具有GPS功能的戶外便攜式太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)

孫冬嬌，王勛濤，畢 丞，厲開(kāi)勇

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044）

具有GPS功能的戶外便攜式太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)

孫冬嬌1，2，王勛濤1，畢 丞1，厲開(kāi)勇1

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044）

針對(duì)人們的戶外作業(yè)和生活充電需求，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)定位的戶外便攜式太陽(yáng)能智能充電器。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)、CN3063、S-8261為核心，自動(dòng)在涓流充電、恒流充電及恒壓充電間切換充電方式，集成GPS功能，可實(shí)時(shí)顯示用戶方位信息、當(dāng)前時(shí)間及充電進(jìn)度。經(jīng)實(shí)際軟硬件測(cè)試，該系統(tǒng)可以為鋰電池安全充電，有智能安全、低功耗、光線影響小、戶外便攜、高實(shí)用性等特點(diǎn)。

太陽(yáng)能；充電；MSP430；CN3063；S-8261；GPS

手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子產(chǎn)品正逐步成為人們生活的必需品，而戶外作業(yè)或生活時(shí)，經(jīng)常遭遇電子產(chǎn)品沒(méi)電、電量不足，如得不到及時(shí)充電，將給用戶帶來(lái)不必要的麻煩和經(jīng)濟(jì)損失。而太陽(yáng)能作為一種綠色清潔能源，可以滿足人們不受地域限制、隨時(shí)為便攜式電子產(chǎn)品充電的需求。目前，市場(chǎng)上存在的太陽(yáng)能充電器大多只有基本充電功能，且充電器體積大、功耗高，易于損壞充電電池，光線不足則無(wú)法繼續(xù)為電子產(chǎn)品充電。針對(duì)這些不足，本文設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能智能充電器。

該充電器采用超低功耗控制核心，利用蓄電池儲(chǔ)存電能，以供陰雨天等光線不足條件下繼續(xù)為鋰電池充電。采用CN3063、S-8261實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充電的智能管理，自動(dòng)在涓流充電、恒流充電、恒壓充電等充電方式間切換，保護(hù)電池，延長(zhǎng)其使用壽命。該系統(tǒng)還集成有GPS功能，液晶屏可實(shí)時(shí)顯示經(jīng)緯度、時(shí)間和充電進(jìn)度等信息，本系統(tǒng)體積小便于攜帶，更利于戶外出行使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

本系統(tǒng)以超低功耗MSP430單片機(jī)為主控制器、CN3063（電池充電管理芯片）、S-8261（電池充電保護(hù)芯片）為核心，加以光電轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、GPS模塊及液晶顯示模塊組成。當(dāng)光線條件適宜時(shí)，太陽(yáng)能接收板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，蓄電池儲(chǔ)存電能，經(jīng)升壓電路后給各模塊供電。當(dāng)光線不充足時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗，蓄電池繼續(xù)為鋰離子電池充電。單片機(jī)和CN3063管理電池充電，在電池電壓較低時(shí)，采用涓流充電；當(dāng)電池電壓升至預(yù)充電閾值時(shí)，采用恒流充電；當(dāng)電壓升至穩(wěn)壓電壓時(shí)，采用恒壓充電，充電電流逐漸減小。另外，GPS模塊實(shí)時(shí)提供用戶方位，液晶顯示模塊默認(rèn)處于低功耗模式，觸發(fā)后可顯示用戶方位、當(dāng)前時(shí)間和充電進(jìn)度等信息。

該充電系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片簡(jiǎn)介

考慮到系統(tǒng)低功耗及功能的實(shí)現(xiàn)，主控芯片選用MSP430F149單片機(jī)。該芯片是美國(guó)德州儀器（TI）推出的16位系列超低功耗單片機(jī)，工作電壓在1.8 ～3.6 V范圍之間，正常工作時(shí)功耗可控制在200 μA左右，有5種低功耗模式（LPM0～LPM4）可供選擇，喚醒只需6 μs，可實(shí)現(xiàn)2 μA甚至0.1 μA的低功耗。適于采用電池長(zhǎng)時(shí)間供電的工作場(chǎng)合，且在8 MHZ晶體下運(yùn)算能力達(dá)到1 MPS。自帶有ADC12模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度[1]。多用于智能儀表、智能家電、電池供電便攜式設(shè)備中。

本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，不僅可以直接應(yīng)用其內(nèi)部集成的12位A/D，還可使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，有效減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能。

2.2 電源模塊

太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。目前太陽(yáng)能電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽(yáng)能電池。其中單晶硅太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換率為15%一20%,甚至可達(dá)到24%,這是目前所有種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的,使用壽命一般可達(dá)15年,最高可達(dá)25年。多晶硅電池板的轉(zhuǎn)化率約為12%左右,非晶硅約為10%左右,在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面,單晶硅優(yōu)于多晶硅和非晶硅電池[2],故本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板采用單晶硅電池。

本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能接收模塊選用的是兩片規(guī)格為5 V/25 0mA，尺寸為15 cm*5 cm的太陽(yáng)能單晶硅電池板，體積小可折疊，便于戶外攜帶。將其放在光照條件下，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換給蓄電池充電，經(jīng)過(guò)升壓電路后，可為各個(gè)模塊提供電源。

2.3 電池管理模塊

鋰電池的特性較為活潑，對(duì)充電的電壓電流要求較高，所以需要管理芯片來(lái)管理充電，延長(zhǎng)其使用壽命。本系統(tǒng)采用CN3063鋰電池充電管理芯片，該芯片可以用太陽(yáng)能電池直接供電，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，內(nèi)含功率晶體管、8位AD轉(zhuǎn)換電路以及熱調(diào)制電路，只需要極少的外圍元器件，便可以對(duì)電池進(jìn)行充電管理，自動(dòng)在涓流充電、恒流充電及恒壓充電間切換充電方式。

電池充電管理電路如圖2所示，其中引腳8所接電阻的計(jì)算公式為 RX= ( Vbat- 4 . 2 ) / ( 3 . 0 4 * 1 0 - 6 ) ，其中 Vbat為電池恒壓充電的電壓，根據(jù)計(jì)算公式及重復(fù)試驗(yàn)得出，電阻取3.6K較合適。引腳2所接電阻的計(jì)算公式為RISET=(VISET* 9 00)/ICH其中ICH為恒流充電電流，約為560 mA,計(jì)算可得電阻為3.2 kΩ。接在引腳6和引腳7的兩個(gè)不同顏色的二極管，是用來(lái)指示充電狀態(tài)的。當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，引腳6被內(nèi)部開(kāi)關(guān)拉到低電平，對(duì)應(yīng)的綠色二極管被點(diǎn)亮，單片機(jī)根據(jù)P3.2端口電平得知充電是否結(jié)束。當(dāng)正在充電時(shí)，引腳7被內(nèi)部開(kāi)關(guān)拉到低電平，對(duì)應(yīng)的紅色二極管被點(diǎn)亮，單片機(jī)根據(jù)P3.1端口電平得知是否正在充電[3]。通過(guò)給P3.0端口傳送高/低電平，可手動(dòng)關(guān)閉/開(kāi)啟鋰電池充電。

圖2 電池管理電路Fig.2 Circuit of battery management

2.4 電池保護(hù)模塊

鋰電池的特性決定了它不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電，為了防止電池被損壞，保護(hù)用戶的安全，鋰電池充電需要采用電池保護(hù)電路。本系統(tǒng)采用的電池保護(hù)芯片為S-8261，該芯片內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路，最適合對(duì)1節(jié)鋰電池或鋰聚合物可充電電池組的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流的保護(hù)。

班主任要有強(qiáng)烈的責(zé)任心，盡可能減少工作失誤，一旦出現(xiàn)教育方法不當(dāng)，及時(shí)對(duì)學(xué)生做思想工作和心理補(bǔ)償，促使矛盾化解。

電池充電保護(hù)電路如圖3所示，DO為放電控制用FET門(mén)極連接端子（CMOS輸出）；CO為充電控制用FET門(mén)極連接端子（CMOS輸出）；VM為VM-VSS間的電壓檢測(cè)端子（過(guò)流檢測(cè)端子）；DP為延遲時(shí)間測(cè)定用測(cè)試端子；VDD、VCC分別為電源正負(fù)極；C1、R2組成RC電源輸入電路；MOSFET1、MOSFET2分別為充電、放電控制場(chǎng)效應(yīng)管；R1為電壓檢測(cè)電阻。當(dāng)負(fù)載發(fā)生過(guò)流或短路故障，電流經(jīng)MOSFET1在內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，然后VM端子通過(guò)R1檢測(cè)該點(diǎn)電壓或電流超過(guò)閾值時(shí)，DO端子發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉放電控制用MOSFET1停止放電[4]。當(dāng)電池發(fā)生過(guò)充故障，電流經(jīng)MOSFET2在內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降，然后VM端子通過(guò)R1檢測(cè)該點(diǎn)電壓或電流超過(guò)閾值時(shí)，CO端子發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉充電控制用MOSFET2停止充電。如果充、放電的電壓、電流均正常，則該充電保護(hù)電路正常工作。

2.5 GPS模塊

具有戶外充電需求的用戶基本都是戶外工作者或出行者，該部分用戶大多需要及時(shí)了解自己的地理方位，出于方便用戶的考慮，在新一代鋰電池充電器中增加了GPS功能。本系統(tǒng)的GPS模塊選用的是HOLUX M-87 GPS接收芯片， M-87系統(tǒng)內(nèi)存4 MB，對(duì)于導(dǎo)航應(yīng)用提供高達(dá)-159 dBm的絕佳靈敏度與快速的第一次定位時(shí)間，可搜尋多達(dá)32個(gè)衛(wèi)星頻道，定位精度＜3 m，具有快速位置修正、在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作的優(yōu)點(diǎn)[5]。

圖3 電池充電保護(hù)電路Fig.3 Circuit of charging protection

GPS模塊遵循GPS導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議NMEA-0183，默認(rèn)波特率是4800，無(wú)奇偶校驗(yàn)，一個(gè)停止位。M-87通過(guò)RXA引腳(串行數(shù)據(jù)輸入端)、TXA引腳(串行數(shù)據(jù)輸出端)與MSP430單片機(jī)的串行通信接口USART1進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)讀取M-87所接收的數(shù)據(jù),并將處理后得到的經(jīng)緯度和時(shí)間顯示在液晶屏上。

2.6 升壓電路

該系統(tǒng)中各模塊需要的供電電壓為5 V，而提供電源的蓄電池的輸出電壓為4.2 V，所以需要一個(gè)升壓電路將電壓升至5 V。升壓電路采用的芯片是LTC1700，該芯片是一款電流模式同步升壓DC/DC控制器，可以將3.3～4.2 V范圍的電壓轉(zhuǎn)換為5 V，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。升壓電路如圖4所示。

圖4 升壓電路Fig.4 Circuit of booster

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電控制部分軟件

CN3063可智能切換鋰電池充電方式，其完成初始化后即可工作。CN3063啟動(dòng)后，MSP430通過(guò)P3.1和P3.2讀取當(dāng)前充電狀態(tài)和采集充電電壓和電流[3]，計(jì)算充電進(jìn)度并在液晶屏上顯示。該系統(tǒng)提供外部開(kāi)關(guān)，可用于手動(dòng)關(guān)閉和開(kāi)啟CN3063。

充電控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 充電控制流程圖Fig.5 Flow chart of charing control

3.2 GPS模塊軟件

要得到用戶位置，只需測(cè)得三顆及以上衛(wèi)星的位置 Xn,Yn,Zn及用戶和各個(gè)衛(wèi)星的距離r1，r2，r3。距離測(cè)量方法：通過(guò)測(cè)量信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射到GPS模塊接收所用的時(shí)間，乘以信號(hào)傳播速度，就可以求得距離：r=C×ΔT。然后根據(jù)

GPS接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 GPS接收流程圖Fig.6 The flow chart of GPS receiving

采用中斷方式接收GPS發(fā)送的信號(hào)，避免不斷查詢(xún)帶來(lái)的資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)功耗。GPS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)格式是NMEA-0183，這是一套用來(lái)定義GPS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要包含以下幾種類(lèi)型的數(shù)據(jù)：$GPGGA（全球定位數(shù)據(jù)）、$GPRMC(運(yùn)輸定位數(shù)據(jù))、$GPZDA（UTC時(shí)間和日期）、$GPGSV（衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)）、$GPGSA(衛(wèi)星狀態(tài)信息)、$GPGLL（大地坐標(biāo)信息）、GPVTG（地面速度信息）等?？紤]到系統(tǒng)實(shí)際需求，本系統(tǒng)中我們選用的是$GPRMC，即GPS推薦定位信息，其數(shù)據(jù)包含有經(jīng)緯度和時(shí)間等信息。當(dāng)處理器接收到GPS的定位信息后，首先對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如若是$GPRMC類(lèi)型，則進(jìn)行提取、處理，然后將具體定位信息和時(shí)間顯示在屏幕上，如若不是則會(huì)繼續(xù)接收、判斷[6]。

接收GPS定位信息程序如下：

將格林時(shí)間轉(zhuǎn)換為北京時(shí)間函數(shù)：void Gelin_beijing(uchar table[16])

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)的測(cè)試主要包括經(jīng)緯度、時(shí)間、充電電壓、電流的測(cè)試。當(dāng)前測(cè)試結(jié)果為：經(jīng)度為32o12′15″，緯度為118o42′26″，時(shí)間為17:38:36，充電進(jìn)度為51%，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.7 Figure of system test

充電控制部分的測(cè)試選用的是3.7 V/ 1500 mA的鋰電池。測(cè)試過(guò)程記錄如表1所示。

表1 充電測(cè)試結(jié)果Tab.1 Result of charging test

由測(cè)試結(jié)果可知，該智能充電器在預(yù)充電階段采用涓流充電；在充電電壓大約升至3 V即達(dá)到20%進(jìn)度時(shí)，進(jìn)行恒流充電；在充電電壓大約升至4.2 V即達(dá)到90%進(jìn)度時(shí)進(jìn)行恒壓充電，直至充電結(jié)束。整個(gè)充電過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓充電，采用涓流充電、恒流充電、恒壓充電等智能充電方式以保護(hù)電池，延長(zhǎng)其壽命，避免出現(xiàn)過(guò)充等危險(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前市場(chǎng)上太陽(yáng)能充電器體積大、功耗高，易損壞鋰電池，易受光線影響等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)定位的戶外便攜式太陽(yáng)能智能充電器。該系統(tǒng)不但具有市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，還集成了蓄電池、電池管理保護(hù)及GPS功能。本系統(tǒng)內(nèi)置蓄電池能夠?yàn)楦髂K供電并儲(chǔ)存電能，以滿足夜晚、陰雨天等光線不充足情況下的充電需要；采用CN3063電池管理芯片、S-8261電池保護(hù)芯片，延長(zhǎng)電池使用壽命和保護(hù)用戶安全；GPS能夠?qū)崟r(shí)定位，滿足出行用戶及時(shí)了解自己方位的需求。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得到：對(duì)完全放電的手機(jī)鋰

電池充電至飽和狀態(tài)約需4小時(shí)，溫度在25～30 ℃，完全符合鋰電池充電的安全要求。從整體上來(lái)看，電路的控制精度高、體積小、重量輕，適合為各類(lèi)采用鋰電池供電的電子產(chǎn)品充電，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和推廣價(jià)值。

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Design of GPS outdoor portable solar charger

SUN Dong-jiao1,2,WANG Xun-tao1,BI Cheng1,LI Kai-yong1
（1.School of Electronic＆Information Engineering，Nanjing University of Information＆Technology，Nanjing210044,China;2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information＆Technology ,Nanjing 210044,China）

The design of a outdoor portable solar charger with real-time intelligent positioning function was putted forward the requirements of people working and life outdoors. Using MSP430 microcontroller, CN3063, and S-8261 as the core, it can switches the charge mode among trickle charging, constant current charging and voltage charging automatically, integrating GPS, which can real-time display the location information, the current time and charging process. After the actual hardware and software debugging, the system can recharge lithium battery safely, with intelligent security, low power consumption, small light effects, outdoor portable, high practicability,and so on.

solar-powered; charging; MSP430;CN3063;S-8261;GPS

TN609

A

1674-6236(2014)14-0095-04

2014-04-30 稿件編號(hào)：201404269

國(guó)家自然科學(xué)基金(61307061);江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13KJB510017); 南京信息工程大學(xué)教改課題(N1885013232)

孫冬嬌（1976—），女，青海西寧人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。