徐啟明 徐永勝

摘要：19世紀末，科學家特斯拉做了無線電傳輸?shù)膶嶒灒陔S后的100多年里，無線充電技術(shù)隨著科學的發(fā)展不斷創(chuàng)新，無線充電技術(shù)在生活中也得到了廣泛的應用。但是，目前市場上大多數(shù)無線充電樁多設計為采用電網(wǎng)電源進行供電，因此在輸電不便的地區(qū)，這會大大限制充電樁的運用。鑒于此，設計了一種新型太陽能無線充電樁系統(tǒng)。

關鍵詞：太陽能;無線充電;光電檢測

本設計利用太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過一定的電路將不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換為恒定的直流電輸出，從而可以為無線充電樁的蓄電池進行充電。通過光強度和電壓的檢測可自動為蓄電池充電和斷電。在固定軌跡上行駛的車輛，如果出現(xiàn)電量不足時，車輛可自動行駛到無線充電樁的位置為車輛電池進行充電。

1 設計方案

首先，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，使系統(tǒng)達到的技術(shù)指標和需要實現(xiàn)的功能來設計合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到滿意的設計圖紙;其次，軟硬件系統(tǒng)的設計，根據(jù)太陽能無線充電樁系統(tǒng)電路設計圖紙，完成相應的硬件電路焊接和實物制作，通過KEIL編程軟件編寫相應控制程序;然后完善系統(tǒng)制作，根據(jù)實際的測試結(jié)果和運行情況調(diào)整系統(tǒng)的設計，改進并且完善系統(tǒng);最后對整個系統(tǒng)進行檢測與調(diào)試，并進行整體的測試與評估，使系統(tǒng)的各項指標達到最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設計

（1）能源。本設計采用的20W的單晶太陽能板。電池片采用單晶硅，可工作在40℃～85℃的環(huán)境下，工作電流超過1A，使用壽命長達25年。同時采用光合硅能蓄電池對太陽能轉(zhuǎn)換的電能進行儲存，該型號的蓄電池容量較大，輸出電壓電流符合要求。

（2）采光元件。采光元件使用光電傳感器，它的工作電壓為5V，內(nèi)置了16位的AD轉(zhuǎn)換器，采集的數(shù)字量為0—65535，數(shù)字量可以直接輸出，不需要進行復雜的計算和校準，靈敏度高，最小可以測量1級勒克斯的亮度，傳感器通過IIC通信協(xié)議與主控制器傳輸數(shù)據(jù)。

（3）檢測元件。電壓檢測元件是根據(jù)電阻分壓原理來設計的，通過電位器的調(diào)節(jié)，將輸入端口的電壓減小5倍，它最大可以測量的電壓范圍為0—25V，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換，變?yōu)?—5V的模擬信號，電壓檢測元件使用的10位的AD轉(zhuǎn)換器，因此它的分辨率為0.00489V，精度高，測量誤差小。

（4）主控制器。系統(tǒng)通過STM32F103單片機維持系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)收發(fā)及處理。STM32F103是ARM公司開發(fā)的成本低廉、性能極好、功耗極低的單片機系統(tǒng)，它擁有M3的內(nèi)核。按照不同客戶的需求，STM32F103單片機又分為兩種，一種是時鐘頻率為72MHz的高性能產(chǎn)品，一種是可以直接從Flash RAM中執(zhí)行程序。STM32系列產(chǎn)品性價比極高，它是32位嵌入式系統(tǒng)芯片市場上功耗和成本最低的產(chǎn)品。

3 軟件設計

（1）繼電器控制設計。對于繼電器的自動控制，可以通過編程采用輪詢或者中斷的方式對單片機的I/O進行控制，通過將I/O口的輸出信號發(fā)送給繼電器進行吸合或斷開，從而實現(xiàn)自動充電和斷電。

（2）光敏傳感器的閾值設計。光敏傳感器通過與STM32單片機進行IIC通信，采集的數(shù)值在不同的光強下，數(shù)值會有相應的數(shù)值，通過軟件測試，可以確定在清晨和黃昏時候的光強作為設定閾值，如果從低于閾值到超過閾值，認為是清晨，啟動充電，反之，則斷開充電線路。

（3）電壓檢測的設計。電壓傳感器對蓄電池的電壓進行模擬信號的采集，通過STM32單片機的ADC通道對所采集的數(shù)據(jù)進行模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。同時，通過對采集的數(shù)字量進行數(shù)據(jù)分析和公式轉(zhuǎn)換，就可以將所得的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為相應的電壓數(shù)值。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

通過綜合測試，系統(tǒng)達到設計預期要求。通過電壓電流的檢測，系統(tǒng)太陽能板通過穩(wěn)壓電路在太陽光照射下輸出穩(wěn)定電壓，電流的大小根據(jù)光照的強度不同而變化。系統(tǒng)的無線充電樁在充電模式下穩(wěn)定輸出電壓為小車充電。

系統(tǒng)分為自動模式和手動模式兩種，在自動模式下，通過光敏元件檢測光強，達到設定閾值之上（白天）開啟太陽能為充電樁充電回路，而在閾值之下（晚上）關閉太陽能為充電樁充電回路;當檢測到小車電量過低時，小車自動行駛到無線充電區(qū)域進行充電，充滿電時自動斷開充電回路。在手動模式下，在系統(tǒng)的上位機可以觸屏控制系統(tǒng)各繼電器狀態(tài)，改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，同時也可以控制小車的啟停和充斷。

5 結(jié)語

本設計綜合運用多學科知識，通過系統(tǒng)主控制器，控制各繼電器的狀態(tài)來進行充放電，通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)定電壓輸出，達到設計要求。使用太陽能電池板作為能源來源，經(jīng)濟、綠色、環(huán)保，無線充電也為人們的充電提供了更多便捷。在技術(shù)不斷創(chuàng)新的今天，未來太陽能無線充電樁一定會擁有較大市場。

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