ARDUINO PWM SOLAR CHARGE CONTROLLER (V 2.02): 25 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Εάν σκοπεύετε να εγκαταστήσετε ένα ηλιακό σύστημα εκτός δικτύου με τράπεζα μπαταριών, θα χρειαστείτε έναν ελεγκτή ηλιακής φόρτισης. Είναι μια συσκευή που τοποθετείται μεταξύ του Ηλιακού Πίνακα και της Τράπεζας Μπαταριών για τον έλεγχο της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τα Ηλιακά πάνελ που μπαίνουν στις μπαταρίες. Η κύρια λειτουργία είναι να βεβαιωθείτε ότι η μπαταρία είναι σωστά φορτισμένη και προστατευμένη από υπερφόρτιση. Καθώς αυξάνεται η τάση εισόδου από τον ηλιακό θερμοσίφωνα, ο ελεγκτής φόρτισης ρυθμίζει τη φόρτιση των μπαταριών αποτρέποντας τυχόν υπερφόρτιση και αποσυνδέστε το φορτίο όταν η μπαταρία αποφορτιστεί.

Μπορείτε να περάσετε από τα ηλιακά μου έργα στον ιστότοπό μου: www.opengreenenergy.com και το κανάλι YouTube: Open Green Energy

Τύποι ηλιακών ελεγκτών φόρτισης

Υπάρχουν σήμερα δύο τύποι ελεγκτών φόρτισης που χρησιμοποιούνται συνήθως στα φωτοβολταϊκά συστήματα:

1. Ελεγκτής Pulse Width Modulation (PWM)

2. Ελεγκτής μέγιστης παρακολούθησης σημείου ισχύος (MPPT)

Σε αυτό το Instructable, θα σας εξηγήσω για το PWM Solar Charge Controller. Έχω δημοσιεύσει επίσης μερικά άρθρα στους ελεγκτές φόρτισης PWM νωρίτερα. Η προηγούμενη έκδοση των ηλιακών ελεγκτών φόρτισης μου είναι αρκετά δημοφιλής στο διαδίκτυο και χρήσιμη για ανθρώπους σε όλο τον κόσμο.

Λαμβάνοντας υπόψη τα σχόλια και τις ερωτήσεις από τις προηγούμενες εκδόσεις μου, έχω τροποποιήσει τον υπάρχοντα ελεγκτή φόρτισης V2.0 PWM για να δημιουργήσω τη νέα έκδοση 2.02.

Ακολουθούν οι αλλαγές στο V2.02 w.r.t V2.0:

1. Ο χαμηλής απόδοσης γραμμικός ρυθμιστής τάσης αντικαθίσταται από μετατροπέα κάδου MP2307 για τροφοδοσία 5V.

2. Ένας επιπλέον αισθητήρας ρεύματος για την παρακολούθηση του ρεύματος που προέρχεται από τον ηλιακό πίνακα.

3. Το MOSFET-IRF9540 αντικαθίσταται από το IRF4905 για καλύτερη απόδοση.

4. Ο ενσωματωμένος αισθητήρας θερμοκρασίας LM35 αντικαθίσταται από έναν αισθητήρα DS18B20 για ακριβή παρακολούθηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας.

5. Θύρα USB για φόρτιση έξυπνων συσκευών.

6. Χρήση μίας ασφάλειας αντί για δύο

7. Ένα επιπλέον LED για ένδειξη κατάστασης ηλιακής ενέργειας.

8. Εφαρμογή αλγορίθμου φόρτισης 3 σταδίων.

9. Εφαρμογή ελεγκτή PID στον αλγόριθμο φόρτισης

10. Δημιούργησε ένα προσαρμοσμένο PCB για το έργο

Προσδιορισμός

1. Ελεγκτής φόρτισης καθώς και μετρητής ενέργειας

2. Αυτόματη επιλογή τάσης μπαταρίας (6V/12V)

3. Αλγόριθμος φόρτισης PWM με σημείο ρύθμισης αυτόματης φόρτισης σύμφωνα με την τάση της μπαταρίας

4. Ένδειξη LED για την κατάσταση φόρτισης και φόρτισης

5. Οθόνη LCD 20x4 χαρακτήρων για εμφάνιση τάσεων, ρεύματος, ισχύος, ενέργειας και θερμοκρασίας.

6. Αστραπή προστασία

7. Αντίστροφη προστασία ροής ρεύματος

8. Προστασία μικρού κυκλώματος και υπερφόρτωσης

9. Αντιστάθμιση θερμοκρασίας για φόρτιση

10. Θύρα USB για φόρτιση Gadgets

Προμήθειες

Μπορείτε να παραγγείλετε το PCB V2.02 από το PCBWay

1. Arduino Nano (Amazon / Banggood)

2. P -MOSFET - IRF4905 (Amazon / Banggood)

3. Δίοδος ισχύος -MBR2045 (Amazon / Aliexpress)

4. Buck Converter-MP2307 (Amazon / Banggood)

5. Αισθητήρας θερμοκρασίας - DS18B20 (Amazon / Banggood)

6. Αισθητήρας ρεύματος - ACS712 (Amazon / Banggood)

7. Δίοδος TVS- P6KE36CA (Amazon / Aliexpress)

8. Τρανζίστορς - 2N3904 (Amazon / Banggood)

9. Αντίσταση (100k x 2, 20k x 2, 10k x 2, 1k x 2, 330ohm x 7) (Amazon / Banggood)

10. Κεραμικοί πυκνωτές (0.1uF x 2) (Amazon / Banggood)

11. LCD 20x4 I2C (Amazon / Banggood)

12. LED RGB (Amazon / Banggood)

13. Bi-Color LED (Amazon)

15. Jumper Wires / Wires (Amazon / Banggood)

16. Καρφίτσες κεφαλής (Amazon / Banggood)

17. Θερμοσίφωνες (Amazon / Aliexpress)

18. Θήκη ασφάλειας και ασφάλειες (Amazon)

19. Κουμπί πίεσης (Amazon / Banggood)

22. Ακροδέκτες βίδας 1x6 ακίδων (Aliexpress)

23. PCB Standoffs (Banggood)

24. Υποδοχή USB (Amazon / Banggood)

Εργαλεία:

1. Συγκολλητικό σίδερο (Amazon)

2. Αντλία αποκόλλησης (Amazon)

2. Wire Cutter and Stripper (Amazon)

3. Screw Driver (Amazon)

Βήμα 1: Αρχή λειτουργίας ενός ελεγκτή φόρτισης PWM

Το PWM σημαίνει Pulse Width Modulation, που σημαίνει τη μέθοδο που χρησιμοποιεί για τη ρύθμιση της φόρτισης. Η λειτουργία του είναι να μειώσει την τάση του ηλιακού συλλέκτη κοντά στην τάση της μπαταρίας για να διασφαλίσει ότι η μπαταρία είναι σωστά φορτισμένη. Με άλλα λόγια, κλειδώνουν την τάση του ηλιακού συλλέκτη στην τάση της μπαταρίας σύροντας το ηλιακό πάνελ Vmp προς τα κάτω στην τάση του συστήματος μπαταρίας χωρίς καμία αλλαγή στο ρεύμα.

Χρησιμοποιεί έναν ηλεκτρονικό διακόπτη (MOSFET) για να συνδέσει και να αποσυνδέσει τον ηλιακό πίνακα με την μπαταρία. Αλλάζοντας το MOSFET σε υψηλή συχνότητα με διάφορα πλάτη παλμών, μπορεί να διατηρηθεί μια σταθερή τάση. Ο ελεγκτής PWM αυτορυθμίζεται μεταβάλλοντας τα πλάτη (μήκη) και τη συχνότητα των παλμών που αποστέλλονται στην μπαταρία.

Όταν το πλάτος είναι στο 100%, το MOSFET είναι σε πλήρη ενεργοποίηση, επιτρέποντας στον ηλιακό πίνακα να φορτίζει μαζικά την μπαταρία. Όταν το πλάτος είναι στο 0%, το τρανζίστορ είναι ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ, ανοίγοντας κύκλωμα στον ηλιακό πίνακα, αποτρέποντας τη ροή ρεύματος προς την μπαταρία όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη.

Βήμα 2: Πώς λειτουργεί το κύκλωμα;

Η καρδιά του ελεγκτή φόρτισης είναι ένας πίνακας Arduino Nano. Το Arduino ανιχνεύει τον ηλιακό πίνακα και τις τάσεις της μπαταρίας χρησιμοποιώντας δύο κυκλώματα διαίρεσης τάσης. Σύμφωνα με αυτά τα επίπεδα τάσης, αποφασίζει τον τρόπο φόρτισης της μπαταρίας και τον έλεγχο του φορτίου.

Σημείωση: Στην παραπάνω εικόνα, υπάρχει τυπογραφικό σφάλμα στο σήμα ισχύος και ελέγχου. Η κόκκινη γραμμή είναι για ισχύ και η κίτρινη γραμμή για σήμα ελέγχου.

Ολόκληρο το διάγραμμα χωρίζεται στα ακόλουθα κυκλώματα:

1. Κύκλωμα διανομής ισχύος:

Η ισχύς από την μπαταρία (B+ & B-) μειώνεται στα 5V από τον μετατροπέα buck X1 (MP2307). Η έξοδος από το μετατροπέα buck κατανέμεται σε

1. Πίνακας Arduino

2. LED για ένδειξη

3. Οθόνη LCD

4. Θύρα USB για φόρτιση gadget.

2. Αισθητήρες εισόδου:

Το ηλιακό πάνελ και οι τάσεις της μπαταρίας ανιχνεύονται χρησιμοποιώντας δύο κυκλώματα διαίρεσης τάσης που αποτελούνται από αντιστάσεις R1-R2 & R3- R4. Τα C1 και C2 είναι πυκνωτές φίλτρου για να φιλτράρουν τα ανεπιθύμητα σήματα θορύβου. Η έξοδος από τα διαχωριστικά τάσης συνδέεται με τους αναλογικούς πείρους Arduino A0 και A1 αντίστοιχα.

Το ηλιακό πάνελ και τα ρεύματα φόρτωσης ανιχνεύονται χρησιμοποιώντας δύο μονάδες ACS712. Η έξοδος από τους τρέχοντες αισθητήρες συνδέεται με την αναλογική ακίδα Arduino A3 και A2 αντίστοιχα.

Η θερμοκρασία της μπαταρίας μετριέται χρησιμοποιώντας αισθητήρα θερμοκρασίας DS18B20. Το R16 (4.7K) είναι μια αντίσταση έλξης. Η έξοδος του αισθητήρα θερμοκρασίας συνδέεται με το Arduino Digital pin D12.

3. Κυκλώματα ελέγχου:

Τα κυκλώματα ελέγχου βασικά σχηματίζονται από δύο p-MOSFET Q1 και Q2. Το MOSFET Q1 χρησιμοποιείται για την αποστολή του παλμού φόρτισης στην μπαταρία και το MOSFET Q2 χρησιμοποιείται για την οδήγηση του φορτίου. Δύο κυκλώματα οδήγησης MOSFET αποτελούνται από δύο τρανζίστορ Τ1 και Τ2 με αντιστάσεις έλξης R6 και R8. Το βασικό ρεύμα των τρανζίστορ ελέγχεται από αντιστάσεις R5 και R7.

4. Κυκλώματα προστασίας:

Η υπέρταση εισόδου από την πλευρά του ηλιακού συλλέκτη προστατεύεται χρησιμοποιώντας μια δίοδο TVS D1. Το αντίστροφο ρεύμα από την μπαταρία στον ηλιακό πίνακα προστατεύεται από μια δίοδο Schottky D2. Το υπερρεύμα προστατεύεται από μια ασφάλεια F1.

5. Ένδειξη LED:

Τα LED1, LED2 και LED3 χρησιμοποιούνται για την ένδειξη της ηλιακής, της μπαταρίας και της κατάστασης φόρτισης αντίστοιχα. Οι αντιστάσεις R9 έως R15 είναι αντιστάσεις περιορισμού ρεύματος.

7. Οθόνη LCD:

Μια οθόνη I2C LCD χρησιμοποιείται για την εμφάνιση διαφόρων παραμέτρων.

8. Φόρτιση USB:

Η πρίζα USB συνδέεται με έξοδο 5V από το μετατροπέα Buck.

9. Επαναφορά συστήματος:

Το SW1 είναι ένα κουμπί για επαναφορά του Arduino.

Μπορείτε να κατεβάσετε το σχηματικό σε μορφή PDF που επισυνάπτεται παρακάτω.

Βήμα 3: Κύριες λειτουργίες του ελεγκτή ηλιακής φόρτισης

Ο ελεγκτής φόρτισης έχει σχεδιαστεί φροντίζοντας τα ακόλουθα σημεία.

1. Αποτρέψτε την υπερφόρτιση της μπαταρίας: Για να περιορίσετε την ενέργεια που παρέχεται στην μπαταρία από τον ηλιακό πίνακα όταν η μπαταρία φορτιστεί πλήρως. Αυτό υλοποιείται στο char_cycle () του κώδικα μου.

2. Αποτρέψτε την υπερφόρτιση της μπαταρίας: Για να αποσυνδέσετε την μπαταρία από ηλεκτρικά φορτία όταν η μπαταρία φτάσει σε χαμηλή κατάσταση φόρτισης. Αυτό υλοποιείται στο load_control () του κώδικα μου.

3. Παρέχετε λειτουργίες ελέγχου φορτίου: Για αυτόματη σύνδεση και αποσύνδεση ηλεκτρικού φορτίου σε καθορισμένη ώρα. Το φορτίο θα ανάψει όταν το ηλιοβασίλεμα και σβήσει κατά την ανατολή. Αυτό υλοποιείται στο load_control () του κώδικα μου. 4. Παρακολούθηση ισχύος και ενέργειας: Για παρακολούθηση της ισχύος και της ενέργειας φορτίου και εμφάνιση της.

5. Προστασία από μη φυσιολογική κατάσταση: Για την προστασία του κυκλώματος από διάφορες μη φυσιολογικές καταστάσεις, όπως κεραυνός, υπέρταση, υπέρταση και βραχυκύκλωμα κ.λπ.

6. Ένδειξη και εμφάνιση: Για να υποδείξετε και να εμφανίσετε τις διάφορες παραμέτρους

7. Serial Communication: Για εκτύπωση διαφόρων παραμέτρων στη σειριακή οθόνη

8. Φόρτιση USB: Για φόρτιση έξυπνων συσκευών

Βήμα 4: Μέτρηση τάσης

Οι αισθητήρες τάσης χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της τάσης του ηλιακού συλλέκτη και της μπαταρίας. Υλοποιείται με τη χρήση δύο κυκλωμάτων διαίρεσης τάσης. Αποτελείται από δύο αντιστάσεις R1 = 100k και R2 = 20k για την ανίχνευση της τάσης του ηλιακού πίνακα και ομοίως R3 = 100k και R4 = 20k για την τάση της μπαταρίας. Η έξοδος από το R1 και το R2 συνδέεται με τον αναλογικό ακροδέκτη Arduino A0 και η έξοδος από τα R3 και R4 συνδέεται με τον αναλογικό πείρο A1 Arduino.

Μέτρηση Τάσης: Οι αναλογικές είσοδοι του Arduino μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της τάσης DC μεταξύ 0 και 5V (όταν χρησιμοποιείται η τυπική αναλογική τάση αναφοράς 5V) και αυτό το εύρος μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο διαχωριστή τάσης. Ο διαχωριστής τάσης μειώνει την τάση που μετριέται εντός του εύρους των αναλογικών εισόδων Arduino.

Για κύκλωμα διαίρεσης τάσης Vout = R2/(R1+R2) x Vin

Vin = (R1+R2)/R2 x Vout

Η λειτουργία analogRead () διαβάζει την τάση και τη μετατρέπει σε έναν αριθμό μεταξύ 0 και 1023

Βαθμονόμηση: Θα διαβάσουμε την τιμή εξόδου με μία από τις αναλογικές εισόδους του Arduino και τη λειτουργία analogRead (). Αυτή η συνάρτηση εξάγει μια τιμή μεταξύ 0 και 1023 που είναι 0,00488V για κάθε προσαύξηση (Όπως 5/1024 = 0,00488V)

Vin = Vout*(R1+R2)/R2; R1 = 100k και R2 = 20k

Vin = Αριθμός ADC*0.00488*(120/20) Volt // Το επισημασμένο μέρος είναι συντελεστής κλίμακας

Σημείωση: Αυτό μας οδηγεί να πιστεύουμε ότι η ένδειξη 1023 αντιστοιχεί σε τάση εισόδου ακριβώς 5,0 βολτ. Στην πράξη, δεν μπορείτε να πάρετε 5V πάντα από την καρφίτσα Arduino 5V. Έτσι, κατά τη βαθμονόμηση, πρώτα μετρήστε την τάση μεταξύ των ακίδων 5v και GND του Arduino χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο και χρησιμοποιήστε τον συντελεστή κλίμακας χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο:

Συντελεστής κλίμακας = μετρημένη τάση/1024

Βήμα 5: Τρέχουσα μέτρηση

Για τη μέτρηση ρεύματος, χρησιμοποίησα μια παραλλαγή αισθητήρα ρεύματος ACS 712 -5A Hall Effect. Υπάρχουν τρεις παραλλαγές του αισθητήρα ACS712 με βάση το εύρος της τρέχουσας ανίχνευσης. Ο αισθητήρας ACS712 διαβάζει την τρέχουσα τιμή και τη μετατρέπει σε σχετική τιμή τάσης. Η τιμή που συνδέει τις δύο μετρήσεις είναι Ευαισθησία. Η ευαισθησία εξόδου για όλες τις παραλλαγές έχει ως εξής:

Μοντέλο ACS712 -> Εύρος ρεύματος-> Ευαισθησία

ACS712 ELC -05 -> +/- 5A -> 185 mV/A

ACS712 ELC -20 -> +/- 20A -> 100 mV/A

ACS712 ELC -30 -> +/- 30A -> 66 mV/A

Σε αυτό το έργο, χρησιμοποίησα την παραλλαγή 5Α, για την οποία η ευαισθησία είναι 185mV/A και η μέση τάση ανίχνευσης είναι 2,5V όταν δεν υπάρχει ρεύμα.

Βαθμονόμηση:

αναλογική τιμή ανάγνωσης = analogRead (Pin);

Τιμή = (5/1024)*αναλογική τιμή ανάγνωσης // Εάν δεν λαμβάνετε 5V από τον ακροδέκτη Arduino 5V, τότε, Ρεύμα σε amp = (Value - offsetVoltage) / ευαισθησία

Αλλά σύμφωνα με τα φύλλα δεδομένων η τάση μετατόπισης είναι 2,5V και η ευαισθησία είναι 185mV/A

Ρεύμα σε ενισχυτή = (Τιμή-2,5) /0,185

Βήμα 6: Μέτρηση θερμοκρασίας

Γιατί απαιτείται παρακολούθηση της θερμοκρασίας;

Οι χημικές αντιδράσεις της μπαταρίας αλλάζουν με τη θερμοκρασία. Καθώς η μπαταρία θερμαίνεται, αυξάνεται το αέριο. Καθώς η μπαταρία κρυώνει, γίνεται πιο ανθεκτική στη φόρτιση. Ανάλογα με το πόσο ποικίλει η θερμοκρασία της μπαταρίας, είναι σημαντικό να ρυθμίσετε τη φόρτιση για αλλαγές θερμοκρασίας. Επομένως, είναι σημαντικό να προσαρμόσετε τη φόρτιση για να λάβετε υπόψη τις επιδράσεις της θερμοκρασίας. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας θα μετρήσει τη θερμοκρασία της μπαταρίας και ο ελεγκτής ηλιακής φόρτισης χρησιμοποιεί αυτήν την είσοδο για να ρυθμίσει το σημείο ρύθμισης της φόρτισης, όπως απαιτείται. Η τιμή αντιστάθμισης είναι - 5mv /degC /cell για μπαταρίες τύπου μολύβδου -οξέος. (–30mV/ºC για 12V και 15mV/ºC για μπαταρία 6V). Το αρνητικό πρόσημο αντιστάθμισης θερμοκρασίας δείχνει ότι η αύξηση της θερμοκρασίας απαιτεί μείωση του σημείου ρύθμισης φόρτισης. Για περισσότερες λεπτομέρειες, μπορείτε να ακολουθήσετε αυτό το άρθρο.

Μέτρηση θερμοκρασίας κατά DS18B20

Έχω χρησιμοποιήσει έναν εξωτερικό αισθητήρα DS18B20 για τη μέτρηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας. Χρησιμοποιεί πρωτόκολλο ενός καλωδίου για επικοινωνία με τον μικροελεγκτή. Μπορεί να συνδεθεί στη θύρα-J4 στον πίνακα.

Για διασύνδεση με τον αισθητήρα θερμοκρασίας DS18B20, πρέπει να εγκαταστήσετε τη βιβλιοθήκη One Wire και τη βιβλιοθήκη θερμοκρασίας του Ντάλας.

Μπορείτε να διαβάσετε αυτό το άρθρο για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον αισθητήρα DS18B20.

Βήμα 7: Κύκλωμα φόρτισης USB

Ο μετατροπέας buck MP2307 που χρησιμοποιείται για τροφοδοσία μπορεί να αποδώσει ρεύμα έως 3Α. Έχει λοιπόν ένα επαρκές περιθώριο για τη φόρτιση των gadget USB. Η υποδοχή USB VCC είναι συνδεδεμένη σε 5V και η GND είναι συνδεδεμένη στο GND. Μπορείτε να ανατρέξετε στο παραπάνω σχηματικό σχήμα.

Σημείωση: Η τάση εξόδου USB δεν διατηρείται στα 5V όταν το ρεύμα φορτίου υπερβαίνει το 1Α. Θα πρότεινα λοιπόν να περιορίσετε το φορτίο USB κάτω από 1Α.

Βήμα 8: Αλγόριθμος φόρτισης

Όταν το χειριστήριο είναι συνδεδεμένο με την μπαταρία, το πρόγραμμα θα ξεκινήσει τη λειτουργία. Αρχικά, ελέγχει εάν η τάση του πίνακα είναι επαρκής για τη φόρτιση της μπαταρίας. Αν ναι, τότε θα μπει στον κύκλο φόρτισης. Ο κύκλος φόρτισης αποτελείται από 3 στάδια.

Στάδιο 1 Μαζική χρέωση:

Το Arduino θα συνδέσει το ηλιακό πάνελ με την μπαταρία απευθείας (κύκλος λειτουργίας 99 %). Η τάση της μπαταρίας θα αυξηθεί σταδιακά. Όταν η τάση της μπαταρίας φτάσει τα 14,4V, θα ξεκινήσει το στάδιο 2.

Σε αυτό το στάδιο, το ρεύμα είναι σχεδόν σταθερό.

Στάδιο 2 Χρέωση απορρόφησης:

Σε αυτό το στάδιο, το Arduino θα ρυθμίσει το ρεύμα φόρτισης διατηρώντας το επίπεδο τάσης στο 14,4 για μία ώρα. Η τάση διατηρείται σταθερή ρυθμίζοντας τον κύκλο λειτουργίας.

Στάδιο 3 Φόρτιση πλωτήρα:

Ο ελεγκτής παράγει το φορτίο για να διατηρήσει το επίπεδο τάσης στα 13,5V. Αυτό το στάδιο διατηρεί την μπαταρία πλήρως φορτισμένη. Εάν η τάση της μπαταρίας είναι μικρότερη από 13,2V για 10 λεπτά.

Ο κύκλος φόρτισης θα επαναληφθεί.

Βήμα 9: Έλεγχος φορτίου

Για αυτόματη σύνδεση και αποσύνδεση του φορτίου παρακολουθώντας το σούρουπο/την αυγή και την τάση της μπαταρίας, χρησιμοποιείται έλεγχος φορτίου.

Ο πρωταρχικός σκοπός του ελέγχου φορτίου είναι να αποσυνδέσετε το φορτίο από την μπαταρία για να το προστατέψετε από βαθιά εκφόρτιση. Η βαθιά εκφόρτιση μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην μπαταρία.

Ο ακροδέκτης φορτίου DC έχει σχεδιαστεί για φορτίο συνεχούς ρεύματος χαμηλής ισχύος, όπως το φως του δρόμου.

Ο ίδιος ο φωτοβολταϊκός πίνακας χρησιμοποιείται ως αισθητήρας φωτός.

Υποθέτοντας ότι η τάση του ηλιακού πίνακα> 5V σημαίνει αυγή και πότε <5V σούρουπο.

ON Κατάσταση: Το βράδυ, όταν η τάση φωτοβολταϊκής τάσης πέσει κάτω από τα 5V και η τάση της μπαταρίας είναι υψηλότερη από τη ρύθμιση LVD, ο ελεγκτής θα ενεργοποιήσει το φορτίο και το πράσινο led λάμψης θα λάμψει.

OFF Συνθήκη: Το φορτίο θα διακοπεί στις ακόλουθες δύο συνθήκες.

1. Το πρωί όταν η φωτοβολταϊκή τάση είναι μεγαλύτερη από 5v, 2. Όταν η τάση της μπαταρίας είναι χαμηλότερη από τη ρύθμιση LVD Το κόκκινο φορτίο led ON δείχνει ότι το φορτίο έχει διακοπεί.

Το LVD αναφέρεται ως Αποσύνδεση Χαμηλής Τάσης

Βήμα 10: Δύναμη και Ενέργεια

Ισχύς: Η ισχύς είναι το προϊόν της τάσης (volt) και του ρεύματος (Amp)

P = VxI Η μονάδα ισχύος είναι Watt ή KW

Ενέργεια: Η ενέργεια είναι το προϊόν της ισχύος (watt) και του χρόνου (ώρα)

E = Pxt Μονάδα Ενέργειας είναι Watt Hour ή Kilowatt Hour (kWh)

Για την παρακολούθηση της ισχύος και της ενέργειας, η παραπάνω λογική εφαρμόζεται στο λογισμικό και οι παράμετροι εμφανίζονται σε οθόνη LCD 20x4.

Πίστωση εικόνας: imgoat

Βήμα 11: Προστασία

1. Αντιστροφή πολικότητας και αντίστροφη προστασία ρεύματος για το ηλιακό πάνελ

Για αντίστροφη πολικότητα και προστασία αντίστροφης ροής ρεύματος, χρησιμοποιείται μια δίοδος Schottky (MBR2045).

2. Προστασία από υπερφόρτιση & βαθιά αποφόρτιση

Το λογισμικό εφαρμόζει προστασία υπερφόρτισης και βαθιάς εκφόρτισης.

3. Προστασία από βραχυκύκλωμα και υπερφόρτωση

Η προστασία από βραχυκύκλωμα και υπερφόρτωση πραγματοποιείται με μια ασφάλεια F1.

4. Προστασία υπέρτασης στην είσοδο ηλιακού πίνακα

Προσωρινές υπέρταση συμβαίνουν στα συστήματα ισχύος για διάφορους λόγους, αλλά ο κεραυνός προκαλεί τις πιο σοβαρές υπερτάσεις. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τα φωτοβολταϊκά συστήματα λόγω των εκτεθειμένων θέσεων και των καλωδίων σύνδεσης του συστήματος. Σε αυτόν τον νέο σχεδιασμό, χρησιμοποίησα μια αμφίδρομη δίοδο TVS 600 W (P6KE36CA) για την καταστολή της αστραπής και της υπέρτασης στους φωτοβολταϊκούς ακροδέκτες.

πιστωτική εικόνα: δωρεάν εικόνες

Βήμα 12: Ενδείξεις LED

1. Ηλιακή λυχνία LED: LED1 Ένα δίχρωμο (κόκκινο/πράσινο) led χρησιμοποιείται για την ένδειξη της ηλιακής ενέργειας, δηλαδή το σούρουπο ή την αυγή.

Ηλιακή λυχνία ------------------- Ηλιακή κατάσταση

Green Day

ΚΟΚΚΙΝΟ ------------------------- Νύχτα

2. LED μπαταρίας κατάστασης φόρτισης (SOC): LED2

Μια σημαντική παράμετρος που καθορίζει το ενεργειακό περιεχόμενο της μπαταρίας είναι η κατάσταση φόρτισης (SOC). Αυτή η παράμετρος δείχνει πόση φόρτιση είναι διαθέσιμη στην μπαταρία. Το LED RGB χρησιμοποιείται για να δείξει την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας. Για σύνδεση, ανατρέξτε στο παραπάνω σχήμα.

LED μπαταρίας ---------- Κατάσταση μπαταρίας

ΚΟΚΚΙΝΗ ------------------ Η τάση είναι ΧΑΜΗΛΗ

ΠΡΑΣΙΝΗ ------------------ Η τάση είναι υγιής

ΜΠΛΕ ------------------ Πλήρως φορτισμένο

2. Φορτίστε LED: LED3

Ένα δίχρωμο (κόκκινο/πράσινο) led χρησιμοποιείται για ένδειξη κατάστασης φόρτωσης. Ανατρέξτε στο παραπάνω σχήμα για σύνδεση.

LED φόρτωσης ------------------- Κατάσταση φόρτωσης

ΠΡΑΣΙΝΟ ----------------------- Συνδέθηκε (ON)

RED ------------------------- Αποσυνδέθηκε (OFF)

Βήμα 13: Οθόνη LCD

Μια οθόνη LCD 20X4 char χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των ηλιακών συλλεκτών, της μπαταρίας και των παραμέτρων φόρτωσης.

Για απλότητα, επιλέγεται μια οθόνη LCD I2C για αυτό το έργο. Χρειάζεται μόνο 4 καλώδια για διασύνδεση με το Arduino.

Η σύνδεση είναι παρακάτω:

LCD Arduino

VCC 5V, GNDGND, SDAA4, SCLA5

Σειρά-1: Τάση ηλιακού πίνακα, Ρεύμα και ισχύς

Σειρά-2: Τάση μπαταρίας, θερμοκρασία και κατάσταση φορτιστή (Φόρτιση / Μη φόρτιση)

Σειρά-3: Φόρτωση ρεύματος, ισχύος και κατάστασης φόρτωσης

Σειρά-4: Ενέργεια εισόδου από ηλιακό πάνελ και ενέργεια που καταναλώνεται από το φορτίο.

Πρέπει να κατεβάσετε τη βιβλιοθήκη από το LiquidCrystal_I2C.

Βήμα 14: Πρωτοτυπία και δοκιμή

1. Breadboard:

Αρχικά, έκανα το κύκλωμα σε ένα Breadboard. Το κύριο πλεονέκτημα μιας σανίδας χωρίς κόλλα είναι ότι είναι, χωρίς κόλλα. Έτσι, μπορείτε εύκολα να αλλάξετε το σχέδιο απλά αποσυνδέοντας εξαρτήματα και καλώδια όπως χρειάζεται.

2. Διάτρητη σανίδα:

Αφού έκανα τη δοκιμή του breadboard, έκανα το κύκλωμα σε μια διάτρητη σανίδα. Για να το κάνετε ακολουθήστε τις παρακάτω οδηγίες

θ) Εισάγετε πρώτα όλα τα μέρη στην οπή της διάτρητης σανίδας.

ii) Συγκολλήστε όλα τα μαξιλάρια και κόψτε τα επιπλέον πόδια με ένα μανταλάκι.

iii) Συνδέστε τα μαξιλάρια συγκόλλησης χρησιμοποιώντας σύρματα σύμφωνα με το σχηματικό σχήμα.

iv) Χρησιμοποιήστε στάση για να απομονώσετε το κύκλωμα από τη γείωση.

Το κύκλωμα διάτρητης πλακέτας είναι πραγματικά ισχυρό και μπορεί να αναπτυχθεί μόνιμα σε ένα έργο. Μετά τη δοκιμή του πρωτοτύπου, εάν όλα λειτουργούν τέλεια, μπορούμε να προχωρήσουμε στον σχεδιασμό του τελικού PCB.

Βήμα 15: Σχεδιασμός PCB

Έχω σχεδιάσει το διάγραμμα χρησιμοποιώντας το διαδικτυακό λογισμικό EasyEDA, μετά από αυτό μεταβώ στη διάταξη PCB.

Όλα τα στοιχεία που προσθέσατε στο σχηματικό θα πρέπει να είναι εκεί, στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο, έτοιμα για τοποθέτηση και δρομολόγηση. Σύρετε τα εξαρτήματα πιάνοντας τα τακάκια του. Στη συνέχεια, τοποθετήστε το μέσα στην ορθογώνια οριακή γραμμή.

Τακτοποιήστε όλα τα εξαρτήματα με τέτοιο τρόπο ώστε η σανίδα να καταλαμβάνει τον ελάχιστο χώρο. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του σκάφους, τόσο φθηνότερο θα είναι το κόστος κατασκευής του PCB. Θα είναι χρήσιμο εάν αυτός ο πίνακας έχει κάποιες οπές στερέωσης, ώστε να μπορεί να τοποθετηθεί σε περίβλημα.

Τώρα πρέπει να δρομολογήσετε. Η δρομολόγηση είναι το πιο διασκεδαστικό μέρος αυτής της διαδικασίας. Είναι σαν να λύνεις ένα παζλ! Χρησιμοποιώντας το εργαλείο παρακολούθησης πρέπει να συνδέσουμε όλα τα στοιχεία. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τόσο το επάνω όσο και το κάτω επίπεδο για να αποφύγετε την επικάλυψη μεταξύ δύο διαφορετικών κομματιών και να κάνετε τα κομμάτια πιο σύντομα.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το επίπεδο μεταξιού για να προσθέσετε κείμενο στον πίνακα. Επίσης, είμαστε σε θέση να εισάγουμε ένα αρχείο εικόνας, οπότε προσθέτω μια εικόνα του λογότυπου της ιστοσελίδας μου για εκτύπωση στον πίνακα. Στο τέλος, χρησιμοποιώντας το εργαλείο περιοχής χαλκού, πρέπει να δημιουργήσουμε την επιφάνεια του εδάφους του PCB.

Τώρα το PCB είναι έτοιμο για κατασκευή.

Βήμα 16: Κατεβάστε τα αρχεία Gerber

Αφού δημιουργήσουμε το PCB, πρέπει να δημιουργήσουμε τα αρχεία που μπορούν να σταλούν σε μια εταιρεία κατασκευής PCB που θα μας στείλει σε εύθετο χρόνο πίσω κάποιο πραγματικό PCB.

Στο EasyEDA Μπορείτε να εξάγετε τα αρχεία κατασκευής (αρχείο Gerber) μέσω Document> Generate Gerber ή κάνοντας κλικ στο κουμπί Generate Gerber από τη γραμμή εργαλείων. Το αρχείο Gerber που δημιουργείται είναι ένα συμπιεσμένο πακέτο. Μετά την αποσυμπίεση, μπορείτε να δείτε τα ακόλουθα 8 αρχεία:

1. Κάτω χαλκός:.gbl

2. Top Copper:.gtl

3. Κάτω μάσκες συγκόλλησης:.gbs

4. Κορυφαίες μάσκες συγκόλλησης:.gts

5. Κάτω οθόνη μεταξιού:.gbo

6. Κορυφαία οθόνη μεταξιού:.gto

7. Τρυπάνι:.drl

8. Outline:.outline

Μπορείτε να κατεβάσετε τα αρχεία Gerber από το PCBWay

Όταν κάνετε μια παραγγελία από το PCBWay, θα λάβω μια δωρεά 10% από την PCBWay για μια συνεισφορά στο έργο μου. Η μικρή βοήθειά σας μπορεί να με ενθαρρύνει να κάνω πιο φοβερή δουλειά στο μέλλον. Ευχαριστώ για την συνεργασία.

Βήμα 17: Κατασκευή PCB

Τώρα είναι καιρός να μάθουμε έναν κατασκευαστή PCB που μπορεί να μετατρέψει τα αρχεία Gerber σε πραγματικό PCB. Έχω στείλει τα αρχεία μου Gerber στο JLCPCB για την κατασκευή του PCB μου. Η εξυπηρέτησή τους είναι εξαιρετικά καλή. Έλαβα το PCB μου στην Ινδία εντός 10 ημερών.

Το BOM για το έργο επισυνάπτεται παρακάτω.

Βήμα 18: Συγκόλληση των εξαρτημάτων

Αφού λάβετε τον πίνακα από το σπίτι PCB, πρέπει να κολλήσετε τα εξαρτήματα.

Για τη συγκόλληση, θα χρειαστείτε ένα αξιοπρεπές συγκολλητικό σίδερο, συγκολλητικό, μαντρί, φυτίλια ή αντλία για συγκόλληση και ένα πολύμετρο.

Είναι καλή πρακτική η συγκόλληση των εξαρτημάτων ανάλογα με το ύψος τους. Συγκολλήστε πρώτα τα εξαρτήματα μικρότερου ύψους.

Μπορείτε να ακολουθήσετε τα παρακάτω βήματα για να κολλήσετε τα εξαρτήματα:

1. Σπρώξτε τα σκέλη του εξαρτήματος μέσα από τις οπές τους και γυρίστε το PCB στην πλάτη του.

2. Κρατήστε την άκρη του συγκολλητικού σιδήρου στη διασταύρωση του μαξιλαριού και του ποδιού του εξαρτήματος.

3. Τροφοδοτήστε τη συγκόλληση στην άρθρωση έτσι ώστε να ρέει γύρω από το μόλυβδο και να καλύπτει το μαξιλάρι. Μόλις κυλήσει τριγύρω, απομακρύνετε την άκρη.

4. Κόψτε τα επιπλέον πόδια χρησιμοποιώντας ένα Nipper.

Ακολουθήστε τους παραπάνω κανόνες για τη συγκόλληση όλων των εξαρτημάτων.

Βήμα 19: Τοποθέτηση του αισθητήρα ρεύματος ACS712

Ο αισθητήρας ρεύματος ACS712 που έχω λάβει έχει προ-συγκολλημένο βιδωτό ακροδέκτη για σύνδεση. Για να κολλήσετε τη μονάδα απευθείας στην πλακέτα PCB, πρέπει πρώτα να ξεκολλήσετε το βιδωτό ακροδέκτη.

Ξεκολλάω το βιδωτό ακροδέκτη με τη βοήθεια αντλίας αποκόλλησης όπως φαίνεται παραπάνω.

Στη συνέχεια, κόλλησα την μονάδα ACS712 ανάποδα.

Για να συνδέσω το τερματικό Ip+ και Ip- στο PCB, χρησιμοποίησα τα πόδια ακροδεκτών διόδου.

Βήμα 20: Προσθήκη του μετατροπέα Buck

Για να κολλήσετε τη μονάδα Buck Converter, πρέπει να προετοιμάσετε 4 ευθείες ακίδες κεφαλίδας όπως φαίνεται παραπάνω.

Συγκολλήστε τις 4 ακίδες κεφαλίδας στο X1, 2 είναι για έξοδο και οι υπόλοιπες δύο είναι για εισόδους.

Βήμα 21: Προσθήκη του Arduino Nano

Όταν αγοράζετε τις ευθείες κεφαλίδες, θα είναι πολύ μεγάλες για το Arduino Nano. Θα πρέπει να τα κόψετε σε κατάλληλο μήκος. Αυτό σημαίνει 15 ακίδες το καθένα.

Ο καλύτερος τρόπος για να κόψετε τα κομμάτια της γυναικείας κεφαλίδας είναι να μετρήσετε 15 καρφίτσες, να τραβήξετε τον 16ο πείρο και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσετε ένα πείρο για να μειώσετε το κενό μεταξύ του 15ου και του 17ου πείρου.

Τώρα πρέπει να εγκαταστήσουμε τις θηλυκές κεφαλίδες στο PCB. Πάρτε τις γυναικείες κεφαλίδες σας και τοποθετήστε τις στις αρσενικές κεφαλίδες στον πίνακα Arduino Nano.

Στη συνέχεια, κολλήστε τις θηλυκές καρφίτσες κεφαλίδας στο PCB του ελεγκτή φόρτισης.

Βήμα 22: Προετοιμασία των MOSFET

Πριν συγκολλήσετε τα MOSFET Q1 Q2 και τη δίοδο D1 στο PCB, είναι προτιμότερο να συνδέσετε πρώτα τις ψύκτρες θερμότητας σε αυτές. Οι ψύκτρες θερμότητας χρησιμοποιούνται για να απομακρύνουν τη θερμότητα από τη συσκευή προκειμένου να διατηρηθεί χαμηλότερη θερμοκρασία της συσκευής.

Εφαρμόστε ένα στρώμα σύνθετης ψύκτρας πάνω από τη μεταλλική πλάκα βάσης MOSFET. Στη συνέχεια, τοποθετήστε το θερμικά αγώγιμο μαξιλάρι μεταξύ του MOSFET και της ψύκτρας και σφίξτε τη βίδα. Μπορείτε να διαβάσετε αυτό το άρθρο σχετικά με το γιατί η ψύκτρα είναι απαραίτητη.

Τέλος, κολλήστε τα στο PCB του ελεγκτή φόρτισης.

Βήμα 23: Τοποθέτηση των αναμονών

Μετά τη συγκόλληση όλων των εξαρτημάτων, τοποθετήστε τις προεξοχές σε 4 γωνίες. Χρησιμοποίησα M3 Brass Hex Standoffs.

Η χρήση στεγανών θα παρέχει επαρκή απόσταση στις αρμούς συγκόλλησης και τα καλώδια από το έδαφος.

Βήμα 24: Λογισμικό & Βιβλιοθήκες

Πρώτα, κατεβάστε τον συνημμένο κώδικα Arduino. Στη συνέχεια, κατεβάστε τις παρακάτω βιβλιοθήκες και εγκαταστήστε τις.

1. Ένα καλώδιο

2. DallasTemperature

3. LiquidCrystal_I2C

4. Βιβλιοθήκη PID

Ολόκληρος ο κώδικας διασπάται στο μικρό λειτουργικό μπλοκ για ευελιξία. Ας υποθέσουμε ότι ο χρήστης δεν ενδιαφέρεται να χρησιμοποιήσει οθόνη LCD και είναι ευχαριστημένος με την ένδειξη led. Στη συνέχεια, απλώς απενεργοποιήστε το lcd_display () από τον κενό βρόχο (). Αυτό είναι όλο. Ομοίως, σύμφωνα με την απαίτηση του χρήστη, μπορεί να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τις διάφορες λειτουργίες.

Αφού εγκαταστήσετε όλες τις παραπάνω βιβλιοθήκες, ανεβάστε τον Κώδικα Arduino.

Σημείωση: Τώρα εργάζομαι στο λογισμικό για την εφαρμογή ενός καλύτερου αλγορίθμου φόρτισης. Παρακαλώ κρατήστε επαφή για να λάβετε την πιο πρόσφατη έκδοση.

Ενημέρωση στις 02.04.2020

Ανέβασε ένα νέο λογισμικό με βελτιωμένο αλγόριθμο φόρτισης και εφαρμογή του ελεγκτή PID σε αυτό.

Βήμα 25: Τελική δοκιμή

Συνδέστε τους ακροδέκτες μπαταρίας Charger Controller (BAT) σε μια μπαταρία 12V. Βεβαιωθείτε ότι η πολικότητα είναι σωστή. Μετά τη σύνδεση, το LED και η LCD θα αρχίσουν να λειτουργούν αμέσως. Θα παρατηρήσετε επίσης την τάση και τη θερμοκρασία της μπαταρίας στη 2η σειρά της οθόνης LCD.

Στη συνέχεια, συνδέστε έναν ηλιακό πίνακα στον ηλιακό ακροδέκτη (SOL), μπορείτε να δείτε την ηλιακή τάση, το ρεύμα και την ισχύ στην πρώτη σειρά της οθόνης LCD. Έχω χρησιμοποιήσει μια τροφοδοσία εργαστηρίου για να προσομοιώσω τον ηλιακό πίνακα. Χρησιμοποίησα τους μετρητές ισχύος για να συγκρίνω τις τιμές τάσης, ρεύματος και ισχύος με την οθόνη LCD.

Η διαδικασία δοκιμής εμφανίζεται σε αυτό το βίντεο επίδειξης

Στο μέλλον, θα σχεδιάσω ένα τρισδιάστατο περίβλημα για αυτό το έργο. Κρατάω επαφή.

Αυτό το έργο είναι μια συμμετοχή στον Διαγωνισμό PCB, ψηφίστε με. Οι ψήφοι σας αποτελούν πραγματική έμπνευση για μένα να κάνω πιο σκληρή δουλειά για να γράψω πιο χρήσιμα έργα όπως αυτό.

Ευχαριστώ που διαβάσατε το Instructable. Αν σας αρέσει το έργο μου, μην ξεχάσετε να το μοιραστείτε.

Τα σχόλια και τα σχόλια είναι πάντα ευπρόσδεκτα.

Δεύτερος στην πρόκληση σχεδίασης PCB