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« 捕獲の準備 | メイン | DCDCコンバーターのテスト »

2015年3月31日 (火)

重量計バージョン2

バージョン1は完成したけれども、実は一度も使っていないうちに、バージョン2が作りたくなった。

バージョン1は、ただの重量計なので、機能としては重さを測るだけで、体重計のままだと使い勝手が悪いので巣箱の重量を測り易いように形を変えただけでしたが、せっかくマイコンを使うなら、もっと高機能な重量計も作れるんじゃないか?と、いろいろ考えてきており、その案がほぼ煮詰まってきたので、本格的に設計の段階に入る事にした。

今回のバージョンアップで一番大きな改良点は、測定した重量のデータをSDカードに記録していけるようにする事。このデータを記録するのに重量のデータが大切なのは当たり前ですが、もう一つ大切なのが日付、時刻のデータになる(時刻はあまり重要では無いが・・)ので、時計の機能も付け加える必要がある。

そして、装置に時計の機能を追加すると、スイッチOFFの時も常に時計だけは稼働させておく必要があり、当然ながら時計を動かす為の電流が必要となり、それだけ乾電池の消耗が早くなるので、電流の消費量をできるだけ下げる工夫が必要になる。


まず、SDカードについては先日、秋月で売られていたSDカードスロットモジュール

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-05818/

を購入してテストし、使える事が確認できたので、あとは回路に組み込む事と、データをどのタイミングで、どうような形で残していくか?、というプログラムの部分を組み立てていく事になる。(品質は今一だけれども、品質をとやかく言う価格ではないので良しとする・・・笑)


それから、もう一つの省電力化については、私にとってはSDカードを使う事よりも難しくて、どう組み立てていこうか?、というところがなかなかまとまらなかった。電源に使うのは使い勝手の問題から乾電池を使う以外には考えられないけれども、乾電池をどう使うか?というところを悩んだ。

バージョン1の電源としては006P(四角い9Vの電池)を使って、その9Vの電圧を3端子レギュレターで5Vまで落として使った。バージョン1もスイッチOFF時は完全に電源が切れるのではなく、マイコンがスリープ状態で待機する形になるので多少なりとも電流を使っていたけれども、スリープ中の電流は非常に小さく押さえられたので、おそらく使わなければ楽に1年以上は持つだろう?、という回路に仕上がっていた。

でも、バージョン2ではスイッチOFF時にも時計だけは動作させる必要がある。この時計だけを動かすにはマイコンをパワーセーブの状態にさせれば大きく消費電流を抑える事ができるけれども時刻を刻む為に1秒に一度だけ一瞬マイコンを目覚めさせる必要があるので、おそらく006Pでは長く持たないだろうと思う。(やってみないと分からないけど)
そこで、乾電池を単3を6本の9Vか、4本の6Vにして3端子で5Vに落すか、それとも乾電池3本の4.5Vにして電圧を落とさずにそのまま使う事で無駄になる電流をできるだけ節約するか?なんて事も考えたけれども、レギュレターを使わないと乾電池の消耗とともに電源電圧が下がる事になる。電源電圧が下がってもADCの基準電圧も下がるから大丈夫なんて思ってたけれども、よく考えてみれば、ADCの基準電圧は電源電圧ではなくて1.1Vに設定している。電源電圧が下がれば重量センサーのブリッジから返ってくる電圧は下がり、増幅するアンプの倍率は一定なので結果としてはマイコンに帰るブリッジの電圧は下がる事になるけれども基準電圧は1,1Vの一定なので、結果としてマイコンが出す測定値としては下がる事になる。と言う事は同じ重さの巣箱を測定しても乾電池がヘタってくれば、それだけ軽い値を出すことになる。

そうなると、残るのは単3乾電池を6本、あるいは4本にして3端子レギュで5Vに落すのが一番長持ちさせる事ができるかな?と、ほぼその形で設計を進めようとしたところで面白いサイトを見つけた。

そのサイトも許可をもらっていないので公開はしませんが、そのサイトでは乾電池からマイコンの電源として3Vを取るのに、乾電池を長持ちさせるのに単3(1.5V)を2本使って3Vを取るよりも、単3を1本の1.5VからDCDCコンバーターで3Vに昇圧させた方が長持ちさせることができるんだとか?
DCDCコンバーターを使えばそれだけロスになる電流が発生するはずなのに長持ちさせる事ができる、その理由を簡単に説明すると、このサイトで使われていた回路にもLCD(液晶表示器)が付いており、そのLCDは電源として最低2.6V必要で、2.8Vを切ったあたりからコントラストが出なくなってきて表示できなくなってくるんだとか、なので元は1本あたり1.5Vの電圧が1.4Vに落ちただけでLCDが表示できなくなってくる。わずか0.1V落ちただけで支障を来す事になり使えなくなる。しかし、1本の1.5VからDCDCコンバーターで昇圧させると、ここで使われていたコンバーターは0.25Vから昇圧できるらしいので、乾電池が0.25Vに落ちるまで使える事になり、ほぼ空っぽになるまで使い切れる事になり、結果として長持ちさせる事ができるんだとか。確かに乾電池が1.4Vに下がれば捨てるのと、0.25Vまで使えるのとでは大きな違いがある。

このサイトの記事を見て、ひどく感動した!!



そんな方法を見つけたので、うまく出来るかどうかは分からないけれども、とにかくやってみる事に。



とりあえず、パーツの発注から・・・・・・


コメント

お久しぶり。

低消費で時計機能を実現したい場合はマイコンで刻むよりも以下のようなRTC(時計IC)を使ったほうが良いように思います。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00233/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-08585/

RTCは自ら計時するので、マイコンは時刻を知りたいときにRTCから時刻情報を読み出すだけで済みます。

RTCの電源をどう用意するかは機器の構成によるので一概には言えませんが、RTCなら時計用の電源にリチウムボタン電池を使うことも出来ますし、計時のみでは低消費です。

それと、時計を使うとなると、RTCかどうかに関わらず、時刻設定をするためのインタフェース(スイッチ)が必要になりますね。

さて、DCDCコンバータを使った電源ですが、O-Familyさんが仰っていましたが、スイッチング式の場合はスイッチングノイズが発生するので、その対策が必要になるかもしれませんね。

◆そらさん

このRTCという物も非常に気になってたのですが
データの通信方法や時刻の設定方法など、まだ勉強が必要なところが多くて躊躇しておりました(笑)
やはりマイコンのパワーセーブを使うより省電力になるんですね?
でも是非とも覚えておきたい物なので、勉強していきたいです。

>インタフェース(スイッチ)が必要になりますね。

時計の他にも設定項目がいろいろと出てきますので
得意のボタンスイッチ5発で計画しております。

>スイッチング式の場合はスイッチングノイズが発生するので

なるほど、そんな問題もあるんですね・・・?
「ノイズ」と聞くと、ちょっとビビってしまいますが
O-Familyさんが書かれてるところ、教えて頂ければ嬉しいです。一度読んでみますので。

> やはりマイコンのパワーセーブを使うより省電力になるんですね?
厳密には細かく設計しないと断言は出来ませんが、私なら手っ取り早くRTCを使いますね。

> 得意のボタンスイッチ5発で計画しております。
スイッチが5個あれば時刻の設定は大丈夫ですね。

> O-Familyさんが書かれてるところ、教えて頂ければ嬉しいです。
masaXさんが低損失CMOS三端子レギュレータについて質問した時にちょっと話されていただけなので詳しいことは分かりません。

◆そらさん

ありがとうございます

>私なら手っ取り早くRTCを使いますね。

覚えてしまえば、その方が手っ取り早い事になるんですね。
それなら覚えておくべきですね。
次の機会に取り寄せて、テストボードで遊んでみます。
きっと分からない事ばっかりだと思いますので
また、教えてやってください。

>低損失CMOS三端子レギュレータについて質問した時にちょっと

あ、この時の事ですね。
とりあえず何が起こるか分かりませんが
ダメ元でやり始めてみる事にします。

DCDCコンバータも最近はコイル内蔵で、普通の3端子レギュレータと
同様に使える製品が手軽に入手できますね。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-07917/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-06353/

どちらも使ったことありますが、負荷をかけても発熱も少ないし
なかなか良いです。

ちなみにアルカリ乾電池だと、使用終了電圧は 0.9-1.0Vくらいに設計するケースが多いと思います。
006P=9Vだと 5.4-6Vで使用終了とし、そこまで電圧が落ちても動作する回路を作らないとなりません。

◆中年会社員Aさん

いつもありがとうございます

秋月にもよく似たのが有るんですね?

今回は何が良いのか分からないので、そのサイトで使われていた
https://strawberry-linux.com/catalog/items?code=12024
これを注文してみました(まだ届いておりませんが)

>使用終了電圧は 0.9-1.0Vくらいに

考えてみれば、ここが勿体ないですよね!

>>使用終了電圧は 0.9-1.0Vくらいに
>考えてみれば、ここが勿体ないですよね!

もったいないと言うより、その電圧で使用終了ということです。
アルカリ乾電池は1次電池で使い捨てですから、たしかに終止電圧以下にしてもよいですが
それ以下の電圧では普通使わないし、液漏れなどが起こりやすくなると思います。

http://panasonic.jp/battery/drycell/alkali/
液漏れの原因の65%は過放電だそうで

https://strawberry-linux.com/catalog/items?code=12024
これは太陽電池などを想定した製品ですね。
1.5Vの乾電池を 0.25Vまで使うことは普通はしません。

◆中年会社員Aさん

なるほど
使い過ぎると液漏れの危険性が有るんですね?
勉強になります。

と言うことは、無理に小さい電圧から昇圧できる高いコンバーターを使わなくても、もう少し高い電圧からしか昇圧できなくても安いコンバーターを使う方が利口だと言う事ですね。
もう買ってしまいました(笑)

となると、乾電池の電圧を監視して使い過ぎないうちに取り替えるように、電源電圧を監視する機能も必要ですね

消費電流を抑えると言っても、どの程度を想定しているのか。

アルカリ単三形乾電池の容量が2000mAhとして、重量を測定しない待機状態を6ヶ月間(4320時間=180日×24時間)続けるとすると、消費電流は2000mAh÷4320時間=0.463mAとなります。

実際にはここに測定時の消費電流が加わることを考えると、待機状態では0.463mA以下の消費電流を実現する回路が必要になってきます。

要するに、電池駆動で具体的にどれくらいの日数を持たせたいか、その場合の消費電流はどれくらいか、まずはそれを見積もって、それに見合う回路を設計しないと、製作が迷走してしまうと思います。

◆そらさん

ありがとうございます

毎年、シーズン始めに電池を交換すれば良い、として
丸1年間、余裕で持ってくれればOKです。

今のところ電池は単2を使おうかと思っておりますので
およそ6000mAhくらいのものでしょうか
という事は
6000mAh÷4320時間=1.38mA
ですね

これだと余裕なのかな?
それとも、DCDCコンバーターが3端子の時のように負荷が無くても電流を喰う様では使い物になりませんね??
そのあたりを先に確認する必要がありそうですね。

◆そらさん

追伸

コンバーターでおよそ3倍に昇圧するとなると
6000mAh÷4320時間÷3倍=0.46mA
となるのかな?

> これだと余裕なのかな?
余裕かな? ではなくて、それで持つような回路を設計していくと言うことです。

> DCDCコンバーターが3端子の時のように負荷が無くても電流を喰う様では使い物になりませんね??
負荷がなくても少しは消費しそうですが、その辺りはデータシートを見たり、実験して検証したほうが良いでしょう。

ところで、製作する重量計の使い方として、どんな使い方を想定しているのでしょうか?

重量計は測定対象の下に入れっぱなしで、定期的に自動で測定するのか、それとも、測定は手動で測定の都度、人が操作するのか。

製作する重量計に求められる仕様をはっきりさせないと、どのような電源がベストでどんな回路がベストか設計していくことが出来ないと思います。

とりあえず、作ってみて。と言うのも良いのですが、着実な設計手順を踏んでいかないと、作った後に設計のどこが良かったか、悪かったか判断が出来ず、次の製作に活かされず、場当たり的な製作になってしまいます。

◆そらさん

>どんな使い方を想定しているのでしょうか?

できれば入れっぱなしが良いのですが、入れっぱなしだとセンサーが持たないらしいので、その都度、手動で測定するつもりで、測定頻度としては一週間に一度程度の頻度(それが5つ)で1回の測定時間は3分以内程度で、そのペースで測定するのが4月から11月までの8ヶ月間程度になると思います。

>着実な設計手順を踏んでいかないと

そうなんです
でも、なかなか何を考えれば良いのかが自分の中でまとまらなかったりで、どうしても、まずは作ってみてという感じになってますね。
2作目、3作目になってくると、やっと何に注意して設計すれば良いのかが掴めてくるのがいつもの感じです(笑)

> コンバーターでおよそ3倍に昇圧するとなると
> 6000mAh÷4320時間÷3倍=0.46mA
> となるのかな?
それは違います。

昇圧は、足りない電圧を電流で補うので、昇圧しないときより電池の電流を多く使います。
どれくらい消費するかはコンバータの効率によるのでなんとも言えません。

負荷の電力が5V×0.1A=0.5Wとします。
同じ電力を1.5Vで実現しようとすると0.33A必要ですね。

仮に効率が100%のDCDCコンバータがあった場合、1.5Vを5V(0.1A)に昇圧すると電池側には0.33Aの電流が流れます。
エネルギーは、どこからか降って湧いては来ないので、そのような関係になります。

実際のDCDCコンバータは変換ロスなどがあるので電池側の消費電流はそれよりも多くなります。

DCDCコンバータを使って低消費を目指す場合は、電池とDCDCコンバータの間にスイッチを設けて機器を使わない時は切っておく以外の方法は私には思いつきません。

◆そらさん

昇圧すると3倍以上の電流を消費すると考えないといけない、という事ですよね。

>使わない時は切っておく以外の方法は私には思いつきません

となると、やはり時計だけ別電源のRTCを使うのが良い訳ですね。


パーツが届いたので、まずはDCDCコンバーターが無負荷でどの程度電流を消費するのか実測してみる事にします。

>その都度、手動で測定するつもり

測定時に手動操作が必要なら
(私ならこういう設計にするけど)

電源スイッチをプッシュSWとして
RTCはリチウム電池で独自に電圧保持
AVR/SDカードは単三x3本で 3.3VLDO(出力Enable付)を
動かしAVRのリセットルーチンで 出力EnableをON
測定とSDカード書込が終了したらAVRが自身で
出力EnableをOFFとすれば AVR/SDカードの電源は切れて
待機時は LDOの待機電流だけになるから
数uA程度で電池寿命はほとんど自己放電が支配的になると思う

私が時々使うLP38692 など
1uAのオフ状態待機時消費電流をうたっていて
なかなか使いやすいですよ。

◆中年会社員Aさん

やはりRTCを別電源で動かすのがベストなんですね・・

RTCの勉強も始めてみます!!

>RTCの勉強も始めてみます

masaXさんはプログラム能力が高いので
すぐに理解できると思いますよ。

I2C RTCでは古参のDS1307(ただし5V用)
http://avrprojects.info/avr-projects/ds1307-based-clock/

O-Familyさんのところ(RTC-8564)
http://www.ne.jp/asahi/shared/o-family/ElecRoom/AVRMCOM/AVRRTCdc/AVRRTCdc.html

I2CのRTCならどれも類似のレジスタ構成だし
難しいところはどこにもないので I2Cでレジスタの読み書きをして
時刻データを集めればそれでOK

◆中年会社員Aさん

情報ありがとうございます
まだI2Cというものを使った事がないので
この機会にテストボードで練習してみる事にします。

次、秋月で何か注文する機会にRTCも取り寄せてみます!!

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