張鵬

（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南714099）

基于STC89C51的便攜式太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)

張鵬

（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，陜西 渭南714099）

針對(duì)電子產(chǎn)品在戶外使用時(shí)電池容量有限，影響用戶正常使用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種便攜式多用太陽(yáng)能充電器。該裝置可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成適合電子產(chǎn)品電源，而且能夠調(diào)節(jié)不同電壓，滿足了用戶外即時(shí)電源的需求。系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為控制核心，由升壓、光電轉(zhuǎn)換、充電保護(hù)、電壓調(diào)節(jié)和數(shù)碼顯示等功能電路構(gòu)成。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)具有輸出電壓范圍寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，配合市電充電功能，可以滿足多種條件下不同負(fù)載對(duì)充電電壓的要求。

太陽(yáng)能；充電器；單片機(jī)；便攜式

電子產(chǎn)品的普及給人們的生活帶來(lái)極大便利，而各類電子產(chǎn)品所依賴的電池儲(chǔ)能技術(shù)卻沒(méi)有相應(yīng)大的提高，有限的待機(jī)時(shí)間給用戶戶外用電帶來(lái)了諸多不便。太陽(yáng)能是一種清潔能源，具有可再生，采集方便，無(wú)污染等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用［1-3］。用戶只需將太陽(yáng)能板置于陽(yáng)光下，系統(tǒng)就可以對(duì)負(fù)載或蓄電池進(jìn)行供電和充電，保證了多種電子產(chǎn)品的正常使用。針對(duì)太陽(yáng)能充電器對(duì)蓄電池的保護(hù)不夠充分，造成蓄電池的壽命縮短的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器的方案，在充電電路、電壓和電流控制器的功能要求方面做了分析。，設(shè)置了電壓電流檢測(cè)與保護(hù)電路，對(duì)蓄電池進(jìn)行了有效管理，實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的智能控制。

1　基本功能要求

圖1為系統(tǒng)總體框圖，主要包含了穩(wěn)壓濾波單元、過(guò)充電保護(hù)單元、調(diào)壓?jiǎn)卧饶K，設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)基本功能：

1）可直接利用光電轉(zhuǎn)換輸出電能對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；

2）可把光伏面板對(duì)充電器內(nèi)置蓄電池充電；

3）可利用市電對(duì)負(fù)載或內(nèi)置蓄電池進(jìn)行供電或充電；

4）可完成蓄電池對(duì)負(fù)載供電的自動(dòng)切換。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式多用太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為控制單元，由按鍵指示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、直流斬波電路模塊和A/D采集模塊等模塊構(gòu)成。

圖2為系統(tǒng)原理圖，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)過(guò)LM7805形成穩(wěn)定的電流，然后由DC/DC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后由輸出端為負(fù)載進(jìn)行供電。整個(gè)充電過(guò)程系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行智能控制，以防止電池的過(guò)充［4-5］。

2.1單片機(jī)選型

STC89C51系列單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對(duì)小型系統(tǒng)的控制，且易于調(diào)節(jié)［6-7］。STC89C51單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器、I/O口等器件能滿足太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)需要，因此選擇STC89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片。

2.2升壓充電電路設(shè)計(jì)

大部分電子產(chǎn)品的輸入電壓都為5.5 V左右［8-9］，所以設(shè)計(jì)中設(shè)定充電系統(tǒng)對(duì)外充電電路的輸出為U=5.5 V，I=500 mA。光伏板輸出電壓低于5.0 V，所以需要經(jīng)過(guò)直流斬波升壓環(huán)節(jié)達(dá)到電子產(chǎn)品的用電要求［10-12］，選擇MC34063升壓芯片進(jìn)行升壓后對(duì)充電。圖3為升壓充電電路。

圖2　系統(tǒng)原理圖

圖3　升壓充電電路

TC引腳外接電容C6=470μF，L2=200μH，其工作頻率為72 kHz；C7=220μF，二極管D4能防止電流回流，電容C5具有過(guò)濾雜波作用。比較器的反向輸入端引腳為FB，當(dāng)電池電壓等于參考電壓時(shí)，三極管關(guān)斷，停止充電。

2.3市電充電電路設(shè)計(jì)

利用220 V交流電給電路內(nèi)部的鋰電池進(jìn)行充電，必須具有整流和充電模塊。圖4為市電充電電路，包含顯示單元、電壓比較單元、基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧㈤_(kāi)關(guān)控制單元四大部分模塊，比較電路用來(lái)判斷蓄電池的充電狀態(tài)，由芯片U1A及其他周邊元器件構(gòu)成。顯示電路由雙色發(fā)光二極管LED、電阻、集成電路構(gòu)成，用來(lái)指示電路的充電狀態(tài)。充電控制電路由三極管Q1構(gòu)成，用來(lái)控制電路充電電流。在電路中設(shè)置二極管能夠防止因電源電壓低于電池的電壓而造成電池漏電［13-15］。

圖4　市電充電電路

2.4電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

充電器在恒流模式下，為了使電路正常運(yùn)行，電池正負(fù)極之間需要連接一個(gè)電容值為4.7μF的電容用來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若沒(méi)有連接電容，則可以連接一個(gè)阻值為R=50 kΩ的電阻，且連接的電容和電阻形成的極點(diǎn)需不小于200 kHz，設(shè)計(jì)電路中接有4.7μF的電容，所以在ISET端能夠連接的最大阻值為：

圖5　隔離ISET管腳的RC波濾電路

為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對(duì)充電電流大小的調(diào)節(jié)，電路中外接一個(gè)RC波濾模塊，圖5為隔離ISET管腳的RC波濾電路。

3　電壓與電流調(diào)節(jié)控制設(shè)計(jì)

3.1輸入電壓調(diào)節(jié)

在輸入電壓調(diào)節(jié)的電阻分壓器RIN1和RIN2中，取RIN2為100 kΩ，內(nèi)置電壓取2.74 V時(shí)，則：

太陽(yáng)能板VREG（MAX）和VREG（MIN）峰值功率追蹤電壓范圍：

3.2恒壓充電電壓調(diào)節(jié)

FB引腳為電池電壓檢測(cè)輸入端口，F(xiàn)B引腳能夠通過(guò)檢測(cè)電池陽(yáng)極電壓從而調(diào)節(jié)電池恒壓充電電壓，在電路FB和BAT間連接RX以便調(diào)整恒壓充電電壓。

圖6　恒壓充電調(diào)節(jié)電路

圖6為恒壓充電調(diào)節(jié)電路，電池電壓Vbat為：

該電路輸入電壓為6 V，輸出電壓要求為4.2 V，則當(dāng)Rx= 0時(shí)，輸出電壓為4.2 V。

3.3恒流充電電流調(diào)節(jié)

IR管腳連接的外部電阻對(duì)CN3068編程從而實(shí)現(xiàn)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電，在電路預(yù)充電時(shí)，電壓被限制在0.2 V；在恒流充電階段，電壓被限制在2 V。電路的充電電流在恒流情況下的計(jì)算公式如（7）：

設(shè)定充電電流為500mA的，則：

使用金屬膜電阻用來(lái)保證充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其良好的溫度特性。電路的充電電流可以通過(guò)對(duì)IR管腳兩端的電壓測(cè)量來(lái)進(jìn)行測(cè)量：

TC引腳的外接電容C3=470 pF，電感L1=200μH，其工作頻率F=72 kHz；要使輸出電壓的波紋系數(shù)等于8mV則C4= 220 UF；該充電電路能在0～70℃的環(huán)境中使用。

4　軟件部分設(shè)計(jì)

充電電路的主要工作由單片機(jī)進(jìn)行控制，電路工作過(guò)程如下：電路初始化，輸出功能選擇，選擇確定輸出電流電壓，為負(fù)載進(jìn)行充電直至充電完成，充電停止。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

5　系統(tǒng)測(cè)試與分析

測(cè)試所用太陽(yáng)電池單片有效面積為343 cm2×6，表1為系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果。當(dāng)太陽(yáng)能電池板外接電阻，所得到的負(fù)載U-I特性曲線圖所示。

表1　系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖8　負(fù)載U-I特性曲線

圖8為負(fù)載U-I特性曲線圖由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得在U=5.84 V、I=1.3 A時(shí)有最大功率7.592W。同時(shí)可以算得該太陽(yáng)電池的填充因子為0.376；而電池板面積為2 060 cm2，可以算得每片電池獲得的總光能為19.012W，算出的電池轉(zhuǎn)換效率為21.92%與理論值接近。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，在有陽(yáng)光照射情況下，太陽(yáng)能板充電指示燈變亮，調(diào)節(jié)調(diào)壓按鈕，用萬(wàn)用表測(cè)得電路輸出端電壓為0～10 V之間變化，且能夠?qū)ω?fù)載正常充電；在無(wú)光照時(shí)，太陽(yáng)能板充電指示燈不亮，蓄電池充電指示燈變亮，且能夠?qū)ω?fù)載正常充電；按下應(yīng)急燈按鈕，LED燈變亮，檢測(cè)結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正常工作，達(dá)到了預(yù)設(shè)任務(wù)的要求。

6　結(jié)　論

系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為控制單元，由按鍵指示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、BUCK斬波電路模塊和A/D采集電路模塊等模塊構(gòu)成。通過(guò)光電轉(zhuǎn)化電路將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)過(guò)LM7805形成穩(wěn)定的電流，然后由DC/DC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后由充電電路輸出端為負(fù)載進(jìn)行供電。考慮到便攜式太陽(yáng)能充電器的多為戶外使用，電路中還加入了LED發(fā)光二極管作為應(yīng)急光源供使用者在無(wú)光環(huán)境下應(yīng)急使用。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能多用充電器具有工作穩(wěn)定、使用方便、易于攜帶、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，為光伏電源的小型化實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

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The design and implementation of portable solar charger based on STC89C51

ZHANG Peng
（School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714099，China）

when electronic productsare used outdoors its battery capacity is limited，itcan affectusers'normaluse，a portable multi-purpose solar charger is designed.The charger can convert solar energy into charging voltage which fits for battery of electronic products，and can adjustdifferentvoltage，with built-in battery canmeetportable powersupply demandwhen theuser is in outdoors.The system uses STC89C51 microcontroller as the control core，structured by boost circuit，photoelectric conversion circuit，overcharge protection circuit，voltage regulation circuitand digitaldisplay circuit.The performanceofsystem is tested，the resultsshow thatthe system hasadvantagesofwideoutputvoltage range，simple structureand high reliability，with mainscharging function；itcanmeetdifferent load requirementschargingvoltageunderavarietyofconditions.

solar energy；charger；single chip microcomputer；portable

TN102

A

1674-6236（2016）19-0128-03

2015-11-09稿件編號(hào)：201511088

陜西省軍民融合研究基金項(xiàng)目（15JMR14）

張 鵬（1979—），男，陜西渭南人，碩士，講師。研究方向：電力電子技術(shù)及電力傳動(dòng)。