如何为Arduino板提供环境能源

构建一个从环境中收集能量的Arduino系统提供了大量的布线自由，但需要密切关注系统设计。使用来自环境和无线链路的电源可以将电路板从任何布线中释放出来，并为放置设备提供了极大的灵活性。

Arduino是一个开源电子原型设计平台，专门针对接收传感器输入的业余爱好者建筑系统进行了优化。这特别适用于能量收集设计，因此传感器可以放置在正确的位置，而不必担心电源和信号线。

它基于灵活，易用的硬件和软件，适用于设计师，业余爱好者以及任何对创建交互式环境感兴趣的人。然而，结果，该装置没有针对低功率进行优化，并且在使用能量收集方法时需要克服一些挑战。

Arduino Nano板是一款小巧，完整的面包板友好型电路板，基于Armeino Nano 3.0的ATmega328处理器或Arduino Nano 2.x系列的ATmega168处理器。它只缺少直流电源插孔，可以使用Mini-B USB电缆而不是标准电缆。 Nano是由Gravitech设计和生产的。 16 MHz处理器的建议输入电压为7-12V，每个引脚有14个数字I/O引脚，每个引脚的直流电流为40 mA。 ATmega168版本中有16 KB闪存，ATmega328中有32 KB闪存，其中2 KB由引导加载程序使用。同样，ATmega168有1 KB的SRAM和512字节的EEPROM，带有ATmega168或2 KB的SRAM和1 KB的EEPROM。

Arduino主板的价值在于业余爱好者开发的开源软件以及硬件的灵活性。制造商提供电路布局，并且很容易构建附加卡或屏蔽，以添加传感器或通信功能。

图1：Arduino Nano板。

从能量收集源运行这样的电路板有几个问题。必须仔细考虑总功率预算，但通过轮询输入和数据传输，可扩展的能源（如太阳能电池板）和充足的电池备份，可以对其进行管理。

另一个问题是从电池到电路板的供电。这需要一些复杂的电源管理器件来处理Arduino电路板所需的7至12 V的较高电压以及能量收集源中固有的较低电压和电流。

功率预算

设计的功率预算完全取决于应用。 14个引脚中的每一个都支持5 V的40 mA DC电流，对于各种传感器而言，潜在功耗超过2.8 W，无需添加无线链路。能量收集源难以支持。但是，并非所有线路都会一直处于活动状态 - 事实上，许多线路几乎不会被使用。因此，电路板的使用情况对于确定峰值功率要求并将其映射到能源和电池至关重要。

通过轮询可以进一步降低功率。对于可能每秒轮询一次的传感器，以及每5秒激活一次的无线链路，当前的要求会大大降低，并且可以通过能量收集源更轻松地满足。

Arduino软件中还有几种省电模式，由于这是开源的，因此不断出现新的发展。使用看门狗和休眠功能使微控制器芯片在周期之间进入休眠模式可以将电池寿命从4天延长到3年以上，这表明能量收集可以实现更低的功率预算。

这可以使用Arduino开源编程语言在设备中实现。这基于Wiring语言，它具有与C ++相同的语法和库，但具有简化和修改。为了使语言易于使用，Arduino开发环境基于基于Java的Processing开源IDE。开发可以在PC或Mac上作为主机在Windows，MacOS-X或Linux下完成，也可以在主板上完成。

电源

针对Arduino电路板相对较高功率需求的最有效的能量收集源是太阳能。这可以在室内和室内提供大量电力来驱动电路板。

Sanyo Energy一直处于开发太阳能电池的最前沿，其重点是采用Amorton技术的柔性电池。这些可以组合在一起以提供电压和电流要求，并且轻且灵活，足以在业余爱好者设计中使用。

Amorton是一种集成的非晶硅太阳能电池，它使用硅烷（SiH4）作为其源气体，并使用等离子体气相沉积工艺制造。在玻璃衬底上连续形成三个非晶硅层--p层，i层和n层，并且该p-i-n结对应于晶体硅太阳能电池的p/n结。这样就形成了一个结点阵列，可以为各种功率输出获得任何所需的电压。

与晶体硅不同，非晶硅具有不规则的原子排列，允许更多的光被吸收，使得电池在给定的功率输出下更薄。这意味着可以生产小于1μm的超薄非晶硅薄膜并用于发电。

图2：三洋的Amorton太阳能电池薄膜。

电源管理

电源管理是利用能量收集来驱动Arduino电路板的关键。 EnerChip的电源管理器件使用最大峰值功率跟踪（MPPT）算法实现高效能量转换，并使用能量收集传感器实现系统负载阻抗匹配。它还为电路板上的AVR微控制器提供通信接口，并为输入的能量和存储能量水平提供能量状态指示器。

CBC915通过动态匹配其输入阻抗与传感器的输出阻抗，实现有效地将来自外部功率传感器的能量转换为电路板可用的电压和电流的功能。在阻抗匹配时，将从换能器提取最大功率。在能量收集应用中有许多不同类型的功率传感器;它们大致分为两类。由于PV电池的类似二极管的电流 - 电压（IV）特性，光伏（PV）电池是独特的并且因此属于它们自己的类别。 PV电池阻抗随入射光强度的变化而变化。随着光强度增加，PV电池阻抗降低。例如，30cm²双串联非晶硅电池阵列的典型阻抗在1000 Lux时为1kΩ，在200 Lux时为5kΩ。

因此，将最大功率从光伏电池传输到CBC915能量处理器升压转换器需要升压转换器的输入阻抗响应光强度的变化而动态变化，光强度的变化来自光伏电池阻抗的变化。

当呈现匹配阻抗时，高效PV电池的输出电压在变化的入射光强度下相当恒定。相反，效率较低的电压的峰值功率点处的电压将随着光强度的变化而变化。 CBC915调整其输入阻抗，以匹配任何类型或质量的PV电池的输出特性。 CBC915设计用于1系列至8系列电池的PV电池阵列，相当于阻抗匹配约0.5 V至4 V.在大多数情况下，使用具有两个串联电池的PV阵列是最节能的。具有较少单元的串联单元配置具有不会由于阴影而损失太多效率并且每单位面积具有更高效率的优点，因为阵列中的间隙较少而不会有助于能量转换。

图3：来自Cymbet的EnerChip CBC915。

另一种替代方案是EH4295微功率升压低压增压器。这是一个自供电的升压模块，可将来自太阳能电池的低直流电压输入转换为适用于Arduino板的更高交流或直流电压输出。它不需要单独的电源来运行，它直接从低输入电压能量采集源获得电源，从低至2μW开始，这使得板载自启动振荡器成为可能。

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图4：EH4295升级Advanced Linear Devices的低压增压器。

EH4295的标称输入阻抗为950Ω，适用于许多不同的能量产生源，也可用于涓流充电应用，如电池充电器或超级充电器，包括能量输入没有得到很好的控制或调节。

EH4295自启动振荡器以约400 Hz的固有频率振荡，这取决于源阻抗，源电压，输出负载和器件中的谐振元件。

核心是MOSFET阵列。耦合到专用MOSFET阵列的板载变压器构成了自启动振荡电路的核心。振荡器波形耦合到模块内部的变压器，该变压器提供AC输出信号，该输出信号的幅度受输出负载的限制。典型的输出负载是全波整流器，可以处理20 V以上的AC输入和输入功率，受EH4295输出的限制。

当与EH4295耦合时，能量发生器源内部阻抗和EH4295输入阻抗形成一个网络，在这个网络中，能量发生器源开始向EH4295供电。一旦达到内部振荡阈值功率水平，振荡开始，并开始能量传递。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型号和单位之间会有所不同。因此，EH4295非常适用于最低工作功率范围非常低的高效率，低功耗应用，以及使用其他方式无法捕获和存储在电池组或电容器存储库中的其他方式。

随着输入能量在能量发生器源处积聚，传输的功率量也相应地发生变化。 EH4295的最大额定功率限制了其功率处理能力，但它确实允许外部辅助DC-DC转换器在更高的功率点接管。板载振荡器产生的交流输出使EH4295能够支持其他开关电路在更高的电压和功率水平下进行转换。

对于许多能量收集应用，EH4295与EH300系列能量收集模块相结合，在与低压，低能量发电源配合使用时提供简单而有效的解决方案，该发电源仅提供零星的间歇输入功率。组合的EH4295和EH300系列模块可以从零输出功率上升到可用水平，用于操作许多远程传感器网络和需要1.8 V至6.8 V范围内直流电源电压的电路。升压的AC或DC输出电压电平也可用于产生参考DC输出，以驱动或启动其他电子电路，例如需要超过1.0 V的DC电源电压才能工作的外部升压DC-DC转换器。

集成电池

EnerChip CC CBC3105集成了5μAh固态电池，可在很宽的电源范围内充电。通过集成电池，它为需要电源桥接和/或二次电源的系统提供备用能量存储和电源管理。单个EnerChip CC最多可以为10个并行连接的EnerChip充电。

在正常操作期间，EnerChip CC使用内部电荷泵在2.5 V至5.5 V范围内为受控电压充电.ENABLE引脚允许使用外部控制线激活和停用电荷泵，以便最大限度地减少电流消耗，并充分利用EnerChip的快速充电时间。

图5：EnerChip CBC3105的高电压模式，带有固态电池，为微控制器提供5V电压。

EnerChip CC可以使用各种电源供电，例如主电源或非充电电池。当ENABLE引脚置为高电平时，电荷泵处于活动状态并为集成电池充电。 EnerChip CC将在10分钟内收取80％的费用。由于快速充电，建议一旦EnerChip CC充满电，用户通过强制降低ENABLE引脚来降低功耗。从MCU生成的信号可用于启用和禁用EnerChip CC。

结论

为Arduino板提供环境能源并非易事，但通过太阳能电池组合为可充电存储单元和创新的电源管理设备供电，可以为电路板提供正确的电流和电压。只要仔细分析功率预算，正确数量的太阳能电池就应该提供所需的功率，为Arduino系统设计人员提供高度的灵活性。