基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器方案

1 引言

　　太陽能是為便攜式設(shè)備供電的有吸引力的能源。一段時間以來，它一直被廣泛地用于諸如計算器和航天飛機(jī)這樣的應(yīng)用。最近，人們正考慮把太陽能用于包括移動電話充電器這樣的范圍更寬廣的消費電子應(yīng)用。太陽能電池板所提供的功率高度依賴于工作環(huán)境。這包括諸如光密度、時間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲單元。當(dāng)來自太陽能板的電能有余的時候，就可以對電池充電；當(dāng)太陽能板提供的電能不足時，電池就可以為系統(tǒng)供電。

　　目前市場上的太陽能電池板繁多，根據(jù)太陽能電池板所用材料的不同可分為：

　?、俟杼柲茈姵?；

　　②以無機(jī)鹽如砷化鎵III- V 化合物，硫化鎘，銅銦硒等多元化合物為材料的太陽能電池；

　?、酃δ芨叻肿硬牧希ㄓ袡C(jī)半導(dǎo)體）制備的大陽能電池；

　?、芗{米晶太陽能電池等。我們采用的是硅太陽能電池。

　　2 充電器的硬件設(shè)計

　　充電器如圖1 所示。主要包括電源變換電路、采樣電路、處理器、脈寬調(diào)制控制器和電池組等，形成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。

　　其中，單片機(jī)是電路的控制部分，PWM電路是整個電路的核心部分。下面對系統(tǒng)的工作原理分幾個部分進(jìn)行簡述。

圖1 充電器電路模塊圖

　　2.1 處理器

　　處理器采用51 系列單片機(jī)89C51。單片機(jī)內(nèi)部有兩個定時器、兩個外部中斷和一個串口中斷、三個八路的I/O 口，采用12MHz 的晶振。單片機(jī)的任務(wù)是通過采樣電路實時采集太陽能電池板的輸出電壓和電流以及電池的充電狀態(tài)，通過計算決定如何對電池板最大輸出功率進(jìn)行尋找以及確定充電電池的充電狀態(tài)。

　　2.2 采樣部分

　　如果在系統(tǒng)中要對電流進(jìn)行檢測，必須先將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后才能實現(xiàn)A/D 的轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換方法是在電路中加入精密電阻，由此將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。這種方法的優(yōu)點是測量簡單方便，但是這種方法當(dāng)電流很小時，影響測量準(zhǔn)確度，因而很難選擇一個合適的阻值；其次，所得到的電流檢測信號只有通過放大以后才能進(jìn)入電路中的比較器，從而增加了電路設(shè)計調(diào)試時的復(fù)雜度。因此，可以采用電流電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，克服了常規(guī)測量電流方法存在的測量范圍小、測量誤差大等缺點，可提高測量精度，并且可以用單片機(jī)進(jìn)行精確控制。

　　電壓和電流采樣采用串行模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0834，8 位分辨率易于和微處理器接口或獨立使用滿比例尺工作或用5V基準(zhǔn)電壓用地址邏輯多路器選通的4 或8 輸入通道單5V 供電，輸入范圍0- 5V。

　　2.3 PWM 控制電路

　　控制器采用脈寬調(diào)制（PWM） 方式控制供電電流的大小。

　　PWM發(fā)生器是由的單片機(jī)輸出的PWM波通過控制電路實現(xiàn)的，主控制器和它采用中斷的方式進(jìn)行通訊，控制其增大或減小脈寬。PWM信號通過光電隔離驅(qū)動主回路上的MOSFET。

　　開關(guān)管、二極管、LC 電路構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源。用PWM方式控制的開關(guān)電源可以減小功耗，同時便于進(jìn)行數(shù)字化控制，但母線的紋波系數(shù)相對較大。PWM控制電路如圖2 所示。

圖2 PWM控制電路

　　3 電池充電原理

　　鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命，圖3 為鋰電池的充電曲線，共分三個階段：預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電階段。

　以800mAh 容量的電池為例，其終止充電電壓為4.2V。用1/10C（約80mA）的電池進(jìn)行恒流預(yù)充，當(dāng)電池端電壓達(dá)到低壓門限V（min）后，以800mA（充電率為1C）恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V 時，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10C（約80mA）時，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電。

圖3 手機(jī)電池充電曲線

　　4 尋找太陽能最大輸出功率點

　　在尋找最大功率點時，我們采用比較方式來實現(xiàn)，具體的做法是：首先采集太陽能電池板的輸出電壓和電流，計算出此時的功率，然后繼續(xù)采集。如圖4 所示。在圖4 中，C 點與B 點比較，如比B 點大或相等時，就給一個正號權(quán)位；如比B 點小時，就給一個負(fù)號權(quán)位。而A 點如比B 點大或相等時，就給一個負(fù)號權(quán)位；如A 點比B 點小時，就給一個正號權(quán)位。當(dāng)三點比較完之后，如有兩個正號權(quán)位則屬正斜率，應(yīng)當(dāng)增大輸出電壓，提高輸出功率；如有兩個負(fù)號權(quán)位則屬負(fù)斜率，應(yīng)當(dāng)減小輸出電壓，提高輸出功率；如權(quán)位為零即為一正一負(fù)表示達(dá)到頂點，不做任何變動。在A、B、C 三點的功率值的取法為先取B點的功率為立足點，那么先讀取C 點功率，再從C 點返回讀取A 點功率。連續(xù)檢測三點的功率值并比較其大小再計算出權(quán)位值，經(jīng)由權(quán)位值來判定立足點要往C 點移動、A 點移動、或不移動。此種方法雖然運算時間比傳統(tǒng)的擾動觀察法較慢達(dá)到最大功率點以及在日照量快速變化下無法達(dá)到最大功率點，但可以降低傳統(tǒng)擾動觀察法中不明的干擾及判斷錯誤而造成的功率損失，就整個控制效果而言是可以接受。

圖4 三點權(quán)位比較法中最大功率點附近數(shù)據(jù)狀態(tài)

　　5 程序總體設(shè)計及說明

　　我們采用的太陽能電池板的輸出電壓是9V，而充電電池的最高輸入電壓要求不能高于4.2V，為了保護(hù)電池起見，我們先把輸出的電壓從低到高逐漸增加。

圖5 控制邏輯電路流程圖

　　產(chǎn)生PWM波：通過初始化定時器使定時器工作在方式1，其中定時器1GATE 端無效，定時器0GATE 端有效，在定時器1 的服務(wù)程序中使P1.0 置1，并用該信號作為定時器0 的門控端。當(dāng)P1.0 為1 時，定時器0 開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)溢出時，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在服務(wù)程序中將P1.0 清零，使定時器0 的定時周期小于定時器1 的定時周期，這樣，固定定時器1 的周期，改變定時器0 的周期，就會產(chǎn)生不同占空比的方波。

　　6 結(jié)語

　　利用51 單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合其它芯片及電路構(gòu)成的太陽能手機(jī)充電器，采用PWM電壓輸出，具有控制靈活、帶載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，該充電器使用閉環(huán)控制，控制精度高、具有自我調(diào)節(jié)能力，可以自動尋找太陽能電池板的最大輸出功率點提高手機(jī)電池使用效率，延長使用壽命。