羅亞

（江蘇省常熟職業(yè)教育中心校，江蘇 常熟 215500）

信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用為便攜式電子設(shè)備的發(fā)展?fàn)I造了適宜環(huán)境，而便攜式電子設(shè)備的充電管理成為行業(yè)熱點(diǎn)，現(xiàn)階段多運(yùn)用變壓器處理后的市電為便攜式電子設(shè)備充電，導(dǎo)致充電環(huán)境較為苛刻，不利于便捷式充電，為轉(zhuǎn)變該現(xiàn)象，本次提出以太陽能為能源，代替現(xiàn)有便捷式設(shè)備充電方式，使充電方法更為便捷。

1 太陽能智能充電器實(shí)現(xiàn)原理

太陽能智能充電器主要是借助太陽能板完成太陽能采集工作，并借助特定半導(dǎo)體器件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，運(yùn)用單片機(jī)對電壓采集器展開實(shí)時(shí)控制，獲得充電電壓數(shù)據(jù)，將設(shè)備與液晶屏連接，使實(shí)時(shí)充電電壓可呈現(xiàn)在液晶屏上，便于設(shè)備使用者透過液晶顯示屏了解實(shí)時(shí)充電數(shù)據(jù)，太陽能智能充電器結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。在太陽能智能充電器結(jié)構(gòu)中，單片機(jī)可測量基準(zhǔn)電壓，并對實(shí)際充電情況作出修正，確保用電設(shè)備安全充電，當(dāng)用電設(shè)備電池已充滿時(shí)，單片機(jī)可及時(shí)切斷充電電源，避免用電設(shè)備始終處于充電狀態(tài)而損壞電池[1]。

圖1 太陽能智能充電器結(jié)構(gòu)框架圖

2 基于單片機(jī)控制的太陽能智能充電器設(shè)計(jì)思路

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 控制系統(tǒng)

太陽能智能充電器主控制器為單片機(jī)，在本次設(shè)計(jì)中，所選用的單片機(jī)為51 系列，此外，該充電器控制系統(tǒng)由89C51 單片機(jī)芯片、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成。

2.1.2 電源系統(tǒng)

由太陽能直接轉(zhuǎn)化而成的電能無法直接供電于單片機(jī)，繼而無法為電子產(chǎn)品充電，此時(shí)需將電能降壓穩(wěn)壓處理，將電能轉(zhuǎn)化為單片機(jī)所需電壓。在本次太陽能智能充電器設(shè)計(jì)中，主要借助LM2575 電源模塊對電壓降壓穩(wěn)壓，該系列電源模塊具有開關(guān)穩(wěn)壓集成的特點(diǎn)，內(nèi)部設(shè)有固定振蕩器，在少量外圍器件作用下即可構(gòu)建高效穩(wěn)定的電路，同時(shí)該太陽能智能充電器大多數(shù)情況無需散熱片，因此在該充電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可減少散熱片體積。

2.1.3 斬波電路

在該次太陽能智能充電器中，以降壓斬波為原理搭建電路，圖2 為斬波電路原理圖，其中全控型器件（V）為IGBTD 續(xù)流二極管，通過圖2的全控型器件柵極電壓波形（UGE）可發(fā)現(xiàn)，若全控型器件處于通態(tài)，則電源Ui為負(fù)載供電，此時(shí)有電壓UD與電源Ui相等，即UD=Ui，若全控型器件處于斷態(tài)，則負(fù)載電流通過二極管（D）完成續(xù)流，此時(shí)可將電壓UD看作0，當(dāng)一個(gè)周期（T）而結(jié)束時(shí)驅(qū)動(dòng)全控型器件導(dǎo)通，此時(shí)將重復(fù)上一周期過程。斬波電路負(fù)載電壓平均值為：

圖2 斬波電路原理圖

式（1）中，U0-負(fù)載電壓平均值；ton-全控型器件通態(tài)時(shí)間；toff-全控型器件斷態(tài)時(shí)間；T-開關(guān)周期；a=占空比；在此電路中，U0最大值為Ui，此時(shí)若降低到占空比a，將導(dǎo)致U0減少，該電路由于存在輸入電壓高于輸出電壓的特征而被稱之為降壓斬波電路。其中占空比a 計(jì)算公式為：

2.1.4 電壓采集

電壓監(jiān)控系統(tǒng)由PCF8591 芯片及電路構(gòu)成，其中PCF8591芯片為8-bitCMOS 數(shù)據(jù)獲取器件，具有低功耗、單獨(dú)供電的特點(diǎn)，共設(shè)有串行I2C 總線接口（1 個(gè)）、模擬輸出接口（1 個(gè)）、模擬輸入接口（4 個(gè)），此外，PCF8591 芯片的三個(gè)地址引腳分別為A0、A1、A2，均可用于硬件地址編程，無需其他硬件即可將8 個(gè)PCF8591 芯片器件與同一個(gè)I2C 總線連接，可依托于該結(jié)構(gòu)連接物聯(lián)網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)信息交換奠定基礎(chǔ)[2]。

2.1.5 顯示電路

太陽能智能充電器系統(tǒng)中設(shè)有顯示系統(tǒng)，在本次設(shè)計(jì)中，顯示器選擇LCD1602 型液晶，可實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。LCD1602型液晶顯示器共有三根控制線（RW、RS、EN），另外設(shè)有八根數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線均采用并口形式，直接與單片機(jī)并行口連接。在LCD1602 型液晶顯示器中，V0引腳可通過調(diào)節(jié)電壓而改變液晶對比度，以此更好地展示充電數(shù)據(jù)。圖3 為該次硬件設(shè)計(jì)整體電路圖。

圖3 硬件設(shè)計(jì)整體電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行流程

在太陽能智能充電器開設(shè)運(yùn)轉(zhuǎn)前需做好硬件初始化工作，硬件初始化需做以下工作：（1）檢查太陽能板功能是否完好，并根據(jù)太陽光照方向調(diào)節(jié)太陽能板；（2）檢查電池電能狀態(tài)；（3）為單片機(jī)分配存儲器、操作寄存器、中斷向量表的物理地址。完成硬件初始化后采集充電數(shù)據(jù)，并結(jié)合實(shí)際情況執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)至main 函數(shù)地址后即可開始充電，在充電時(shí)在單片機(jī)作用下逐步采集電子設(shè)備電池電壓值，將實(shí)際采集數(shù)據(jù)計(jì)算，將AD采樣值轉(zhuǎn)化為電壓數(shù)值，并將其展現(xiàn)在液晶顯示屏上，便于電子設(shè)備用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[3]，具體運(yùn)行流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.2.2 AD 模塊初始化

在AD 模塊初始化時(shí)，需將PCF8591 芯片器件進(jìn)行初始化。首先，啟動(dòng)PCF8591 芯片器件I2C 總線，I2C 總線一旦啟動(dòng)后將自動(dòng)進(jìn)入寫模式，尋找地址，并等待從機(jī)響應(yīng)，完成響應(yīng)后即可寫入00/01/02/03 號通道，完成通道寫入后繼續(xù)等待從機(jī)響應(yīng)，此次響應(yīng)后即可停止PCF8591 芯片器件I2C 總線，以此即可完成的AD 模塊初始化過程。完成初始化后需逐步讀取數(shù)據(jù)，將所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)化，經(jīng)靜待主體操作指令。

2.2.3 液晶初始化

在液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)參數(shù)前，需將其初始化處理。LCD1602 型液晶顯示器初始化過程是設(shè)置準(zhǔn)備工作，在數(shù)據(jù)線作用下，確保單片機(jī)可將數(shù)據(jù)信息寫入LCD1602 型液晶顯示器，在寫入命令時(shí)需將LCD1602 型液晶顯示器調(diào)節(jié)為顯示模式，并將字符指令發(fā)送至LCD1602 型液晶顯示器上，確保LCD1602 型液晶顯示器轉(zhuǎn)入顯示字符模式。在本次太陽能智能充電器設(shè)計(jì)中，主要采用16×2的字符格式，其中單個(gè)字符由5×7 點(diǎn)陣構(gòu)成，此外，需設(shè)置顯示光標(biāo)，確保LCD1602 型液晶顯示器可顯示光標(biāo)。在液晶初始化階段所寫入的字符為連續(xù)性字符，因此為良好顯示數(shù)字，需將數(shù)字移動(dòng)方式調(diào)整為左移位，以此保障數(shù)據(jù)顯示符合人們?nèi)粘Ａ?xí)慣。

2.3 系統(tǒng)仿真

完成硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)搭建設(shè)置后，需檢查編程編譯是否準(zhǔn)確，確定編程效果后運(yùn)用Protues 軟件展開電路系統(tǒng)仿真處理?；瑒?dòng)電阻分壓可對電壓產(chǎn)生影響，此時(shí)可調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，觀察液晶顯示屏內(nèi)所顯示的電壓數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，若電壓數(shù)據(jù)隨滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)而改變，則說明太陽能智能充電器系統(tǒng)功能已完備。圖5 為本次系統(tǒng)仿真圖。

圖5 系統(tǒng)仿真圖

3 太陽能智能充電器功能測試

本次太陽能智能充電器按照上述思路進(jìn)行純手工制作，因此整體充電性能存在波動(dòng)，因此設(shè)計(jì)結(jié)束后的測試僅驗(yàn)證充電器功能。

3.1 硬件調(diào)試

檢查系統(tǒng)引腳間電氣連接情況是否良好，判斷是否存在虛焊現(xiàn)象，將系統(tǒng)通電后觀察，若無異常即可燒錄。將串口下載器與單片機(jī)燒錄程序連接，驗(yàn)證燒錄情況，若燒錄失敗，則需檢查燒錄軟件配置，若燒錄軟件正常，則檢查燒錄接口是否存在焊接問題，若無焊接問題，則需檢查單片機(jī)時(shí)鐘電路，通過該步驟即可解決燒錄失敗原因，并將其調(diào)整優(yōu)化。完成燒錄后對太陽能智能充電器系統(tǒng)硬件功能進(jìn)行檢測，若功能正常則可結(jié)束該次硬件調(diào)試工作，若部分功能并未實(shí)現(xiàn)，需檢查相應(yīng)電路及功能模塊，并判斷是否存在設(shè)計(jì)失誤或焊接失誤情況，為確保處理措施有效，可運(yùn)用Protues 軟件進(jìn)行仿真模擬，逐步調(diào)試，直至硬件功能均良好實(shí)現(xiàn)為止。

3.2 軟件調(diào)試

若硬件調(diào)試后仍存在部分功能無法實(shí)現(xiàn)，需對軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，采用軟硬件綜合調(diào)試的方式完善太陽能智能充電器功能。在軟件調(diào)試期間，需將相應(yīng)程序下載至單片機(jī)內(nèi)，運(yùn)用單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境keil 調(diào)試系統(tǒng)功能。首先，采用單步調(diào)試的方式檢查程序是否可正常走通，若發(fā)現(xiàn)程序在某一函數(shù)部分被卡住，需檢查該程序硬件與引腳是否連接一致，若存在不一致情況，需立即檢查硬件設(shè)計(jì)是否存在缺陷，若程序可順利運(yùn)行，此時(shí)需檢查程序數(shù)據(jù)，并通過livewatch 窗口觀察數(shù)據(jù)情況，在逐步分析與推敲中尋找出問題代碼，將其修正后即可保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

綜上所述，雖本次僅開展功能測試，但從充電功能來看，本次設(shè)計(jì)較為成功，并結(jié)合功能測試結(jié)果進(jìn)行硬件與軟件調(diào)試，使太陽能智能充電器功能更為穩(wěn)定。本次所提出的太陽能智能充電器思路在一定程度上解決了便捷式電子產(chǎn)品充電難題，并融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)更迭中完善設(shè)備系統(tǒng)算法，優(yōu)化其充電性能。