Оптимизированные решения питания для проектов на Arduino

Компоненты и материалы

Компонент	Количество	Примечание
Adafruit PowerBoost Charger Shield	1
LiPo-аккумулятор (3.7–4.2 В)	1	Заряжаемый
Arduino UNO	1

О проекте

Обычные проекты на Arduino не требуют сложного управления питанием: подали питание — работает, убрали — выключилось. Но для автономных устройств (логирование данных, удаленный мониторинг) полезно контролировать заряд батареи, корректно завершать работу и логировать причину остановки.

Проект представляет модульную систему управления питанием: от простого кнопки вкл/выкл до логирования напряжения батареи на SD-карту с таймстемпами. База — Adafruit PowerBoost Shield + LiPo. Можно включать только нужные подсистемы.

Обзор функций

• Включение/выключение кратковременной кнопкой (как в телефоне)
• Мониторинг напряжения батареи через АЦП Arduino
• Автоматическое выключение при критически низком напряжении
• Запись напряжения и сообщения о выключении на SD-карту
• Индикация заряда RGB-светодиодом (зеленый >50%, желтый 20–50%, красный <20%)

Все функции реализуются через две пользовательские функции: arduinoPowerSetup() в setup() и arduinoPowerMonitor() в loop().

Adafruit PowerBoost Shield

Заряжает LiPo и повышает напряжение до 5В. Есть три версии: два breakout и Shield для Arduino. Здесь используется Shield. Подготовка:

• Припаять stacking headers
• Не припаивать встроенный переключатель
• Припаять провод (4 дюйма, 22 AWG) к пину Enable
• Замкнуть пады для аналогового пина A0 на нижней стороне шилда (подключает Vbat к A0)

Схема вкл/выкл кнопкой

Нажатие на выключенном устройстве включает PowerBoost → Arduino загружается. Повторное нажатие (и отпускание) — Arduino подает LOW на Enable → PowerBoost отключается → Arduino гаснет. Это позволяет записать лог перед выключением.

Можно использовать и встроенный переключатель PowerBoost, но тогда нет программного контроля и логирования.

Мониторинг напряжения батареи

LiPo: 4.25 В (заряжен) – 3.7 В (разряжен). АЦП Arduino (0–5 В → 0–1023). Vbat подключен к A0 через замкнутые пады на шилде.

float maxVoltage = 4.25;
float minVoltage = 3.75;
float arduinoPowerVoltage = float(analogRead(A0)) / 1024.0 * 5.0;
float fractionalVoltage = (arduinoPowerVoltage - minVoltage) / (maxVoltage - minVoltage);

Разряд нелинеен, но для оценки достаточно. Индикация RGB LED (общий анод) через два резистора 1кОм на красный и зеленый каналы (синий не используется). Питание LED от 3.3В. Для устранения дребезга измерений — конденсатор 0.1 мкФ между A0 и GND.

Скетч arduino_2_voltage_led реализует вкл/выкл и индикацию. Для отладки раскомментируйте Serial.print.

Логирование напряжения на SD-карту

Используется Adafruit Data Logging Shield (RTC + SD). Данные в CSV с таймстемпами. Важно: логировать сообщение о выключении (нормальное или по низкому заряду). Скетч arduino_3_voltage_logging включает утилиты форматирования времени и мигание красным LED, если нет SD-карты.

Данные напряжения

График разряда за ~20 часов. Падение почти линейное. Конденсатор 0.1 мкФ на A0 сильно сглаживает шум (фиолетовая линия vs синяя).

Логирование окружения (температура, влажность)

Добавляем датчик DHT22 (пин 5, так как пин 2 занят кнопкой). Код в arduino_4_voltage_temp_humidity_logging. Собран на Adafruit Proto Shield.

Энергосбережение

Следующий этап — снижение потребления для увеличения автономности. База — руководство Adafruit «Low Power Datalogging» от Tony DiCola.

Ссылки на код и связанные проекты

• Репозиторий проекта: github.com/craic/arduino_power
• LiPoPi (аналогичное для Raspberry Pi): github.com/NeonHorizon/lipopi
• Pi Power: github.com/craic/pi_power