基于單片機(jī)的太陽(yáng)能手機(jī)充電器方案

1 引言

　　最近，人們正考慮把太陽(yáng)能用于包括移動(dòng)電話充電器這樣的范圍更寬廣的消費(fèi)電子應(yīng)用。太陽(yáng)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(shí)間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲(chǔ)單元。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)能板的電能有余的時(shí)候，就可以對(duì)電池充電;當(dāng)太陽(yáng)能板提供的電能不足時(shí)，電池就可以為系統(tǒng)供電。
 

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

　?、俟杼?yáng)能電池;

　?、谝詿o(wú)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(yáng)能電池;

　　③功能高分子材料(有機(jī)半導(dǎo)體)制備的大陽(yáng)能電池;

　?、芗{米晶太陽(yáng)能電池等。我們采用的是硅太陽(yáng)能電池。

　　2 充電器的硬件設(shè)計(jì)

　　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(gè)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(gè)電路的核心部分。下面對(duì)系統(tǒng)的工作原理分幾個(gè)部分進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)定時(shí)器、兩個(gè)外部中斷和一個(gè)串口中斷、三個(gè)八路的I/O 口，采用12MHz 的晶振。單片機(jī)的任務(wù)是通過(guò)采樣電路實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流以及電池的充電狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算決定如何對(duì)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(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，必須先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后才能實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單方便，但是這種方法當(dāng)電流很小時(shí)，影響測(cè)量準(zhǔn)確度，因而很難選擇一個(gè)合適的阻值;其次，所得到的電流檢測(cè)信號(hào)只有通過(guò)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(jì)調(diào)試時(shí)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(cè)量電流方法存在的測(cè)量范圍小、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)，可提高測(cè)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(dú)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(guò)控制電路實(shí)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(hào)通過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)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(shí)便于進(jìn)行數(shù)字化控制，但母線的紋波系數(shù)相對(duì)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(guò)程中若發(fā)生過(guò)充、過(guò)放或過(guò)流時(shí)，會(huì)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(gè)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(shí)電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V 時(shí)，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(shí)，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(yáng)能最大輸出功率點(diǎn)

　　在尋找最大功率點(diǎn)時(shí)，我們采用比較方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的做法是：首先采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流，計(jì)算出此時(shí)的功率，然后繼續(xù)采集。如圖4 所示。在圖4 中，C 點(diǎn)與B 點(diǎn)比較，如比B 點(diǎn)大或相等時(shí)，就給一個(gè)正號(hào)權(quán)位;如比B 點(diǎn)小時(shí)，就給一個(gè)負(fù)號(hào)權(quán)位。而A 點(diǎn)如比B 點(diǎn)大或相等時(shí)，就給一個(gè)負(fù)號(hào)權(quán)位;如A 點(diǎn)比B 點(diǎn)小時(shí)，就給一個(gè)正號(hào)權(quán)位。當(dāng)三點(diǎn)比較完之后，如有兩個(gè)正號(hào)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(gè)負(fù)號(hào)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(diǎn)，不做任何變動(dòng)。在A、B、C 三點(diǎn)的功率值的取法為先取B點(diǎn)的功率為立足點(diǎn)，那么先讀取C 點(diǎn)功率，再?gòu)腃 點(diǎn)返回讀取A 點(diǎn)功率。連續(xù)檢測(cè)三點(diǎn)的功率值并比較其大小再計(jì)算出權(quán)位值，經(jīng)由權(quán)位值來(lái)判定立足點(diǎn)要往C 點(diǎn)移動(dòng)、A 點(diǎn)移動(dòng)、或不移動(dòng)。此種方法雖然運(yùn)算時(shí)間比傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法較慢達(dá)到最大功率點(diǎn)以及在日照量快速變化下無(wú)法達(dá)到最大功率點(diǎn)，但可以降低傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法中不明的干擾及判斷錯(cuò)誤而造成的功率損失，就整個(gè)控制效果而言是可以接受。

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

　　5 程序總體設(shè)計(jì)及說(shuō)明

　　我們采用的太陽(yáng)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(guò)初始化定時(shí)器使定時(shí)器工作在方式1，其中定時(shí)器1GATE 端無(wú)效，定時(shí)器0GATE 端有效，在定時(shí)器1 的服務(wù)程序中使P1.0 置1，并用該信號(hào)作為定時(shí)器0 的門控端。當(dāng)P1.0 為1 時(shí)，定時(shí)器0 開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，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(shí)器0 的定時(shí)周期小于定時(shí)器1 的定時(shí)周期，這樣，固定定時(shí)器1 的周期，改變定時(shí)器0 的周期，就會(huì)產(chǎn)生不同占空比的方波。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　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(dòng)尋找太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率點(diǎn)提高手機(jī)電池使用效率，延長(zhǎng)使用壽命。