基于51單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)手機(jī)充電器設(shè)計(jì)

摘要：在全球提倡環(huán)保和低碳節(jié)能的重要時(shí)期，騎自行車(chē)或電動(dòng)車(chē)的人也越來(lái)越普遍。給出了一種利用電動(dòng)車(chē)的太陽(yáng)能電池板作為電源，以單片機(jī)為主控部件設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)車(chē)載手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)方法。該充電器使用閉環(huán)控制，控制精度高，有自我調(diào)節(jié)能力，具有一定的實(shí)用性和市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；車(chē)載充電器；閉環(huán)控制；PWM脈寬調(diào)制

0 引言
    眾所周知，現(xiàn)在車(chē)載充電器在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中是非常普遍。在全球提倡環(huán)保和低碳節(jié)能的重要時(shí)期，騎自行車(chē)或電動(dòng)自行車(chē)的人也越來(lái)越普遍，然而，現(xiàn)在的電動(dòng)自行車(chē)都沒(méi)有為手機(jī)充電的功能，因此，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)自行車(chē)車(chē)載手機(jī)充電器無(wú)疑是非常有必要的。本文就是利用電動(dòng)車(chē)的太陽(yáng)能電池板作為電源，設(shè)計(jì)一種種電動(dòng)車(chē)車(chē)載手機(jī)充電器，以使騎電動(dòng)車(chē)的人不再為手機(jī)充電發(fā)愁。

1 系統(tǒng)原理
    在電動(dòng)車(chē)的車(chē)籃上方位置處安裝一塊太陽(yáng)能電池板套件，再將單片機(jī)控制電路與套件通過(guò)線路相連接，在太陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能電池板可以工作，將吸收來(lái)的光輻射轉(zhuǎn)換電能，為單片機(jī)控制電路提供電流和電壓，再通過(guò)單片機(jī)控制電路為手機(jī)充電。太陽(yáng)能電池板套件工作時(shí)，既可以為充電器單路提供電源，也可以為電動(dòng)車(chē)的其他顯示器件如電動(dòng)車(chē)的實(shí)時(shí)顯示盤(pán)提供電源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件電路主要包括太陽(yáng)能電池板套件、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，整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。單片機(jī)是電路的主要控制部分，PWM電路是整個(gè)電路的核心。圖1所示是該充電器的電路框圖。

2．1 取樣電路
    本設(shè)計(jì)采用51系列的AT89C51單片機(jī)作為處理器，主要功能是通過(guò)采樣電路實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓、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)。同時(shí)，為了檢測(cè)系統(tǒng)的電流，采用了精度較高的電流電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的精確控制。電壓和電流采樣采用串行模／數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0834，并采用5 V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。
2．2 PWM控制電路
    控制電路采用脈寬調(diào)制(PWM)方式來(lái)控制供電電流的大小。PWM控制主要由單片機(jī)輸出的PWM波通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)，和主控制器采用中斷的方式進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)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。其中，開(kāi)關(guān)管、二極管、LC電路構(gòu)成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，以減小電源功耗，便于進(jìn)行數(shù)字化控制。PWM控制電路如圖2所示。

3 電池充電原理
    手機(jī)電池多為鋰離子電池，圖3所示是鋰電池的充電曲線。該曲線共分三個(gè)階段：預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電階段。以800 mA．h容量的電池為例，其終止充電電壓為4．2V。首先用1／10 C(約80 mA)的電池進(jìn)行恒流預(yù)充，當(dāng)電池端電壓達(dá)到低壓門(mén)限后，以800 mA(充電率為1 C)恒流充電。開(kāi)始時(shí)，電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4．2 V時(shí)，改成4．2 V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1／10 C(約80 m A)時(shí)，接近充滿(mǎn)，終止充電。

4 尋找太陽(yáng)能最大輸出功率點(diǎn)
    太陽(yáng)能電池板所提供的功率高度依賴(lài)于其工作環(huán)境。在不同的環(huán)境條件下，太陽(yáng)能最大輸出功率有很大差別。為了提高太陽(yáng)能電池的輸出效率，一般采用三點(diǎn)權(quán)位比較法來(lái)尋找最大功率點(diǎn)，以保證太陽(yáng)能電池的最大輸出功率。

    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。圖4所示是三點(diǎn)權(quán)位比較法中最大功率點(diǎn)附近數(shù)據(jù)狀態(tài)。先用C點(diǎn)與B點(diǎn)比較，如比B點(diǎn)大或相等，就給一個(gè)正號(hào)權(quán)位；如比B點(diǎn)小，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，就給一個(gè)負(fù)號(hào)權(quán)位；如A點(diǎn)比B點(diǎn)小，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)。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)。

5 軟件設(shè)計(jì)及流程
    本設(shè)計(jì)采用的太陽(yáng)能電池板的輸出電壓是9 V，而充電電池的最高輸入電壓要求不能高于4.2 V。為了保護(hù)電池，應(yīng)先把輸出的電壓從低到高逐漸增加，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。圖5所示是本系統(tǒng)的控制邏輯電路軟件流程圖。

6 結(jié)語(yǔ)
    采用單片機(jī)作為處理器，結(jié)合其他芯片及電路構(gòu)成的電動(dòng)車(chē)太陽(yáng)能車(chē)載手機(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(diǎn)。該充電器使用閉環(huán)控制，控制精度高，并具有自我調(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，因而具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。