایش ، قسمت 1

پس از برنامه نویسی هر دو IC ATTiny با فایل های طرح دار موجود از طریق برنامه نویس USB از محیط آردوینو ، می توانید آزمایش کنید که دو هسته روی نمونه اولیه قبل از تلاش برای شارژ باتری از صفحه خورشیدی به درستی کار می کنند. در حالت ایده آل این کار به یک اسیکلسکوپ اولیه ، مولتی متر و منبع تغذیه نیمکت نیاز دارد.

اولین چیزی که باید بررسی شود این است که قبل از وصل کردن IC ، باتری و پنل به پریزهای خود ، هیچ اتصال کوتاهی در هیچ کجای برد وجود ندارد تا از آسیب احتمالی جلوگیری شود! ساده ترین راه برای انجام این کار استفاده از منبع تغذیه نیمکت است که می تواند جریان خروجی آن را به مقدار ایمن در صورت بروز چنین وضعیتی محدود کند. من از منبع تغذیه نیمکتم با ولتاژ 3 ولت و محدوده 100 میلی آمپر متصل به پایانه های جک ورودی پنل خورشیدی به منبع تغذیه مثبت و منفی استفاده کردم. در حالی که هیچ چیزی غیر از اجزای غیرفعال نصب نشده است ، اساساً نباید هیچ مانع فعلی روی مانیتور فعلی منبع تغذیه ثبت شود تا از آن صحبت کنیم. اگر جریان قابل توجهی وجود داشته باشد ، یا منبع تغذیه به محدودیت جریان برسد ، مشکلی پیش آمده است و باید برد را بررسی کنید تا مطمئن شوید اتصالات نادرست یا خازنی با قطبیت معکوس وجود ندارد.

مرحله بعدی اطمینان از عملکرد صحیح مبدل تقویت کننده است. روی برد یک پتانسیومتر پیچ وجود دارد ، منبع تغذیه همچنان متصل است و چهار پین مبدل به طور متصل به هم متصل شده اند ، پتانسیومتر باید با نوک پیچ گوشتی کوچک چرخانده شود تا زمانی که ولتاژ در ترمینال خروجی ماژول حدود 3.8 تا 3.9 ولت را بخواند. این مقدار DC در حین کار تغییر نمی کند ، هسته راننده از طریق ضربه زدن به پین خاموش کردن ماژول ، ولتاژ متوسط خروجی را کنترل می کند.

مرحله 8: آزمایش ، قسمت 2

نکته بعدی که باید بررسی شود این است که ارتباط i2c به درستی کار می کند ، در حالی که برد کار می کند ، IC هسته سنسور را می توان نصب کرد. در یک اسیلوسکوپ باید سیگنالهای ضربان دار روی هر دو پین 5 و 7 پین تراشه فیزیکی وجود داشته باشد ، این درایور i2c روی تراشه سعی می کند داده ها را به دوست خود ارسال کند. پس از خاموش شدن هسته درایور و نصب مجدد اتصال با یک اسیلوسکوپ ، باید دنباله بزرگتری از پالس ها در هر دو خط قابل مشاهده باشد. این بدان معناست که تراشه ها به درستی ارتباط برقرار می کنند.

این امر باعث می شود تا باتری برای آزمایش کامل نهایی کمی شارژ شود. منبع تغذیه نیمکت نیز می تواند برای انجام این کار استفاده شود ، با محدودیت فعلی در حدود 50 میلی آمپر و ولتاژ هنوز 3.8 ولت ، و باتری LiPo به طور مستقیم برای چند دقیقه متصل می شود.

آخرین مرحله آزمایش کامل سیستم است - اگر همه چیز به هم متصل باشد اگر صفحه به مدت 10 یا 15 ثانیه پوشانده شود ، چراغ باید از طریق خروجی PWM هسته راننده روشن شود. با وجود تابلو در نور شدید آفتاب ، باتری باید از خروجی مبدل تقویت کننده شارژ شود. با نگاه کردن به خط PWM که پین خاموش کننده مبدل تقویت کننده را هدایت می کند ، می توان به طور غیرمستقیم شبکه منطقی فازی را بررسی کرد. با افزایش روشنایی باتری با حالت شارژ کم ، عرض پالس باید افزایش یابد ، نشان می دهد که با افزایش توان بیشتر از نور خورشید ، هسته راننده نشان می دهد که باید قدرت بیشتری به باتری ارسال شود!

مرحله 9: ضمیمه منطق فازی

منطق فازی یک تکنیک یادگیری ماشین است که می تواند در کنترل سیستم های سخت افزاری مورد استفاده قرار گیرد ، جایی که عدم اطمینان در بسیاری از پارامترهای سیستم تحت کنترل وجود دارد ، و ورودی صریح راه حل کنترل خروجی را برای نوشتن هدف به سختی ایجاد می کند. این امر با استفاده از مقادیر منطقی که بین 0 (کاذب) و 1 (درست) قرار دارند ، بیان عدم قطعیت در مقداری که بیشتر شبیه به یک انسان است ("عمدتاً درست" یا "واقعاً درست نیست") و اجازه دادن به منطقه خاکستری بین جملات 100٪ درست و 100٪ نادرست است. روش انجام این کار از طریق نمونه برداری از متغیرهای ورودی است که باید بر اساس آنها تصمیم گیری شود و آنها را "مبهم" کند.

قلب هر سیستم منطقی فازی یک "حافظه تداعی فازی" است. این یادآور یک ماتریس است ، جایی که در مورد مدار شارژ باتری ، مجموعه ای از 3x3 بین 0 تا 1 ذخیره می شود. مقادیر موجود در ماتریس را می توان با نحوه استدلال یک انسان در مورد اینکه عامل PWM کنترل کننده SHTDN پایه مبدل تقویت کننده چگونه است ، بستگی دارد ، بسته به اینکه عملکرد عضویت در بالا مجموعه ای از ورودی ها را واجد شرایط می داند. به عنوان مثال اگر ولتاژ ورودی پانل زیاد باشد ، اما جریانی که به باتری کشیده می شود کم باشد ، احتمالاً به این معنی است که می توان قدرت بیشتری را کشید و تنظیمات PWM بهینه نیست و باید افزایش یابد. برعکس ، اگر ولتاژ پنل پایین بیاید اما شارژر همچنان در تلاش است تا جریان زیادی را وارد باتری کند ، هدر می رود ، بنابراین بهتر است سیگنال PWM را به مبدل تقویت کننده کاهش دهید. هنگامی که سیگنال های ورودی به صورت یک مجموعه فازی "مبهم" می شوند ، در این مقادیر ضرب می شوند ، شبیه روش ضرب یک بردار در یک ماتریس ، برای ایجاد یک مجموعه تبدیل شده که نمایانگر میزان سنگینی "دانش" سلول است. ماتریس باید در تابع ترکیب نهایی در نظر گرفته شود.

استفاده از گره "اجرا نشده-در-xod" که به گره های XOD اجازه می دهد عملکردهای سفارشی را بسیار پیچیده تر از حد معمول و از اندکی C ++ به سبک آردوینو ، حافظه همراه ، عملکرد وزن و "استفاده کنند. fuzzifier "مشابه بلوک هایی که در این مرجع شرح داده شده است: ساخت آنها ساده است و آزمایش آنها بسیار ساده تر است.