作者/陳虹廷、張華（通訊作者）、王新軍、孫宏宇、劉緩緩，遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院基金項(xiàng)目：2015國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510165061）

基于太陽能公交站臺(tái)的手應(yīng)急充電設(shè)備

作者/陳虹廷、張華（通訊作者）、王新軍、孫宏宇、劉緩緩，遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院基金項(xiàng)目：2015國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510165061）

本文介紹了基于公交站臺(tái)的太陽能應(yīng)急手機(jī)充電設(shè)備，只要在有陽光的地方就能滿足手機(jī)用戶的需求。該設(shè)計(jì)主要由太陽能電池板、升壓保護(hù)控制模塊、蓄電池組、降壓恒流電流選擇模塊和手機(jī)充電接口模塊組成。給手機(jī)用戶帶來了便捷，不僅非常的環(huán)保，而且使用壽命長(zhǎng)。

太陽能；快速充電；公交站臺(tái)

引言

迫于全球性日益嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染,使得光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，更是一個(gè)環(huán)境保護(hù)和能源替代的問題。目前光伏電池主要應(yīng)用在并網(wǎng)和未連網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)電領(lǐng)域。太陽能作為一種沒有任何污染的易取的綠色能源,若能應(yīng)用到消費(fèi)類產(chǎn)品中，對(duì)于改善地球的整體的能源狀況和環(huán)境有著非常重要的意義和廣闊的前景。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，公共交通系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，當(dāng)前仍然是大多數(shù)出行者的首選交通方式，所以公交站臺(tái)廣泛分布于城市的各處。由于智能手機(jī)以及上網(wǎng)的需求，手機(jī)的電量耗費(fèi)很大。人們?cè)谌粘３鲂械臅r(shí)候經(jīng)常會(huì)有手機(jī)沒電的時(shí)候，如果能利用廣泛分布公交站臺(tái)方便的實(shí)現(xiàn)手機(jī)充電的話，就解決了人們的切實(shí)所需。

綜上，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套基于公交站臺(tái)的太陽能室外手機(jī)充電設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)公共場(chǎng)合對(duì)手機(jī)的應(yīng)急充電。該裝置實(shí)用性好、應(yīng)用性高、具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1.設(shè)計(jì)思路與總體框圖

太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并通過升壓控制模塊將電能儲(chǔ)存到蓄電池中,繼電器1和2控制蓄電池充放電，蓄電池把儲(chǔ)存的電能輸出給降壓恒流以及電流選擇模塊，繼電器3、4和5根據(jù)用戶輸入的手機(jī)型號(hào)和當(dāng)前電量進(jìn)行電流的選擇，手機(jī)充電接口模塊開始倒計(jì)進(jìn)行快速充電。其中MSP430單片機(jī)控制切換模塊（繼電器1和2）、降壓恒流以及電流選擇模塊（繼電器3、4和5）、矩陣鍵盤、液晶顯示、手機(jī)型號(hào)及電量選擇模塊和充電倒計(jì)時(shí)，手機(jī)充電接口模塊由多種型號(hào)的手機(jī)充電接口組成。總體框圖見圖1。

圖1 總結(jié)構(gòu)圖

2.硬件電路原理

■2.1 太陽能板的選型

太陽能板可以分為單晶硅太陽能板、多晶硅太陽能板、非晶硅太陽能板、多元化合物太陽能板。鑒于單晶硅太陽能板光電轉(zhuǎn)化效率最高、堅(jiān)固耐用、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此選擇單晶硅100W太陽能板。其具體參數(shù)如表1所示。

表1

■2.2 太陽能升壓控制器

太陽能電池板屬于光伏設(shè)備（主要部分為半導(dǎo)體材料），它經(jīng)過光線照射后發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生電流。由于材料和光線所具有的屬性和局限性，其生成的電流也是具有波動(dòng)性的曲線，如果將所生成的電流直接充入蓄電池內(nèi)或直接給負(fù)載供電，則容易造成蓄電池和負(fù)載的損壞，嚴(yán)重減小了他們的壽命。因此必須把電流先送入太陽能控制器，采用一系列專用芯片電路對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)，并加入多級(jí)充放電保護(hù)，確保電池和負(fù)載的運(yùn)行安全和使用壽命。

升壓及保護(hù)控制器通過采樣光伏電池的電壓信號(hào)與蓄電池電壓進(jìn)行比較，并控制充電電路模塊的導(dǎo)通或關(guān)斷。如果控制器采樣到的電壓信號(hào)的電壓低于蓄電池的電壓，則控制器關(guān)斷充電電路模塊，以免蓄電池出現(xiàn)回流現(xiàn)象 ；如果采樣到的電壓信號(hào)比蓄電池電壓高， 則控制器導(dǎo)通充電電路模塊，光伏電池通過充電電路模塊正常為蓄電池充電。對(duì)負(fù)載供電時(shí)，也是讓蓄電池的電流先流入太陽能控制器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)后，再把電流送入負(fù)載。這樣做的目的：一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過放電；三是可對(duì)負(fù)載和蓄電池進(jìn)行一系列的監(jiān)測(cè)保護(hù)。

（1）充電保護(hù)

電池電壓超過了終值充電電壓時(shí)，電池就會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣并打開閥門放氣。大量的析氣必將導(dǎo)致電解液的失水損失。更何況電池即使達(dá)到終值充電電壓，電池也不可能完全充滿，因此充電電流不應(yīng)被切斷。此時(shí)，控制器由內(nèi)置的傳感器根據(jù)環(huán)境溫度作自動(dòng)調(diào)節(jié)，以控制不超過終值充電電壓為條件，逐步減少充入電流至涓流狀態(tài)，有效地控制蓄電池內(nèi)部的氧循環(huán)復(fù)合和陰極析氫過程，最大程度的防止了蓄電池的容量衰減性老化。

（2）放電保護(hù)

電池如果沒有放電保護(hù)，同樣也會(huì)被損壞。當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)定的最低放電電壓時(shí)，控制器會(huì)自動(dòng)切斷負(fù)載來保護(hù)電池不被過放電。當(dāng)太陽能電池板對(duì)蓄電池的充電達(dá)到控制器設(shè)定的再次啟動(dòng)電壓時(shí)，負(fù)載才會(huì)被再次接通。

（3）過流保護(hù)

在蓄電池的回路間串聯(lián)了一個(gè)保險(xiǎn)絲，有效對(duì)蓄電池進(jìn)行過流保護(hù)。

（4）提高了充電功率，支持36V蓄電池。

■2.3 蓄電池

蓄電池的作用是在有光照時(shí)將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。太陽能蓄電池是‘蓄電池’在太陽能光伏發(fā)電中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)廣泛使用的太陽能蓄電池主要是：鉛酸免維護(hù)蓄電池和膠體蓄電池,這兩類蓄電池，因?yàn)槠涔逃械摹懊狻本S護(hù)特性及對(duì)環(huán)境較少污染的特點(diǎn),很適合用于性能可靠的太陽能電源系統(tǒng),特別是無人值守的工作站。

控制模塊通過采樣蓄電池的電壓，通過單片機(jī)控制繼電器的開和關(guān)，當(dāng)蓄電池超過一定電量對(duì)應(yīng)了一定的電壓值，則有繼電器控制電路，關(guān)閉對(duì)蓄電池充電的通道；當(dāng)蓄電池低于一定的電量及所對(duì)應(yīng)的電壓值，則關(guān)閉對(duì)蓄電池放電的通道。

假設(shè)公交車每天運(yùn)行時(shí)間是10小時(shí)，5分鐘來一輛公交車，那么一天公交站臺(tái)有120輛公交車經(jīng)過，假設(shè)以最大電流2A給手機(jī)充電，每個(gè)手機(jī)限制充電5分鐘，所需要的能量總共為：120?2A?1/12h?5V=100W.h；蓄電池所能提供的能量為：36V?7Ah=252W.h。

所以，選擇三個(gè)12V7Ah的蓄電池足夠給手機(jī)提供電量。

■2.4 恒壓恒流降壓電源模塊

該模塊的作用是恒壓恒流，需要三個(gè)模塊，預(yù)先設(shè)定好恒定電壓為5V，恒定電流分別為2A、1.5A、1A。用戶手動(dòng)輸入電量后，單片機(jī)根據(jù)電量大小選擇合適電流給手機(jī)充電，目前有三個(gè)電流參數(shù)可供選擇：當(dāng)手機(jī)電量在0%～30%時(shí)，用2A電流給手機(jī)充電；30%～70%時(shí)，用1.5A電流給手機(jī)充電；70%以上，用1A電流給手機(jī)充電。同時(shí)還具有限流保護(hù)功能，防止短路燒壞電路。

模塊參數(shù)如表2所示。

表2

3.軟件電路

軟件設(shè)計(jì)包括：數(shù)碼顯示程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)，充電子程序設(shè)計(jì)，電源子程序設(shè)計(jì)。

4.總結(jié)

本項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容是將如何將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并進(jìn)行存儲(chǔ)，通過顯示屏顯示存儲(chǔ)電量，方便乘客及時(shí)查看存儲(chǔ)電量并給手機(jī)快速補(bǔ)充電量。本設(shè)計(jì)首先采用了太陽能作為能源，以達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的；利用廣泛分布于城市各處的公交站臺(tái)遮陽棚作為載體，鋪設(shè)太陽能板提高了站臺(tái)的復(fù)合作用；利用蓄電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能的收集儲(chǔ)存，對(duì)其充放電進(jìn)行智能控制和顯示，實(shí)現(xiàn)人們利用公交站臺(tái)在室外對(duì)手機(jī)應(yīng)急充電的需求。

圖2 實(shí)物圖

＊ [1]任保宏、徐科軍.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2015

＊ [2]郭天祥等.51單片機(jī).北京：電子工業(yè)出版社，2014

＊ [3]康華光等.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：高等教育出版社，2013

＊ [4]黃爭(zhēng).德州儀器高性能模擬器件在大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與快速選型指南.上海：德州儀器（上海）有限公司大學(xué)計(jì)劃部，2012