Analog To Digital Converter for AVR Butterfly
ATmega169 มีตัวแปลงสัญญาณอนาล๊อกเป็นดิจิตอลแบบ successive approximation ขนาด 10-bit เชื่อมต่อกับมัลติเพล็กเซอร์แบบ 8 ช่องสัญญาณที่จะทำการเลือกอ่านค่าความต่างศักย์จากหนึ่งในแปดค่าที่เข้ามาทาง PortF โดยที่การแปลงสัญญาณค่าความต่างศักย์จะใช้วงจร sample and hold ในการเก็บค่าตัวอย่างเป็นจำนวนค่าคงที่
ค่าความต่างศักย์ที่ต่ำที่สุดจะเท่ากับ GND ส่วนค่ามากที่สุดจะเท่ากับศักย์ไฟฟ้าของ
AREF pin (ลบด้วย 1 บิตที่ least significant bit)
เราสามารถใช้ความต่างศักย์จากภายนอกมาอ้างอิงกับวงจรนี้ได้โดยนำมาต่อกับ pin นี้
หรือเราจะสั่งให้ ACR ทำการอ่านค่าจาก AVCC หรือศักย์ไฟฟ้าอ้างอิงภายในตัวAVR
เองซึ่งมีขนาด 1.1 Volts การตั้งค่าต่อไปนี้จะทำให้ ADC มี noise รบกวนน้อยลง
โดยการเชื่อมต่อ decoupling capacitor ที่ AREF เพื่อที่จะทำให้
ศักย์ไฟฟ้าอ้างอิงภายในตัว AVR มีเสถียรภาพ ในกรณีนี้
Butterfly ใช้ตัวเก็บประจุขนาด 100 nF
PortF PF0 -
PF7 คือ pin ที่แทนช่องสัญญาณอนาล๊อกขาเข้าทั้งแปด ADC0 -
ADC7 pin เหล่านี้จะต่อกับ analog multiplexer ที่จะสามารถเลือกให้สัญญาณจากพินใดๆ
เข้าสู่ analog comparator การที่ช่องสัญญาณใดจะถูกเลือกจะขึ้นอยู่กับการตั้งค่าบิต
MUX0- MUX4 ใน ADMUX Register
ในส่วนของ ADC
จะทำงานหรือไม่จะขึ้นอยู่กับว่าบิต ADEN ที่อยู่ใน ADCSRA (ADC Control and Status
Register A) ได้เซตค่าเอาไว้หรือไม่ เนื่องจากตัว ADC จะกินไฟเมื่อทำงานอยู่
จึงแนะนำให้ปิดการทำงานของ ADC เมื่อไม่ต้องการใช้งาน
AVR Butterfly มี port ADC ทั้งหมด 8 port แต่เราสามารถเลือกใช้ได้ 5 port
ซึ่ง แสดงด้วยแถบ สีเขียว ดังภาพ
ภาพแสดงถึง ADC Port
ภาพแสดง การต่อสัญญาณอนาล๊อก เข้าช่องสัญญาณ ADC1
Battery
แบตเตอรี่ เป็นอุปกรณ์ที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยตรงจากปฏิกิริยาเคมี ตัวแบตเตอรี่ประกอบด้วย galvanic cell 1 ตัวหรือมากกว่า มาต่ออนุกรมกัน galvanic cell จะประกอบไปด้วย half cell สองเซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม โดยแต่ละเซลล์จะมี conductive electrolyte เป็นของตัวเอง และ electrode ของแต่ละเซลล์ยังต่างกันอีกด้วย คือเซลล์หนึ่งมีสภาพเป็นขั้วบวก หรือเรียกว่า cathode ส่วนอีกเซลล์หนึ่งจะมีสภาพเป็นขั้วลบ หรือ anode ซึ่ง electrode ทั้งสองนี้จะไม่สัมผัสกันแต่จะจุ่มอยู่ใน electrolyte ของแต่ละเซลล์
รูปแสดงถึงแบตเตอรี่ชนิดหนึ่งคือ แบตเตอรี่ Alkaline ขนาด AA ของ Energizer
รูปแสดงถึงโครงสร้างของ Galvanic cell
เมื่อวงจรปิด แต่ละ half cell จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า หรือ electromotive force (emf)
ซึ่งถ้า electrode ของทั้งสองเซลล์เป็นโลหะต่างชนิดกัน ความแตกต่างของ emf
จะทำให้เกิดการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านไปยัง electrode
ซึ่งมาจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่าง electrode และ electrolyte นั่นเอง
การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้านี้เกิดขึ้นได้เพราะว่า electrode
ทั้งสองมีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน ความแตกต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของขั้วแบตเตอรี่ เรียกว่า
terminal voltage
ซึ่งจะแตกต่างไปตามชนิดของแบตเตอรี่นั้นๆว่าเกิดจากปฏิกิริยาเคมีแบบใด
หากแบตเตอรี่มีปริมาณของ electrode หรือ electrolyte มากขึ้น
ความจุของแบตเตอรี่ก็จะมากขึ้นด้วย
ดังนั้นแบตเตอรี่ขนาดเล็กกว่าจะมีความจุน้อยกว่าแบตเตอรี่ขนาดใหญ่กว่า
และเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีที่แตกต่างกัน
ความจุของแบตเตอรี่จึงขึ้นอยู่กับลักษณะการจ่ายกระแสของแบตเตอรี่
ปริมาณกระแสและระยะเวลาในการจ่ายกระแสไฟฟ้า
ความต่างศักย์ที่อุปกรณ์ไฟฟ้าแต่ละชนิดต้องการ รวมถึงปัจจัยอื่นๆเช่นอุณหภูมิ
เป็นต้น
ความจุของแบตเตอรี่ที่มีอยู่จะขึ้นอยู่กับอัตราการปล่อยกระแส (discharge rate)
อีกด้วย ถ้าเราปล่อยกระแสไฟฟ้าออกจากแบตเตอรี่ในอัตราที่สูง
ระยะเวลาในการใช้งานแบตเตอรี่ก็จะสั้นลงด้วย
นั่นคือความจุก็จะน้อยกว่าที่เราทราบจากแบตเตอรี่นั้น
ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จึงขึ้นอยู่กับว่า discharge rate สูงมากน้อยเพียงใด
Discharge characteristics
แบตเตอรี่แต่ละชนิดถูกสร้างขึ้นมาโดยใช้เทคโนโลยีต่างๆ เพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งาน
ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่แตกต่างกันทำให้เวลาในการใช้งานของแบตเตอรี่แต่ละประเภทแตกต่างกันด้วย
ลักษณะการปล่อยประจุของแบตเตอรี่จึงเป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในการพิจารณาถึงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นั้นๆ
เรามักเรียกแบตเตอรี่ในอีกชื่อหนึ่งคือ เซลล์ไฟฟ้าเคมี
เพราะว่าความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่แต่ละชนิดจะมีค่าขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้น
ค่าของ terminal voltage
ที่วัดได้ในแต่ละช่วงเวลาจะแปรผันไปตามค่าของกระแสที่จ่ายให้สู่ load
กราฟต่อไปนี้จะแสดงให้เห็นถึงค่า terminal voltage โดยให้อัตรา discharge rate
คงที่ที่ 0.2 C เราเรียกกราฟนี้ว่า discharge curve
จะเห็นได้ว่าแบตเตอรี่แต่ละชนิดจะมี discharge curve
ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่แตกต่างกัน
จะเห็นได้ว่ามีความสัมพันธ์กันระหว่างปริมาณประจุไฟฟ้าในแบตเตอรี่และความต่างศักย์ของแบตเตอรี่นั้นวิธีนี้จึงใช้ในการวัดได้ว่าแบตเตอรี่ของเราหมดประจุหรือไม่
บางครั้งความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าจากอุปกรณ์จะมีค่าที่ไม่คงที่
จึงอาจทำให้ discharge curve เกิดการ offset ได้
ซึ่งส่งผลให้ความจุของแบตเตอรี่จะมีค่าสูงหรือน้อยกว่าความเป็นจริง
กราฟนี้แสดงให้เห็นถึง discharge curve ของ lithium ion cell ใน discharge rate
ที่แตกต่างกันตั้งแต่ 1-18 C
Voltage Divider
เป็นวงจรที่ใช้ในการสร้างความต่างศักย์ขาออก ที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความต่างศักย์ขาเข้า โดยทั่วไปวงจรนี้ใช้ในงานที่ต้องการอ้างอิงความต่างศักย์ (Reference Voltage) เช่นใน Analog to Digital Converter หรือการวัดแรงดันไฟฟ้าในงานไฟฟ้ากำลังเป็นต้น Voltage Divider ที่อ้างอิง Ground สามารถต่อได้ดังรูป
กำหนดให้
R1 = ความต้านทาน ภาคแรงสูง
R2 = ความต้านทาน ภาคแรงต่ำ
V1 = แรงดันที่ต้องการวัด
V2 =
แรงดันที่แบ่งออกมาวัดซึ่งเป็นแรงดันภาคแรงต่ำเป็นแรงดันตกคร่อม R2
EV = เป็น voltmeter ที่ใช้วัด
มีค่า impedance สูง
เมื่อทราบค่า V2 จาก voltmeter
จึงสามารถคำนวณค่า V ด้านแรงสูงที่วัดได้จาก
Reference :
Battery (electricity) : From Wikipedia, the free encyclopedia
Battery Performance Characteristics - How to specify and test a battery : From MPower Solutions Ltd
Discharge Characteristics : From Nickel-Metal Hydride battery
Battery Overview : by Steve Garland and Kyle Jamieson