オールインワン太陽光発電ハブ: 充電コントローラー、インバーター、モバイルバッテリー、LEDライト

部品と材料

Microchip Technology ATmega8	×1
バックコンバーター	×1
SparkFun 3W アルミニウムPCB LED (5個パック、暖白色)	×1
Nokia 5110 ディスプレイ	×1
SparkFun ヒートシンク	×1
SparkFun Nチャネル MOSFET	×4
SparkFun Pチャネル MOSFET	×1
ソーラーパネル 40W以下 (12Vシステム用)	×1
SparkFun リチウムイオン電池 18650セル	×1
DC-DC 0.9V-5V to USB モジュール 5V DC ブーストステップアップ電源	×1
汎用NPNトランジスタ	×1
12-0-12/220 センタータップトランス	×1
1N4007 高耐圧・大電流ダイオード	×1
ピンヘッダー 36ピン 1列ロング (0.1インチ)	×1
スライドスイッチ	×1
SparkFun プッシュボタンスイッチ 12mm	×1
Arduino Proto Shield	×1
ストリップ/ベロ/プロト基板 8×11cm	×1
Arduino UNO	×1
Arduino Nano R3	×1
Arduino Mega 2560	×1
低順方向電圧ショットキーダイオード 5822	×1
コンデンサ 10µF	×1
コンデンサ 100nF	×1

必要な工具と機械

はんだごて（汎用）

ドリルモーター

ホットグルーガン（汎用）

アプリとオンラインサービス

Arduino IDE

AutoDesk 123D

このプロジェクトについて

いくつかのソーラーパネル、12Vバッテリー、トランスなどが手元にあり、それらを有効活用したくてこのデバイスを作りました。単一ボード上の完全な小型PVソリューションです。まず各機能の役割を確認しましょう：

充電コントローラー: 太陽光パネルからDC蓄電池/バッテリーへの充電と、負荷によるバッテリー放電を制御し、バッテリー寿命を延ばすデバイス
インバーター: DC電力をAC電力に変換してAC負荷を動作させるデバイス
モバイルバッテリー: USBポートから5V DCを供給し、ガジェット/モバイルデバイスを携帯充電やオフグリッド充電
非常用ライト: 停電時、キャンプ、日没後の屋外活動で使える超高輝度LED光源

このデバイスにはこれらすべての機能があり、最後の2機能（モバイルバッテリーと非常用ライト）はオンボードのリチウムイオン電池で独立して動作します。ソーラーパネル（最大100W）、12V鉛酸バッテリー、トランスがあればすべての機能を利用できます。

Uno上のプロトタイプ版

最初の版はUnoボード上で最小限のハードウェアと機能で開発しました。Nokiaディスプレイを直接取り付け、MOSFETシールドでバッテリーの充放電を制御。メニュー操作なし、インバーターなし、PWM充電なしとクールな機能はなし！単純な充電オン/オフとバッテリー/パネル電圧表示のみ。機能はするが魅力に欠けます。

オールインワン太陽光発電ハブ: 充電コントローラー、インバーター、モバイルバッテリー、LEDライト

プロト基板上のフル機能版

以下の機能を持つ新版を開発しました：

最大100Wパネル対応 PWMソーラー充電コントローラー
60W矩形波ミニインバーター
最大3系統の12V DC負荷制御
プライマリDC負荷の自動オン/オフ機能対応
独立したUSBモバイルバッテリー
バックレギュレーターモジュール
点滅と輝度調整付きオンボードLEDライト

2つのボタン/スイッチでスクロールと選択によるメニュー操作、Nokia 5110ディスプレイでオプションとステータス表示。裏面はホットグルーで絶縁し、金属物とのショートを防止！

ディスプレイバックライトのオン/オフスイッチ、バックコンバーターを内部バッテリーから切り離して独立動作可能にするスイッチなど、便利な機能も追加。

Nokia 5110ディスプレイでのメニュー操作：

技術的な仕組みを学ぼう！

充電コントローラーにはオン/オフ型、PWM型、MPPT型があります。オン/オフ型が最もシンプル（私のバージョン1）で、バッテリー電圧が満充電近くになっても充電電流を絞りません。

一方PWM型は、バッテリーが満充電に近づくにつれて充電電流を徐々に減らします。PWMコントローラーの利点：

失われたバッテリー容量の回復と脱硫酸化
バッテリーの受け入れ容量向上
平均バッテリー容量を95%まで維持
内部セルの電位差を均等化
バッテリー発熱とガス発生を抑制、電解液損失防止
劣化を遅らせシステム寿命を延長

しかしPWMはパネルをバッテリー電圧近くで動作させるため、PVパネルから最大電力を取り出せません。MPPTはこの問題の解決策で、基本的にDC-DC可変昇降圧コンバーターであり、PWMより多くの太陽光発電を変換できます。

インバーターには矩形波、修正正弦波、純正弦波があります。矩形波インバーターは設計が最もシンプルで、ACランプ、蛍光灯、卓上扇風機、はんだごてなど小型DC負荷には十分ですが、誘導モーターや精密機器/電源には高調波歪みのため推奨しません。

修正正弦波は矩形波から作られる擬似正弦波で、単純な矩形波より良好。純正弦波インバーターはあらゆる負荷に最適ですが、ハードウェア設計が複雑で、ソフトウェアアルゴリズムも難しく、コストも高いです。

バックレギュレーターは降圧DC-DCコンバーターで、ここではパネルから電力を取って4.2Vリチウムイオン電池（コントローラーArduino+ディスプレイ、独立モバイルバッテリー、オンボードLEDライトの電源）を充電するバックモジュールを使用しています。

USBモバイルバッテリーは基本的にDC-DCブーストで、リチウムイオン/リチウムポリマー電池の3.3〜4.2V範囲をUSBバス電圧の5Vに昇圧してモバイルデバイスを充電します。バッテリー充電用のバックコンバーターも内蔵。このプロジェクトではバックモジュールがパネルから少し電力を取ってオンボードバッテリーを充電します。

ハードウェアの動作原理

デバイス周りのすべての接続を示す画像：

システムには様々な目的のハードウェアがあります。もちろん頭脳はAVR ATmega8Aマイコン（ATmega328Pでも微修正で使用可能、後述）で、Arduinoでプログラミングされています。

新品のATmega8AにArduino Optiboot8ブートローダーを書き込み。ブートローダー書き込み済みのArduino Mini/ATmega328を購入すれば手間を省けます。

コントローラー、ディスプレイ、LEDライト、モバイルバッテリーはオンボードリチウムイオン電池で駆動。2つのモーメンタリタッチボタンでディスプレイのメニューにアクセスし、デバイスの各機能を操作。スイッチは平滑コンデンサを並列接続してハードウェアデバウンス。スライドスイッチでデバイスの電源オン/オフ。

ソーラー充電機能は、2N2222トランジスタ駆動回路で駆動されるP-MOSFETをマイコンからのPWMで制御して実現。PWMは外部バッテリー電圧レベルに基づいて制御。ソーラーパネルからの電流はP-MOSFETを通って鉛酸バッテリーへ。バッテリーが満充電になるとマイコンからMOSFETをオフ。充電停止後バッテリー電圧が徐々に下がり、13.6Vに達すると低デューティサイクルでフロート充電を再開。

12V DC負荷はN-MOSFETで制御し、そのゲートをマイコンから制御。

オンボードLEDライトもN-MOSFETで駆動、ゲートをPWM制御して輝度調整。

インバーターブロックは2つのN-MOSFETを交互にオン/オフしてACを模擬。外付けセンタータップトランスを追加して矩形波AC出力を実現。

インバーター動作の説明：

ステップアップトランスのセンタータップを通る電流をMOSFETで交互に上向き/下向きに流すことで、二次側にAC電圧を生成。トップMOSFETオン/ボトムMOSFETオフで電流は上向き、逆で下向きに流れます。

両MOSFETはAC周波数の2倍でトグルする必要があります。50Hz ACを作るには、12-0-12V/220Vセンタータップトランスの低圧側に交互の矩形波を印加。50Hzは1波形20ms。したがって20ms/2 = 10ms、つまり100回/秒でインバーター駆動MOSFETのゲート信号をトグル。

警告!!!: AC電圧は人体に致死的です。死傷の恐れあり！トランスの高圧側には決して素手で触れないでください！

インバーター機能を使わない場合、「2XDC負荷」オプションでインバーター端子をさらに2系統の12V DC負荷として使用可能。

ソフトウェアの魔法

コードは2セット提供：単一Arduinoタブにまとめたフルコード、機能別にタブ分けしたコード。

タスク群を単一関数に一般化しています。例：

Get_ADCVal(): パネル、内部バッテリー、外部バッテリー電圧を測定、20サンプル平均を取って電圧変数を更新
Context_Control(): ユーザー操作、アクション制御、ディスプレイ情報更新など
Charging_Control(), Discharging_Control(), Load_Control(): システムのクローズドループとしてバックグラウンド動作。バッテリー電圧監視、自動負荷制御、過充電/過放電保護など

ユーザー入力は割り込み駆動のモーメンタリプレススイッチで取得。スイッチ押下でINT0/INT1関連ISR実行。揮発性変数dp と dsが変化。第3変数levelとdp（ディスプレイポインタ）、ds（ディスプレイコンテンツセレクター）でメニュー/サブメニューを移動しアクション実行。

AVRの16ビットTimer1を設定し、インバーター機能オン時に10msごとにTimer Overflow割り込み発生、PIN_INVPとPIN_INVNをフリップ。

すべてのLcd_...()関数はディスプレイ制御関連。

ATmega8A vs ATmega328P (Uno)

以下の変更でATmega328P/Unoに容易に移植可能。検索置換：

TIMSK → TIMSK1
#define ADC_VREF 2.69 → #define ADC_VREF 1.11
#define ADCVDIV_R1 22 → #define ADCVDIV_R1 8.2

ハードウェアでは22kΩの代わりに8.2kΩ抵抗を使用してパネル/バッテリー電圧をADC測定範囲にスケーリング。

アクション動画

私はプロジェクトについて文字だけでなく動画で確認する派です。同類の方は動画をお楽しみください。

改善の余地

ATmega8Aのフラッシュ容量が尽きたため、以下の重要機能を追加できませんでした：

ソフトウェア制御過負荷/短絡保護
グラフィカルアイコンとロゴ
エネルギー測定とログ記録
バックアップ時間の推定とアラーム
ノートPC充電オプション
6Vシステム対応
Bluetooth負荷制御
タイマーベース負荷制御
更なるクール機能のためのRTCクロック
IoT接続ソリューション
etc.

こうしたプロジェクトを作る予定なら、これらの機能追加を検討してください！ATmega328P(Uno)やArduino Megaなら全機能搭載に適しています。ともかく仕事はこなせますし、私は満足しています。

追加リソース

ATmega8ボードサポート付きArduino 1.0.6をダウンロード
Arduino.exeを開き、ツール > ボード > Optiboot8 を選択
この方法でブートローダー書き込み
コードをコンパイルしてアップロード

コード

単一タブコード Arduino

#define PIN_SCE 12
#define PIN_RESET 13
#define PIN_DC 8
#define PIN_SDIN 7
#define PIN_SCLK 6
#define PIN_INVP 4
#define PIN_INVN 5
#define PIN_LOAD 9 // 12v dc load
#define PIN_LAMP 10 // WHITE LED LIGHT
#define PIN_BATTPWM 11 // Drives PMOS for Ext BAtt Charging
#define PIN_BATTint_Sense A2
#define PIN_SOLAR_Sense A0
#define PIN_BATText_Sense A3
#define ADC_VREF 2.695 // internal ref voltage, around 1.11V for Arduino Uno aka Atmega328P, here my Atmega8A gives this !
#define ADCVDIV_R1 22 // 22 K voltage divider lower Resistor
#define ADCVDIV_R2 175 // 175 K voltage divider upper Resistor
//const uint8_t skulljoke[] PROGMEM ={2,} ; // PIN 2 & 3 USED AS INTERRUPT SWITCH
// PIN 0 & 1 AS PROGRAMMING
// PIN RESET AS
#define LCD_C LOW
#define LCD_D HIGH
#define LCD_X 84
#define LCD_Y 48
uint8_t x=0;
uint8_t level=0;
uint8_t blinker=0;
boolean Load_Auto_Enable=0;
float maxADC_Voltage=0.0;
float BattInt_Voltage=0.0;
float BattExt_Voltage=0.0;
float PV_Voltage=0.0;
volatile int y=0;
volatile uint8_t dp =0;
volatile uint8_t ds =0;
volatile boolean cycle=0;
volatile uint8_t cdc_level =0;

void setup(void) {
  LcdInitialise();
  LcdClear();
  LcdString("*ARDUBOY PV*");
  LcdString(" CONTROLLER,");
  LcdString("AC INVERTER,");
  LcdString("POWER BANK, ");
  LcdString("LAMP THING!!");
  delay(3000);
  analogReference(INTERNAL);
  maxADC_Voltage=(ADC_VREF/ADCVDIV_R1)*(ADCVDIV_R1+ADCVDIV_R2);
  pinMode(PIN_LOAD,OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(0, SW1, FALLING);// Interrupt for Switch 1
  pinMode(3, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(1, SW2, FALLING);// Interrupt for Switch 2
}

void loop(void) {
  Get_ADCVal();
  Context_Control();
  Charging_Control();
  Discharging_Control();
  Load_Control();
  LcdClear();
}

///////////// ADC ///////////////
void Get_ADCVal(void) {
  int I=0, J=0, K=0;
  for(x=0;x<20;x++) {
    I=I+analogRead(PIN_BATTint_Sense);
    J=J+analogRead(PIN_BATText_Sense);
    K=K+analogRead(PIN_SOLAR_Sense);
  }
  BattInt_Voltage=I/20.0;
  BattExt_Voltage=J/20.0;
  PV_Voltage=K/20.0;
  BattInt_Voltage=maxADC_Voltage*BattInt_Voltage/1023.0;
  BattExt_Voltage=maxADC_Voltage*BattExt_Voltage/1023.0;
  PV_Voltage=maxADC_Voltage*PV_Voltage/1023.0;
}

//////////// Display and Control //////////////
void Context_Control(void) {
  if(ds==0) {show_menu();}
  if(ds==1 && dp == 0) {show_info(); delay(100);}

  // 1st Sub Menu
  if(ds==1 && dp == 1) {
    level=1; dp=0;
    while(level==1) {
      int temp=ds;
      LcdClear(); show_load_ctrl(); delay(250);
      if (dp==0){ if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=0;digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);}}
      if (dp==1){if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=0; digitalWrite(PIN_LOAD,HIGH);}}
      if (dp==2){ if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=1;}}
      if (dp==3){show_load_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;}
    }
  }

  // 2nd Sub Menu
  if(ds==1 && dp == 2) {
    level=2; dp=0;
    while(level==2) {
      int temp=ds;
      show_inv_ctrl();delay(250); LcdClear();
      if (dp==0){ if(ds!=temp){Timer1_Init();}}
      if (dp==1){ if(ds!=temp){Timer1_DeInit();}}
      if (dp==2){ if(ds!=temp){Timer1_DeInit();digitalWrite(PIN_INVP,1);digitalWrite(PIN_INVN,1);}}
      if (dp==3){show_inv_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;}
    }
  }

  // 3rd Sub Menu
  if(ds==1 && dp == 3) {
    level=3; dp=0;
    while(level==3) {
      int temp=ds;
      LcdClear(); show_led_ctrl();delay(250);
      if (dp==0){blinker=0;if(ds!=temp) {if(y<=255){y=y+15;analogWrite(PIN_LAMP,y);}}}
      if (dp==1){blinker=0;if(ds!=temp) {if(y>=0){y=y-15;analogWrite(PIN_LAMP,y);}}}
      if (dp==2){if(ds!=temp) {blinker^=1;analogWrite(PIN_LAMP,127);delay(250);analogWrite(PIN_LAMP,0);}}
      if (dp==3){show_led_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;}
    }
  }

  if(blinker==1) {analogWrite(PIN_LAMP,0);}
  delay(250);
  if(blinker==1) {analogWrite(PIN_LAMP,127);}
}

// メニュー表示関数群
void show_menu(void) {
  LcdXY(0,dp); LcdString("->");
  LcdXY(15,0); LcdString("Sys Info");
  LcdXY(15,1); LcdString("DC Load+");
  LcdXY(15,2); LcdString("AC Load~");
  LcdXY(15,3); LcdString("LED Lamp");
}

void show_info(void) {
  LcdXY(0,0); LcdString("Bat_I="); LcdNumtoString(BattInt_Voltage); LcdString("v");
  LcdXY(0,1); LcdString("Bat_E="); LcdNumtoString(BattExt_Voltage); LcdString("v");
  LcdXY(0,2); LcdString("Sol_P="); LcdNumtoString(PV_Voltage); LcdString("v");
  LcdXY(0,3);
  if(BattExt_Voltage >8.0) {LcdString("Batt Conn OK");} else {LcdString("Connect Batt");}
  if (PV_Voltage > 10.5 && cdc_level!=3 && cdc_level!=0) {LcdString("Charging:ON ");} else {LcdString("Charging:OFF");}
  if (TCNT1 >=45535 ) {LcdString("Inverter:ON");} else {LcdString("Inverter:OFF");}
}

void show_load_ctrl(void) {
  LcdXY(0,dp); LcdString("->");
  LcdXY(15,0); LcdString("Load Off");
  LcdXY(15,1); LcdString("Load On");
  LcdXY(15,2); LcdString("Load Auto");
  LcdXY(15,3); LcdString("Return");
  LcdXY(0,4); LcdString("Must Connect");
  LcdString("12V DC Load");
}

void show_inv_ctrl(void) {
  LcdXY(0,dp); LcdString("->");
  LcdXY(15,0); LcdString("AC Inv On");
  LcdXY(15,1); LcdString("AC Inv Off");
  LcdXY(15,2); LcdString("2XDC Load");
  LcdXY(15,3); LcdString("Return");
  LcdXY(0,4); LcdString("2XDC Load,NO");
  LcdXY(0,5); LcdString("TRANSFORMER!");
}

void show_led_ctrl(void) {
  LcdXY(0,dp); LcdString("->");
  LcdXY(15,0); LcdString("LED ++");
  LcdXY(15,1); LcdString("LED --");
  LcdXY(15,2); LcdString("LED Blk");
  LcdXY(15,3); LcdString("Return");
  LcdXY(0,4); LcdString("LED DISABLEs");
  LcdXY(0,5); LcdString("When INVR On");
}

// 割り込みISR
void SW1() { dp++; if(dp>3){dp=0;} }
void SW2() { ds^=1; }

ISR(TIMER1_OVF_vect) {
  noInterrupts();
  TCNT1 = 45535;
  cycle^=1;
  if(cycle==0) {
    digitalWrite(PIN_INVP,HIGH);
    delayMicroseconds(1);
    digitalWrite(PIN_INVN,LOW);
    delayMicroseconds(1);
  }
  if(cycle==1) {
    digitalWrite(PIN_INVP,LOW);
    delayMicroseconds(1);
    digitalWrite(PIN_INVN,HIGH);
    delayMicroseconds(1);
  }
  interrupts();
}

// Nokia 5110 関数群
static const byte ASCII[][5] = {
  {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}, // 20
  {0x00, 0x00, 0x5f, 0x00, 0x00}, // 21 !
  // ... (省略)
  {0x78, 0x46, 0x41, 0x46, 0x78}  // 7f
};

void LcdCharacter(char character) {
  LcdWrite(LCD_D, 0x00);
  for (int index = 0; index < 5; index++) {
    LcdWrite(LCD_D, ASCII[character - 0x20][index]);
  }
  LcdWrite(LCD_D, 0x00);
}

void LcdClear(void) {
  for (int index = 0; index < LCD_X * LCD_Y / 8; index++) {
    LcdWrite(LCD_D, 0x00);
  }
}

void LcdInitialise(void) {
  pinMode(PIN_SCE, OUTPUT);
  pinMode(PIN_RESET, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DC, OUTPUT);
  pinMode(PIN_SDIN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_SCLK, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_RESET, LOW);
  digitalWrite(PIN_RESET, HIGH);
  LcdWrite(LCD_C, 0x21);
  LcdWrite(LCD_C, 0xA0);
  LcdWrite(LCD_C, 0x04);
  LcdWrite(LCD_C, 0x14);
  LcdWrite(LCD_C, 0x20);
  LcdWrite(LCD_C, 0x0C);
}

void LcdString(char *characters) {
  while (*characters) { LcdCharacter(*characters++); }
}

void LcdWrite(byte dc, byte data) {
  digitalWrite(PIN_DC, dc);
  digitalWrite(PIN_SCE, LOW);
  shiftOut(PIN_SDIN, PIN_SCLK, MSBFIRST, data);
  digitalWrite(PIN_SCE, HIGH);
}

void LcdXY(int x,int y) {
  LcdWrite(LCD_C,0x80|x);
  LcdWrite(LCD_C,0x40|y);
}

void LcdNumtoString(float number) {
  char string[8];
  LcdString(dtostrf(number,5,2, string));
}

// バックグラウンド制御関数
void Load_Control(void) {
  if (Load_Auto_Enable == 1 && PV_Voltage < 4.5 && cdc_level > 0) {digitalWrite(PIN_LOAD,HIGH);}
  if (Load_Auto_Enable == 1 && (PV_Voltage >10.5 || cdc_level==0)) {digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);}
}

void Charging_Control (void) {
  if (PV_Voltage > 10.5 && BattExt_Voltage >8.0) {
    if (BattExt_Voltage <= 12.5) { analogWrite(PIN_BATTPWM,255); cdc_level = 0; }
    else if (BattExt_Voltage <=12.9) { analogWrite(PIN_BATTPWM,200); cdc_level = 1; }
    else if (BattExt_Voltage <=13.3) { analogWrite(PIN_BATTPWM,160); cdc_level = 1; }
    else if (BattExt_Voltage <=13.6) { analogWrite(PIN_BATTPWM,120); cdc_level = 2; }
    else if (BattExt_Voltage <=13.9 && cdc_level == 2) { analogWrite(PIN_BATTPWM,80); cdc_level = 2; }
    else if (BattExt_Voltage <=14.3 && cdc_level == 2) { analogWrite(PIN_BATTPWM,40); cdc_level = 2; }
    // 過電圧ロックアウト
    if (BattExt_Voltage > 14.3) { analogWrite(PIN_BATTPWM,0); cdc_level = 3; }
  } else { analogWrite(PIN_BATTPWM,0); cdc_level = 3; }
}

void Discharging_Control (void) {
  if (BattExt_Voltage <= 10.8) {
    cdc_level = 0;
    digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);
    Timer1_DeInit();
  }
}

// Timer1 関数
void Timer1_Init(void) {
  noInterrupts();
  pinMode(PIN_INVP,OUTPUT);
  pinMode(PIN_INVN,OUTPUT);
  TCCR1A = 0; TCCR1B = 0;
  TCNT1 = 45535;
  TCCR1B |= (1 << CS11); // 8分周
  TIMSK |= (1 << TOIE1);  // オーバーフロー割り込み有効
  interrupts();
}

void Timer1_DeInit(void) {
  noInterrupts();
  TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0;
  digitalWrite(PIN_INVP,LOW);
  digitalWrite(PIN_INVN,LOW);
  interrupts();
}

整理されたフルコード C/C++

コードは整理済みで可読性良好（ダウンロードのみプレビューなし）

ブートローダー C/C++

ダウンロードのみプレビューなし

回路図

Arduino UNO ウェブ対応サーボ制御 – PHPoC WiFiシールド使用 Arduino Nanoで作るスマートペットフィーダー

製造プロセス

3Dプリント

自動制御システム

産業技術