Размещено на http://www.allbest.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Анализ параметров энергопотребления автономных устройств связи и коммуникаций

2. Анализ существующих технических решений автономных устройств питания электронной аппаратуры

3. Разработка алгоритма управления устройством электропитания

4. Разработка структуры устройства электропитания

4.1 Расчет энергетических параметров устройства электропитания

4.2 Состав и принцип действия устройства электропитания

5. Разработка модуля контроля и управления

5.1 Разработка измерительных каналов электрических режимов

5.2 Разработка программного модуля обработки результатов измерений для микроконтроллера

5.4 Разработка программного модуля микроконтроллера

6. Разработка и сборка макета устройства

7. Экспериментальные исследования макета устройства

8. Тестирование программных модулей

Заключение

Список используемых источников

Приложение 1



ВВЕДЕНИЕ

За последние десять лет цена одного киловатта солнечной энергии уменьшилась в десять раз. С каждым годом в мировой энергетике растет объем используемой энергии, полученной с помощью солнечных батарей. В связи с развитием технологий солнечных батарей и удешевлением их производства появилось множество электронных устройств в потребительском сегменте, использующих солнечную энергию.

Одним из классов таких устройств являются автономные источники питания на основе солнечных батарей. Данные устройства особенно актуальны в труднодоступных регионах мира, где нет постоянного энергоснабжения. К таким местам относятся районы Крайнего Севера, тайга, леса, острова, горы и пустыни. Благодаря солнечным батареям в таких местах можно зарядить электронные устройства связи и навигации.

На основе анализа существующих моделей источников питания на основе солнечных батарей можно сделать вывод, что большинство подобных устройств обладают схожим функционалом и качеством. Большое количество моделей, представленных на рынке, говорит о том, что среди них нет лидера по качеству. Такое положение дел вызвано тем, что для подобных устройств определен общий сценарий использования: они должны быть портативными и предназначены для зарядки маломощной нагрузки, например, спутниковых телефонов и портативных радиостанций.

Чтобы сделать конкурентоспособное устройство в таком сегменте рынка, можно более четко задать сценарий использования. Например, можно ограничить географические и климатические зоны, на которые будет заточено подобное устройство. В случае с современной Россией наиболее актуальным сценарием будет использование в труднодоступных регионах на севере и востоке страны для подзарядки портативных радиостанций и спутниковых телефонов. Такое устройство может быть полезно для работников нефтегазовой отрасли и исследователей.

Целью данной дипломной работы является разработка макета автономного устройства питания электронной аппаратуры на солнечных элементах. Устройство должно соответствовать следующим требованиям:

· Максимальная мощность нагрузки 10 Вт;

· Время заряда аккумулятора при интенсивном освещении не более 4 часов;

· Рабочий диапазон температур от - 20 до + 60 ?;

· Ступенчатая установка выходного напряжения;

· Выходное напряжение стабилизированное, однополярное;

· Управление и индикация режимов через встроенную панель управления.

Задачами дипломной работы в связи с указанной целью являются:

1. проведение анализа решений, существующих на рынке;

2. изучение параметров заряжаемой нагрузки;

3. разработка структурной схемы устройства питания;

4. разработка алгоритма работы контроллера заряда;

5. разработка модуля контроля и управления зарядом;

6. сборка рабочего макета устройства;

7. тестирование макета и программных модулей.

В ходе выполнения дипломной работы были использованы следующие инструментальные средства: платаArduino 2560 Mega, АЦПAD7819, полевой транзистор,батарея солнечных элементов, аккумуляторная батарея с напряжением 7,4 В.

Задействованное в ходе разработки программное обеспечение: sPlan 7.0, редактор диаграмм Pencil, среда разработки ArduinoIDE.

Планируемыми результатами дипломной работы являются макет устройства питания, программа микроконтроллера и отчет по выполнению работы.



1. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ АВТОНОМНЫХ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ И КОММУНИКАЦИЙ

Ограничиваем устройства связи и коммуникаций спутниковыми телефонами IRIDIUM и переносными радиостанциями служебной связи Motorola (мощность радиопередатчика 5 Вт). Из этого следуют области применения разрабатываемого устройства.

Нужно найти параметры аккумуляторов или устройств сетевого питания. Лучше искать не от аккумуляторов, а от фирм-производителей телефонов и радиостанций.

Область применения зарядного устройства - труднодоступные районы Севера и Востока РФ. Зарядное устройство рассчитано на работу со спутниковыми телефонами и переносными радиостанциями. Необходимо проанализировать мощность, требуемую таким потребителям электроэнергии.

Походное оборудование

Большинство девайсов, заряжаемых по USB, рассчитаны на напряжение в 5В. Данный уровень напряжения позволяет без опаски заряжать любое USB-устройство. Сила тока, в свою очередь, может отличаться - большинству устройств достаточно уровня 1А для стандартной зарядки (т.е. мощность потребления равна 5 Вт), однако повышение силы тока может ускорить процесс зарядки аккумулятора. Если устройство поддерживает технологию быстрой зарядки (QuallcommQuickCharge, OnePlusDashCharge и т.д.), можно повысить ток до 2А при напряжении до 9В. энергопотребление связь коммуникация электропитание

Технологии быстрой зарядки

Многие заряжаемое по USB устройства поддерживают стандарты быстрой зарядки. Подобные решения могут быть полезны в условиях короткого светового дня. Рассмотрим самые популярные технологии быстрой зарядки:

QualcommQuickCharge

Данный стандарт разрабатывался для мобильных устройств и обеспечивается отдельной микросхемой (контроллером питания), либо QuickCharge-совместимом чипсетом Snapdragon[1]. Разработчики утверждают, что последняя ревизия их технологии быстрой зарядки вдвое ускоряет заряд аккумулятора на первом этапе (до 75%).

На данный момент QualcommQuickCharge это самый популярный стандарт быстрой зарядки на рынке Android-устройств. Согласно Antutu[2], ее поддерживают около 40% современных устройств под управлением Android (Рис. 1).

Рис. 1. Рыночная доля производителей SoC для Android-смартфонов

Самой популярной ревизией данного стандарта является QualcommQuickCharge 2.0 (Рис. 2) [3]:



Рис.2. Характеристики QualcommQuickCharge 1.0 и 2.0

Технология работает, измеряя текущее состояние батареи и регулируя питание устройства. В результате аккумулятор емкостью 3000 мАч заряжается от 0 до 60% за 30 минут. Далее скорость заряда падает, и на полную зарядку в итоге уходит 1,5 часа. Данная технология заряжает устройство током 1,6 А при напряжении 5 В. Получается, что устройства с поддержкой стандарта QualcommQuickCharge 2.0 потребляют до 8 Вт*час энергии.

OPPOVOOCFlashCharge

Данная технология была разработана BBK и применяется в смартфонах, выпускаемых дочерними компаниями BBK (OPPO, Vivo, OnePlus). Устройства OPPO и Vivo занимают второе и третье места по продажам в Китае по отчету аналитической компании Canalys[4], что делает эту технологию второй по распространенности после QualcommQuickCharge.

VOOC (VoltageOpenLoopMulti-stepConstant-CurrentCharging) принципиально отличается от QualcommQuickCharge тем, что работает на повышение тока заряда, а не его напряжения. Стандарт позволяет заряжать электронные устройства током 4А при напряжении 5В.

Данная технология позволяет зарядить Li-ion аккумулятор емкостью 3000 мАч до 60% за 35 минут, а с 65% до 100% за 40 минут. Можно сделать вывод, что при использовании данной технологии ускоряется заряд на второй фазе (когда напряжение на аккумуляторе приближается к пороговому значению), а в итоге дает почти двукратный выигрыш по времени в сравнении с QualcommQuickCharge. Однако на практике скорость заряда устройств с данными технологиями отличается не сильно (данные Androidauthority[5]):

Рис. 3. Время заряда аккумулятора с применением разных технологий быстрой зарядки

Недостатком этой технологии является невозможность ее реализации без специального зарядного адаптера. Это делает невозможным ее применение в рамках использования нашего зарядного устройства. Поэтому стоит рассматривать возможность использования устройства питания со смартфонами, поддерживающими технологию QualcommQuickCharge 2.0.

Далее, рассмотрим электронные устройства связи с проприетарными интерфейсами питания (не USB).

Спутниковые телефоны

Рассмотрим энергопотребление спутниковых телефонов марки Iridium 9555 и 9575 (самые популярные модели на портале Яндекс Маркет).

Спутниковые телефоны фирмы Iridium рассчитаны на напряжение 6В при силе тока 825 мА (4,95 Вт).

Портативные радиостанции

Рации MotorolaDP1400, DP2400, CP-140 являются самыми популярными моделями с мощностью передатчика 5 Вт на портале Яндекс Маркет.

Согласно информации о зарядном адаптере, MotorolaDP1400 потребляет ток 1,5А при напряжении в 14В. Модели MotorolaDP2400 и CP-140 потребляет 1А при 15В.

Контролеры заряда в электронных устройствах могут работать на нескольких ступенях регулирования, приспосабливая то, что выдаёт зарядное устройство, к тому, что требуется аккумулятору. Иначе говоря, сопротивление электронного устройства не постоянное. Часть тока уходит на зарядку (напряжение около 5 вольт для одних, 6,5 вольт для других), всё что выше - уходит в тепло, т. е. при значительном превышении устройство можно повредить.

Ступени напряжения для зарядки: 6В и 15В

Диапазон токов: 1…2А



2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ АВТОНОМНЫХ УСТРОЙСТВ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Как у любого другого устройства, у разрабатываемого автономного источника питания электронной аппаратуры на солнечных элементах существует область применения. Учитывая тот факт, что технические устройства находятся в постоянном развитие или постоянной разработке, то при выборе области применения устройства следует учитывать максимальную пользу и гарантию использования устройства. Если рассматривать обыкновенные мобильные телефоны, электронные книги и другие распространенные устройства, то очевидно, что на сегодняшний день существует достаточно способов зарядки вышеупомянутых устройств. Тогда ставится задача выбора такой области применения, которая была бы необходима в тех условиях, где обыкновенные устройства просто не справятся. Так, например, в ситуациях, оторванных от внешнего мира, вне зоны покрытия операторов сотовой связи, но при срочной и обязательной связи, где нельзя использовать обыкновенные сотовые телефоны, приходят на выручку переносные радиостанции и спутниковые телефоны. Именно они и будут служить областью применения для разрабатываемого устройства. Как спутниковые телефоны, так и переносные радиостанции служебной связи используются в условиях, непригодных и затруднительных для работы повседневных устройств. Существует несколько поставщиков переносных радиостанций и спутниковых телефонов. Если рассматривать компании, предоставляющие услуги спутниковой связи, то на сегодняшний день их всего лишь четыре. Для начала рассмотрим принцип работы спутникового телефона. Начнем с непосредственного обеспечения работы данного устройства. Канал связи с коммутационным спутником и наземной станцией обеспечивает работу такого телефона. Спутник, непосредственно, отвечает за прием и передачу сигнала абонентам, при этом спутник передает отчет о работе наземной станции. Учитывая разную зону охвата и удаленность спутников от земли, различают два вида спутников: низкоорбитальные и геостационарные. Для низкоорбитальных спутников расстояние до Земли составляет около 150 км, они могут обеспечить связь с самыми дальними точками нашей планеты. Но стоит также отметить, что для качественного охвата количество таких спутников должно быть немалым. Если рассматривать геостационарные спутники, то по расстоянию нахождения от Земли, расположены они гораздо дальше (на геостационарной орбите (около 36000 км над уровнем моря), а сам спутник должен вращаться вокруг планеты с угловой скоростью, которая в свою очередь равна угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, следовательно, их зона охвата остается неизменной [6, 7].

Рассмотрим преимущества, недостатки и возможности компаний, предоставляющих услуги спутниковой связи.

Первая компания -Inmarsat, владеет геостационарными спутниками. Большинство клиентов - фирмы и организации, компания обеспечивает телефонную связь и передачу сигналов о бедствии, но средства связи достаточно габаритны, поэтому их постоянная транспортировка весьма затруднительна [7].

Следующая компания - Globalstar. Это компания международного уровня, в ее распоряжении 48 низкоорбитальных спутников, которые имеют возможность подключаться к интернету и к коммутируемым телефонным сетям. Достоинством данной компании является работа практически на всей территории Земли (кроме полярных областей), а размеры телефона сравнимы с обыкновенными сотовыми телефонами, задержка голоса и эхо практически незаметны. Также стоит отметить, что существует страны, где использование таких телефонов ограничено или полностью запрещено [8].

Далее рассмотрим компанию Thuraya, она является самой молодой компанией. Отличительной чертой данной компании является работа как спутниковой связи, так и обычных наземных сетях, с которыми компания заключила договоры. Размеры устройства небольшие. К сожалению, у данной системы существует недостаток в виде доступности сети на территории РФ только лишь на 35%. Данная проблема решаема. Доступности сети увеличится, если компания введет в действие еще один спутник [7, 8].

И, наконец, компания Iridium - самая крупная из всех перечисленных компаний. Зона покрытия Земли составляет 100%, что является ее самым явным преимуществом перед конкурентами. Компания имеет 66 спутника околоземной орбиты. Использование в России разрешено лишь в 2012 году, хотя еще с 2000 года компания обеспечивает спутниковую связь Министерству обороны США. Также Iridiumимеет самые маленькие из всех телефоны, как и в системе Globalstar, в системе Iridium практически незаметны задержка голоса и эхо. Также стоит отметить, что входящие звонки являются бесплатными, а исходящие - недорогими как по спутниковому каналу, так и через сотовую связь [8].

Исходя из данных о спутниковых телефонах различных компаний, ограничим область применения устройства спутниковыми телефонами марки Iridium. Также остановим свой выбор на переносной станции служебной связи Motorola с мощностью радиопередатчика в 5 Вт.

Далее рассмотрим уже существующие модели солнечного зарядного устройства с позиции решаемой задачи.

Первая рассматриваемая модель - зарядное устройства CH-10. Оно предназначено для зарядки любых телефонов, навигаторов и других небольших устройств. Солнечная батарея располагается так, что солнечные лучи падали бы перпендикулярно ее поверхности. Сам телефон подключается к зарядному устройству. В таблице 1 приведены параметры солнечного зарядного устройства [9].



Таблица 1

Характеристики зарядного устройства CH-10

Максимальная мощность, Вт:	10
Напряжение на выходах USB:	5 Вольт (максимум 5,4 В)
Максимальный ток на выходах USB, мА:	1000
Размеры солнечного модуля, мм.:	290 x 290 x 17
Вес, кг:	1,0
Температура эксплуатации солнечной панели:	от -40°C до +85°C

Далее рассмотрим характеристики еще одной модели: BYLYNDDualUSBWaterproofSolarpowerbank. Характеристики устройства представлены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики зарядного устройства BYLYNDDualUSBWaterproofSolarpowerbank

Напряжение входное, В:	5
Напряжение выходное, В:	5
Вес, кг:	0.2
Размер устройства, мм:	139 х 75 х 20

И, наконец, рассмотрим еще одно зарядное устройство на солнечной батарее, подходящее как для зарядки телефонов, планшетов, так и для зарядки ноутбуков - SA-15.

Зарядное устройство состоит из солнечной панели мощностью 15 Вт, адаптера и аккумулятора с выходами 5, 12, 19 В. Такому встроенному аккумулятору необходимо около 4 часов для полной зарядки в солнечную погоду. За счет использования литий-полимерных аккумуляторов комплект обладает небольшим весом. Параметры солнечной батареи SA-15 представлены в таблице 3 [10].



Таблица 3

Характеристики зарядного устройства SA-15

Максимальная мощность солнечной панели, Вт:	15
Напряжение на выходах блока Osminog, В:	5 / 12 / 19
Максимальный ток по выходу USB 5 Вольт, А:	2
Максимальный ток по выходу 12 Вольт, А:	10
Максимальный ток по выходу 19 Вольт, А:	3,5
Суммарная емкость элементов по 3,7 Вольта, мА*ч:	12000
Размеры солнечного модуля, мм.:	435 x 290 x 17
Вес, кг:	1,95
Температура эксплуатации:	от -30°C до +60°C



3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

В устройстве питания будет использован литий-ионный аккумулятор. Рассмотрим процесс его заряда, чтобы на его основе разработать алгоритм управления устройством электропитания.

Все зарядные устройства работают по общему принципу, подавая электрический ток на аккумуляторные элементы, которые будут удерживать часть энергии, проходящей через них.

Самые примитивные зарядные устройства используют постоянное напряжение или постоянный ток и применяют их к батареям до тех пор, пока вы их не отключите. Такой заряд небезопасен, так как может перезарядить аккумулятор.Более продуманные зарядные устройства работают по алгоритму, включающему в себя несколько этапов. Заряд аккумуляторов по этому методу дольше, но безопаснее.

Приведенный ниже график (рис. 8) показывает, что на первые 75% заряда аккумулятора может потребоваться столько же времени, сколько на последние 25%[6].

Рис. 8. График заряда аккумулятора



Перезаряд аккумулятора представляет большую опасность для электрических устройств. Если батареи полностью заряжены и процесс подзарядки продолжается, полученная электроэнергия преобразуется в тепло. Также растет давление внутри аккумуляторов, что может привести к их взрыву, утечке химических веществ или газа.

Обычно зарядные устройства выключаются после определенного периода времени, чтобы предотвратить перезаряд. Во время заряда специальные контроллеры осуществляют мониторинг физического состояния батареи, измеряя ее температуру и напряжение на ней. В зависимости от значений этих показателей контроллер определяет необходимый батарее ток заряда.

Подсчет контрольных значений напряжения на АКБ

При зарядке аккумулятора контроллер заряда должен вести постоянный мониторинг напряжения на АКБ. При этом он сравнивает полученные с каналов измерения данные с контрольными значениями и тем самым контролирует подаваемый в аккумулятор ток питания. Для установки контрольных значений сперва определим диапазон напряжений, в котором аккумулятор может нормально эксплуатироваться.

Номинальное напряжение литий-ионного аккумулятора составляет 3,7В/элемент [7]. В случае объединения двух таких элементов, полученное значение номинального напряжения на аккумуляторной батарее составит 7,4В.

Помимо номинального напряжения, производитель также должен указать максимальное значение напряжения на аккумуляторном элементе. Для литий-ионных аккумуляторов такое значение обычно равняется 4,2В/элемент. В целях безопасности, а также для удобства считывания данных ограничим максимальное значение напряжения 4,1В/элемент.

При разряде батареи напряжение будет снижаться до минимума, составляющего около 3,0 В/элемент.

Следует уточнить, что контроллер получает данные с каналов измерения в цифровой форме. В нашем случае показатели о напряжении на АКБ передаются с помощью 8-битных аналогово-цифровых преобразователей. Исходя из этого, определим, какими будут контрольные значения напряжения в двоичной форме.

За преобразование данных отвечает АЦП AD7819. Он преобразует аналоговые данные со входа в прямой двоичный код на выходе. Таблица преобразования приведена ниже[8]:

Рис. 9. Таблица преобразования AD7819

Максимальное значение напряжения 4.096В после преобразования будет иметь вид 11111111b. Тогда вес младшего разряда будет равен

.

Следовательно, 00000001b в двоичной системе счисления будет соответствовать 16 мВ в десятичной системе счисления.

Определим контрольные значения напряжения АКБ в двоичной системе счисления:

Стадии заряда аккумулятора

Исходя из контрольных значений напряжения на аккумуляторных элементах, определим стадии заряда аккумуляторной батареи.

Номинальный ток измеряется в долях от номинальной емкости АКБ (Сн).

График заряда литиевого АКБ[9]:

Рис. 10. Зависимость тока заряда от напряжения на АКБ

Процент заряда АКБ:

0% - напряжение на АКБ ниже либо равно установленному рабочему значению U мин=3,0В. Необходимо заряжать АКБ малым током (I под примерно 0.1Сн) до тех пор, пока напряжение не достигнет U раб=3,7В. `1 этап.

20% - напряжение на АКБ достигло значения Uраб, сила тока (I под) равна номинальному току (I ном = (0.2-1)Сн). 1 этап.

80% - напряжение на АКБ достигло порогового значения Uп=4,1В, сила тока начала падать*. 2 этап.

*Продолжительность фазы падающего тока зависит от номинального тока заряда на первом этапе.

100% - пороговое значение напряжения Uп=4,1В, сила тока упала до 0,03Сн.

Контроллер заряда измеряет напряжение на аккумуляторе и исходя из этого регулирует подачу тока. В зависимости от напряжения на АКБ он также разрешает либо не разрешает подключение нагрузки.

Сценарии использования в зависимости от заряда АКБ:

0-20% - АКБ заряжается, но не заряжает нагрузку.

20-80% - АКБ заряжается, заряжает нагрузку при подключении.

80-100% - АКБ не заряжается, но заряжает нагрузку при подключении.

Для обеспечения сценария работы аккумулятора контроллер заряда должен иметь четко прописанный алгоритм.



Рис.

11. Алгоритм работы контроллера заряда

4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

4.1 Расчет энергетических параметров устройства электропитания

Солнечные батареи требуют освещения. Исходя из этого, проанализируем данные об инсоляции и длительности дня по географическим районам России. Далее определим параметры автономного устройства для питания определенного типа аппаратуры.

Рассмотрим районирование РФ по инсоляции (рис. 1) и длительность светового дня (рис.2, рис.3). КПД солнечной батареи зависит от времени года и угла, под которым находится солнце, в среднем, значение колеблется от 13 до 17%. Для расчета необходимых параметров устройства возьмем КПД, равный 15%. Исходя из требований к работе, величина максимальной мощности нагрузки Р составляет 10 Вт [14,15].

Рис. 1. Районирование РФ по инсоляции

Рис. 2. Распределение суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность

Рис. 3. Продолжительность солнечного сияния

Установим, что максимальное время зарядки устройства будет составлять 4 часа, время разговора будет составлять 1 час, также введем длину светового дня, равную 14 часам и солнечную радиацию, равную 4 кВт*ч/кв.м для средних широт и для северных и восточных регионов [16]. Выбор таких исходных данных для дальнейшего расчета параметров обусловлен применяемой областью разрабатываемого устройства.

Поток энергии Солнца равен:

;

КПД=, (1)

где мощность солнечного облучения,

- электрическая мощность.

Зная формулу КПД, найдем электрическую мощность ()*0,15=42,9 )

Учтем, что КПД зарядного устройства (далее ЗУ) составляет 80%.

Найдем энергию аккумулятора:

Р*, (2)

ас;

Тогда можно узнать расход энергии для заряда АКБ:

(3)

ас;

Зная, что время заряда устройства не должно превышать 4 часов, а энергия для заряда АКБ составляет 12,5 Вт*ч, можно узнать электрическую мощность от СБ ():

, (4)

.

Зная отдачу электрической энергии от СБ (42,9) и электрическую мощность от СБ, можно найти площадь солнечного элемента. При расчете площади солнечного элемента стоит учесть, что поток энергии Солнца (мощность на единицу поверхности) был найден для условий нахождения Солнца от весеннего до осеннего равноденствия, а нам нужно зимнее время года, очевидно, что длина светового дня короче. Поэтому для финального расчета площади, возьмем электрическую площадь, равную 21 .

, (5)

=.

Так как в работе будут использованы 2 солнечных батареи, то примерная площадь каждой из них будет равняться 0,06.

4.2 Состав и принцип действия устройства электропитания

В данном разделе дано описание структуры устройства электропитания и представлены схема контроллера АКБ и структурная схема устройства. Опытный образец состоит из платы, на которой расположены АЦП, ЦАП, источник опорного напряжения с однополярным питанием, транзистор и конденсаторы, также на плате расположены специальные кнопки. Солнечные батареи и аккумулятор подключаются через клеммники. На рис. 5 представлена структурная схема устройства.



Рис. 5. Структурная схема устройства

Устройство электропитания работает следующим образом:

Алгоритм управления устройством предусматривает контроль уровня заряда АКБ. Литий-ионные аккумуляторы чувствительны к перезаряду, что проявляется в увеличении давления внутри корпусов аккумуляторов и возможности выхода их из строя. Поэтому в устройстве электропитания предусмотрен измерительный канал напряжения на аккумуляторе. Напряжение на аккумуляторе имеет функциональную связь с уровнем заряда. Часть выходного напряжения снимается с делителя напряжения R2, R3 и передается в микроконтроллер. В микроконтроллере код напряжения на АКБ сравнивается с пороговыми значениями. При превышении допустимого напряжения ЦАП вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на затвор МДП транзистора с изолированным затвором. Транзистор открывается и ток, вырабатываемый солнечной батареей, направляется в шунтирующую цепь через сопротивление R1.

Микроконтроллер позволяет изменять параметры управления зарядом при использовании в устройстве аккумуляторов других систем, например, литий-полимерных или серебряно-цинковых. Последние могут использоваться в устройствах электропитания, эксплуатирующихся в условиях низких температур, вплоть до минус 60 ⁰C. Кроме того использование цифрового управления позволяет свести к минимуму температурные погрешности, свойственные аналоговым схемам управления.

На основе расчета энергетических параметров в устройстве необходимо использовать две солнечных батареи, каждая с площадью 0,06 м². Следует отметить, что батареи целесообразно подключать последовательно. Если подключать батареи параллельно, то генерируемые ими напряжения будут отличаться друг от друга, это вызвано разной освещенностью батарей. Получим, что только одна из батарей будет работать эффективно. Если же подключать батареи последовательно, то напряжения, которые сгенерируют солнечные батареи будут равномерно распределяться по ним. А значит, частичное затенение части элементов не принесет слишком большого вреда, который мог бы сказаться на работе солнечных батарей. Таким образом, при включении солнечных элементов последовательно, напряжение солнечной батареи будет равно сумме напряжений солнечных элементов.



5. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Разработка измерительных каналов электрических режимов

Первым шагом необходимо определиться с элементной базой для разрабатываемого устройства. Исходя из общих требований, удобства и простоты реализации, был выбран АЦПAD7819YNZ и ЦАП AD7302BNZ.

Далее рассмотрим выбранный АЦП и его принцип работы. АЦП превращает физическую величину в соответствующее числовое представление. Начальным параметром может быть ток, напряжение, емкость и т.д. АЦП имеет основные характеристики, к ним относятся разрядность и частота преобразования. Если сначала был подан непрерывный аналоговый сигнал, то на выходе будет импульсный сигнал, параллельно измеряющий амплитуды каждого импульса. Рассмотрим принцип работы параллельного АЦП. AD7819 представляет собой последовательный АЦП, который основан на ЦАП с перераспределением заряда. АЦП может преобразовывать аналоговые входные сигналы в диапазоне от 0 В до напряжения питания.

Рассмотрим работу AD7819 [13]. На рис. 6, 7 представлены упрощенные схемы АЦП. На рис. 6 показан АЦП на этапе его сброса.SW2 замкнут, SW1 находится в положении А. Компаратор удерживается в сбалансированном состоянии и конденсатор выборки получает сигнал наVin. Когда начинается преобразование (рис. 7), SW2 открывается, а SW1 перемещается в положение B. Это приводит к несбалансированному состоянию компаратора. ЦАП перераспределения заряда вместе с контрольной логикой используются для суммирования и вычитания фиксированных сумм заряда с конденсатора выборки для того, чтобы вернуть компаратор в сбалансированное состояние. Преобразование считается завершенным, если компаратор перебалансирован. Логика управления генерирует выходной код АЦП.

Рис. 6. Схема АЦП на этапе сброса

Рис. 7. Процесс преобразования в АЦП

На рис. 8 представлена схема выбранного АЦП AD7819YNZ. АЦП имеет тип корпуса dip-16, обеспечивает восьмиразрядное преобразование. Время преобразования и отслеживания составляет 4,5 мкс, диапазон напряжений патания от 2,7 до 5,5 В, диапазон аналогового входа от 0 В до опорного напряжения, диапазон входного опорного сигнала от 1,2 В до напряжения питания [13].



Рис. 8. СхемаАЦП AD7819YNZ

На рис. 9 представлена схема расположения выводов выбранного АЦП. обозначает опорное напряжение и находится в диапазоне от 1,2 В до напряжения питания. Vin обазначает входное напряжение и находится в диапазоне от 0 В до Vref, инверсный CONVSTотвечает за начало преобразования. Переход с низкого на высокий уровень на этом выводе инициирует импульс длительностью 1,5 мкс по внутреннему сигналу CONVST. Переход с высокого уровня на низкий будет инициировать процесс преобразования. Если внешний сигнал CONVST мал, то его задний фронт приведет к тому, что схема выборки перейдет в режим удержания и начнет преобразование. Если же внешний сигнал будет высоким, а внутренний будет низким, то схема выборки перейдет в режим удержания и иницииурет преобразование. Применение сигнала на выводе CONVST вызовет генерацию импульса. Внешний и снутренний CONVST тогда вводятся в «ИЛИ». Результирующий сигнал будет иметь длительность более длинного сигнала. После начала преобразования, BUSY становится высоким, тем самым указывая на процесс выполенения преобразования. По окончании преобразования схема возвращается в редим отслеживания. Если же сигнал BUSYмал, то это значит, что преобразование закончено. Инверсный вывод CS представляет собой логический вход. Инверсный RD отвечает за чтение контактов, это логический вход. Когда на нем, низкий уровень, данные приводятся в шину данных. Сигнал BUSY отвечает за занятость АЦП, является логическим выводом и имеет высокий уровень во время преобразования [13].

Рис. 9. Схема расположения выводов АЦП AD7819YNZ

Далее рассмотрим принцип работы ЦАП и опишем основные характеристики выбранного ЦАП AD7302BNZ[17].

ЦАП преобразует информацию из цифровой формы в аналоговый сигнал. ЦАП суммирует аналоговые сигналы. Важно отметить, что суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице, что зависит от значения соответствующее разряда кода. На выходе сигнал может иметь форму тока, напряжения или заряда.

На рис. 10 представлена схема выбранного ЦАП. ЦАП имеет тип корпуса dip-20, он восьмиразрядный, также данный ЦАП является сдвоенным, диапазон напряжения питания от 2,7 до 5,5 В, параллельный интерфейс, низкое энергопотребление 3 мА.AD7302 содержит параллельный интерфейс, позволяющий ему взаимодействовать со стандартными микроконтроллерами. Существуют два режима, в которых этот интерфейс может быть настроен для обновления выходов ЦАП. Режим одновременного обновления позволяет одновременно обновлять оба ывхода ЦАП и режим автоматического обновления, позволяющий каждому ЦАП обновляться индивидуально после циакла записи [17].

Рис. 10. Схема ЦАПAD7302BNZ

На рис. 11 представлена схема расположения выводов выбранного ЦАП. DGND представляет из себя цифровую опорную точку и точку возврата всего цифрового тока на микросхему. AGND отвечает за возврат аналогового тока на микросхему и является аналоговой опорной точкой. Инверсный PD является активным низким входом и используется для перевода микросхемы в режим пониженного энергопотребления. Инверсный CLR является активным низким входом, предназначенным для асинхронного сброса. При низком уровне регистры ЦАП загружаются нулями, а выходы ЦАП сбрасываются до 0 В. Инверсный LDACявляется логическим входом. Когда логический вход имеет низкий уровень, то оба выхода ЦАП обновляются одновременно вместе с содержимым их регистров. Инверсный WR является активным низким логическим входом, который используется совместно с инверсным CS (активный низкий логический уровень) и вход не A/В для записи данных в выбраный регистр ЦАП [17].

Рис. 11. Схема расположения выводовЦАП AD7302BNZ.

Также для работы будет необходим источник опорного напряжения. Такой источник обеспечит высокую точность преобразования АЦП и ЦАП. Наиболее экономичным способом выработки опорного напряжения является специальные микросхемы, и именно, источники опорного напряжения или трехвыводные стабилизаторы напряжения.

В работе будет использован прецизионный регулируемый стабилитрон KP142EH19A[18] (рис. 12). Микросхема представляет собой регулируемый стабилизатор напряжения параллельного типа, имеет три вывода:REF (вход управляющего сигнала), ANODEи CATHODE. Микросхема содержит внутренний источник образцового напряжения, который определяет ее минимальное выходное напряжение. Также микросхема сохраняет работоспособность и обеспечивает заданные параметры при напряжении на аноде не ниже, чем на управляющем входе. При увеличении тока нагрузки, ток через микросхему уменьшается, если же замкнуть выход, то ток через микросхему станет равен нулю. Превышение входного напряжения не создаст угрозы для микросхемы, так как лишь увеличится катодный ток и, как следствие, увеличится падение напряжения на балластном резисторе.

Рис. 12. Расположение выводов прецизионного регулируемого стабилитрона KP142EH19A

Выходное напряжение может быть установлено на любое значение от REF до 36 В, оно регулируется с помощью двух резисторов (рис. 13) и задается формулой:

, (6)

где - напряжение входа управляющего сигнала, входной ток, , - соответственно сопротивления для установки нужного значения напряжения.



Рис. 13. Схема стабилитрона с возможностью регулировки выходного напряжения

Далее рассмотрим последний элемент схемы. Это полевой n - канальный транзистор AUIRF1010Z[19]. Ниже приведены основные характеристики данного транзистора. Максимальное напряжение сток-исток составляет 55 В, максимальный так сток-исток при температуре в 25 ⁰С составляет 94 А, максимальное напряжение затвор-исток составляет 20 В, величина сопротивления канала в открытом состоянии составляет 7,5 мОм, максимальная рассеиваемая мощность составляет 140 Вт. На рис. 14 представлена схема транзистора.

В МОП-транзисторе использованы новейшие технологии обработки для достижения низкого сопротивления канала, также транзистор имеет высокую скорость переключения.

Рис. 14. Схема транзистора AUIRF1010Z

5.2 Разработка программного модуля обработки результатов измерений для микроконтроллера

В АЦП встроены измерительные и преобразовательные цепи, поэтому необходимо обеспечить параметры их питания. Нужно согласовать формат данных на входе Arduino, иначе говоря, найти соответствия для напряжений на АЦП и на АКБ и прописать для них восьмиразрядные коды. На прецизионном регулируемом стабилитроне с помощью двух резисторов устанавливается выходное напряжение, равное 4,095 В. Далее это напряжение подается на АЦП в качестве опорного напряжения. Необходимо определиться со значением единицы младшего разряда. Единица младшего разряда будет равна отношению опорного напряжения на АЦП к 256. Таким образом, единица младшего разряда будет соответствовать 16 мВ. Поскольку используется восьмиразрядный АЦП, то очевидно, что последующие единицы разрядов будут находиться как произведение значения младшего разряда на 2, иначе говоря, при движении от младшего разряда по направлению к старшему разряду, каждое последующее значение будет равно , где n - номер предыдущего разряда. Таким образом, для восьмиразрядного числа старший бит будет соответствовать 2,047 В. Старший бит имеет обозначение DB0.

5.3 Разработка контроллера управления цепями заряда и нагрузки

Для реализации проекта необходимо выбрать микроконтроллер с оптимальными параметрами.Обозначим базовые требования:

· Плата с необходимой обвязкой;

· Умение работать с 8-битными данными;

· Количество цифровых входов/выходов не менее 24 (по 10 на два измерительных канала + 3 на диоды + 1 на кнопку);

· Программирование по USB;

· Поддержка языка программирования C++.

По данным требованиям были отобраны микроконтроллерные платы серийSTM8S-Discovery и Arduino2560 Mega.

Рис. 15. УстройствоплатыSTM8S-Discovery

ПлатаSTM8S-DiscoveryпостроенанамикроконтроллереSTM8S105 отSTMicroelectronics[10].

ХарактеристикиSTM8S-Discovery:

Микроконтроллер	STM8S105
Рабочее напряжение	5/3,3V
Цифровые Входы/Выходы	38
Флеш-память	32KB
ОЗУ	2 KB
Энергонезависимая память	1 KB
Тактовая частота	16 MHz



Рис. 16. Устройство платы Arduino 2560 Mega

Плата Arduino 2560 Megaпостроена на микроконтроллере ATmega2560от Atmel[11]. Устройство платы представлено на рис. 16.

ХарактеристикиArduino Mega 2560:

Микроконтроллер	ATmega2560
Рабочее напряжение	5 V
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 V
Входное напряжение (предельное)	6-20 V
Цифровые Входы/Выходы	54 (14 из которых могут работать также как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	16
Постоянный ток через вход/выход	40 mA
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50 mA
Флеш-память	256 KB (из которых 8 КB используются для загрузчика)
ОЗУ	8 KB
Энергонезависимая память	4 KB
Тактовая частота	16 MHz

Преимущества STM8S-Discovery:

· Малая цена (~600 рублей);

· Встроенный программатор-отладчик.

Преимущества ArduinoMega:

· Большое число портов ввода/вывода;

· Широкий выбор периферии;

· Поддержка большого количества библиотек для программирования на C++;

· Открытость и наличие китайских аналогов.

Так как Arduinoэто открытая платформа, существует множество сторонних реализаций, зачастую полностью идентичных оригиналу. Они значительно дешевле, но полностью Arduino-совместимы. Примеры таких реализаций:Freeduino, NetDuino, CraftDuino, Seeeduinoидругие.

Для решения поставленной задачи оптимальным вариантом будет Arduino2560 Megaили ее китайский аналог.

Питание платы

ArduinoMega может автоматически выбирать источник питания, в роли которого может быть внешний энергоресурс или подключаемое по USB устройство.

В роли внешнего энергоресурса может выступать блок питания с AC/DC преобразователем или аккумуляторная батарея. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с положительным полюсом на центральном контакте. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания (POWER).

Для стабильной работы ArduinoMega требуется внешнее питание от 7 до 20В. При Vdd ниже 7В, вывод 5В может выдавать менее 5В. Высокое напряжение питания (выше 12В) может пробить регулятор напряжения и повредить плату.

Микроконтроллер ATmega2560

Микроконтроллер ATmega2560, на котором основана плата Arduino 2560 Mega, - это 8-битный микроконтроллер. выполненный на основе AVR-ядра с RISC-архитектурой. AVR-ядро содержит набор инструкций с 32 рабочими регистрами общего назначения (РОН). ЧерезРОН проходит практически весь объем данных во время операций микроконтроллера. Сами РОНпоследовательно подключены к арифметико-логическому устройству (АЛУ). РОН имеют байтовый формат, а также нумерацию R0-R31. Все регистры находятся в выделенном адресном пространстве памяти данных (SRAM). Такая архитектура позволяет повысить производительность при выполнении логических операций.

Помимо регистров общего назначения, есть также регистры ввода/вывода (I/O). Они занимают адресное пространство SRAMсразу после регистров общего назначения. Через них микроконтроллер осуществляет управление внешней периферией.

Порты ввода/вывода

ATmega2560 - 8-битный микроконтроллер, и поэтому его порты ввода-вывода также являются 8-битными. Каждому биту соответствует один вывод (пин). Следовательно, каждый порт ввода-вывода имеет 8 пинов. Напряжение на каждом из этих пинов может принимать либо высокий (HIGH), либо низкий уровень. Производя чтение или запись данных с каждого порта, программа может менять состояние или режим работы выводов микроконтроллера.

За высокий уровень напряжения (HIGH) принято считать напряжение на входе/выходе, равное или немногим меньшее, чем напряжение питания (для Arduino 2560 Mega это +5 вольт), а за низкий уровень напряжения (LOW) принято считать либо уровень земли (0 вольт), либо небольшое напряжение (до +0,6 вольт). Половина напряжения высокого уровня называется высоким нулём (Hi-Z).

Arduino 2560 Mega имеет увеличенное в сравнении со стандартной платой количество портов. Они обозначены как порты A, B, C, D, E, F, G, H, J, K и L:

· Порт F - это группа выводов ANALOG IN (PF0..PF7).

· Порт K - это группа выводов ANALOG IN (PK0..PK7).

· Порт A - это группа выводов DIGITAL (PA0..PA7).

· Порт B - это группа выводов DIGITAL (PB0..PB3) и группа выводов PWM (PB4..PB7).

· Порт C - это группа выводов DIGITAL (PC0..PC7).

· Порт D - это группа выводов COMMUNICATION (PD0..PD3) и вывод DIGITAL (PD7).

· Порт E - это группа выводов PWM (PE3..PE5).

· Порт G - это группа выводов DIGITAL (PG0..PG2) и вывод PWM (PG5).

· Порт H - это выводы COMMUNICATION (PH0..PH1) и группа выводов PWM (PH3..PH6).

· Порт J - это выводы COMMUNICATION (PJ0..PJ1).

· Порт L - это группа выводов DIGITAL (PL0..PL7).

На рис. 17 представлено расположение выводов ATmega 2560.



Рис.17. Расположение по выводамATmega2560

Таким образом плата Arduino MEGA 2560 имеет 70 контактов ввода-вывода общего назначения (GPIO).



Рис. 18. Соответствие выходов платы портам

На порт А приходят данные об АКБ, порт L отправляет данные для настройки тока питания аккумулятора.

Подключение

Плата Arduino 2560Mega включает в себя несколько устройств для подключения микроконтроллера к компьютеру, другим устройствам Arduino или микроконтроллерам. ATmega2560 поддерживает 4 порта последовательной передачи данных UART для TTL. Для коммутации платы с компьютером на ней установлена микросхема ATmega8U2, которая направляет один из интерфейсов через USB, предоставляя виртуальный COM порт программам на компьютере (машинам под управлением Windows для корректной работы с виртуальным COM портом необходим .infфайл, системы на базе OSX и Linux, автоматически распознаю COM порт). Среда разработки ArduinoIDEподдерживает расширение для мониторинга последовательной шины (SerialMonitor), которое позволяет осуществлять обмен текстовыми данными при подключении платы. При обмене данными между платой и компьютером светодиоды RX и TX на плате будут мигать.

Для последовательной передачи данных с цифровых выходов существует библиотека SoftwareSerial, поддерживаемая ATmega2560.

Также микроконтроллер ATmega2560 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. Для удобства использования первого существует библиотека Wire. Для связи по SPI, используется библиотека SPI.

5.4 Разработка программного модуля микроконтроллера

Обзор среды разработки ArduinoIDE

Для программирования микроконтроллера ATmega2560 используется программная среда ArduinoIDE. Интерфейс среды разработки включает в себя окно редактора программного кода, область сообщений, окно вывода текста(консоль), панель инструментов и несколько типовых разделов меню (файл, правка, скетч, сервис, справка).

Выбор языка программирования

Платформа Arduinoподдерживает множество низко- и высокоуровневых языков программирования. Языки программирования низкого уровня предоставляют больший контроль над аппаратными ресурсами и лучшее быстродействие. В свою очередь, языки программирования высокого уровня более понятны, поскольку приближены к человеческому языку, а не к машинному. Выбор языка программирования зависит от конкретной задачи. Рассмотрим основные языки, которые поддерживает Arduino.

C/C++

Базовый язык платформы Arduino, который дополнен широким набором библиотек, включающий в себя некоторые функции (вроде pinMode) и объекты (вроде Serial). Зачастую такой расширенный «Си» классифицируют как отдельный язык программирования под названием Wiring, однако это не корректно. При компиляции программыArduinoIDE создает временный .cpp файл, в который помимокода программывключаются несколько служебных инструкций для компилятора. Среда ArduinoIDEзаточена под программирование на расширенной версии C/C++.Если для решения поставленной задачи требуется использование «чистого СИ», то можно воспользоваться альтернативной средой разработки WinAVR.

Преимущества C/C++ заключаются в том, что, не смотря на широкий функционал, данный язык прост и понятен. Также стоит учесть большое количество библиотек для Arduino.

Python

Python -- один из наиболее популярных интерпретируемых языков программирования. Однако стандартная среда разработки ArduinoIDEего не поддерживает. Для написания скриптов на данном языке понадобятся библиотеки PySerial и среда vPython.Pythonизначально имеет интеграцию с C/C++, однако тогда функционал библиотек Arduinoбудет недоступен.

Assembler

Язык программирования низкого уровня, позволяющий эффективно использовать аппаратные ресурсы микроконтроллера. Программная среда ArduinoIDEдопускает возможность написания скриптов на Assembler, но с рядом ограничений. Для таких целей лучше подходит среда разработки от Atmel, под названием AVRStudio.

Для выполнения поставленной задачи лучшим образом подходит язык C++ с набором библиотек для Arduino. В ходе написания программы будет задействована функция pinMode, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на портах ввода/вывода.

Разработка скрипта

В процессе разработки программы микроконтроллера необходимо опираться на алгоритм (Рис. 7), а также на технические инструкции по АЦП AD7819 для грамотной инициализации.



Алгоритм управления АЦП AD7819

Рис. 19. Расположение по выводамAD7819

1) Digital Input ~CONVST, ~RD, ~CS Output Voltage BUSY, DB0-DB7;

2) Подаем 1 на ~CONVST;

3) Ждём t2 (30 мкс);

4) Подаем 0 на ~CONVST;

5) Ждем спадающий фронт на ~BUSY;

6) Ждём t4(методом подбора, если сбоит увеличиваем время);

7) Подаем 0 на ~RD;

8) Ждём t6 (10 мкс);

9) Читаем DB0-DB7;

10) Подаем 1 на ~RD;

11) Ждем время t8 (методом подбора, если сбоит увеличиваем время);

12) Переходим к пункту 2.

Разработка скрипта на C++

Определим регистры и переменные программы. Для канала измерения выделим порт А, для канала управления выделим порт L:

byteadcRead1 = 0; //портА

bytedacWrite = 0; //портL

unsignedt4, t8;

intIntVar;

Определим стандартную для Arduino функцию voidsetup(). Как только включается питание микроконтроллера ATmega2560, эта функция автоматически вызывается и задает параметры микроконтроллера на все время работы:

voidsetup() {

pinMode(PB0, OUTPUT); // биты управления АЦП ~CONVST

pinMode(PB1, OUTPUT); // ~RD

pinMode(PB2, OUTPUT); // ~CS

pinMode(PB3, INTPUT); // ~BUSY

DDRA = 0; // Настройка всех выводов порта D на вход (пиныАрдуино 22-29)

PORTA = 0; // Отключаем подтягивающие резисторы

DDRL = 1; // Настройка всех выводов порта L на выход (пиныАрдуино 42-49)

PORTL = 0; // Отключаем подтягивающие резисторы

}

Определим стандартную для Arduino функцию voidloop(). Эта функция вызывается в начале каждого такта микроконтроллера ATmega2560. Тело функции loop() выполняется циклично:

voidloop() {

digitalWrite(PB0, HIGH); //инициализация АЦП AD7819

digitalWrite(PB1, HIGH);

digitalWrite(PB2, HIGH);

delayMicroseconds (30);

digitalWrite(PB0, LOW);

if(digitalRead(PB3) == LOW)

{

delayMicroseconds (t4);

digitalWrite(PB1, LOW);

delayMicroseconds (10);

adcRead1 = PINA;

digitalWrite(PB1, HIGH); //считываем данные с АЦП

delayMicroseconds (t8);

}

После получения преобразованного сигнала с выхода АЦП необходимо сохранить его и конвертировать из типа byte в тип int для обработки в микроконтроллере:

adcRead = PINA;

delay(200)//зависит от скорости передачи

while (adcRead.available()) IntVar = IntVar * 10 + (adcRead.read() - '0'); //перевод byte в int

if (IntVar< 11100111)

{

digitalWrite(LEDpin1, HIGH); //сигнал, что разряжен

}

If (IntVar> 11100111 &&IntVar< 11111111)

{

digitalWrite(LEDpin2, HIGH); //сигнал, что можно заряжать

digitalWrite(npin, HIGH); //подаем V, чтобы открыть транзистор

}

}



6. РАЗРАБОТКА И СБОРКА МАКЕТА УСТРОЙСТВА

В данном разделе представлена схема соединения цепей передачи сигналов и передачи энергии (рис. 20), где - ток шнура, а - ток зарядки. Выше были описаны задействованные в разработке и сборке микросхемы ЦАП и АЦП, источник опорного напряжения, транзистор, также было описано выше, выходное напряжение на источнике опорного напряжения регулируется с помощью двух сопротивлений. К плате внешне присоединятся аккумулятор с напряжением 9 В, батарея АКБ и контроллер также подключаются к схеме через клеммники. Так как максимальное рабочее напряжение на АЦП и на ЦАП составляет 5,5 В, а напряжение на аккумуляторе равняется 9В, то исходяиз этих данных рассчитаем сопротивления, которыми регулируется выходное напряжение опорного источника напряжения. Произведем расчет для АЦП. Исходя их формулы (6), найдем необходимые сопротивления. Знаем, что ,, I = 2 мА. Первым шагом найдемR.

Подставим данные и получим, что R = 2,5 кОм. Далее рассчитаем и. Положим =1 кОм, тогда

Далее аналогично найдем значения параметров для ЦАП. Сразу определим, что ,I = 10 мА, Получаем, что R = 0,35 кОм, а



Рис. 20. Схема соединения цепей передачи сигналов и передачи энергии

На рис. 21 представлен рабочий макет устройства. К плате через клеммники подключены солнечная батарея, микроконтроллер серии ATmega2560, батарея с напряжением равным 9 В и аккумулятор. Исходя из данных схемы соединения, представленной выше, на печатной плате расположены все необходимые для работы элементы. Стоит отметить, что имеют место быть небольшие отклонения. Это связано с подбором сопротивлений. Исходя из расчетов, которые были представлены в главе 6, сопротивления были подобраны максимально точно.

Рис. 21. Рабочий макет разрабатываемого устройства



7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТА УСТРОЙСТВА

...