基于ATmega16單片機(jī)的太陽能充電器設(shè)計

費繼友,陳東東,李花,郭子琛,王英邗,謝金路

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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基于ATmega16單片機(jī)的太陽能充電器設(shè)計

費繼友,陳東東,李花,郭子琛,王英邗,謝金路

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

針對公交站、廣場及公園等人口密集地點手機(jī)電量續(xù)航能力不足的問題,利用ATmega16單片機(jī)、SX3002、6N137、DS18B20等芯片設(shè)計了一款智能型太陽能充電器,可進(jìn)行蓄電池充放電控制調(diào)節(jié),充電過程符合蓄電池四段式充電曲線,且具有過充過放保護(hù)及溫度補償?shù)裙δ?可供手機(jī)等移動終端充電.實驗測試結(jié)果表明:其充電電流控制精度可達(dá)毫安級.

太陽能;充電器;四段式充電;電量續(xù)航

0 引言

隨著手機(jī)等移動設(shè)備功能的日新月異,其電池續(xù)航能力備受關(guān)注,本文以太陽能為能量來源,提出一種解決方案.太陽能的產(chǎn)生受自然環(huán)境影響大,太陽能電池板輸出電壓不穩(wěn),直接用于充電易對移動設(shè)備造成較大傷害[1],本文采用蓄電池作為中間蓄電環(huán)節(jié),實現(xiàn)電能存儲和穩(wěn)定輸出.由于傳統(tǒng)蓄電池采用非智能充放電控制,未按蓄電池充放電曲線控制充放電過程而損傷蓄電池使用壽命.本文以ATmega16單片機(jī)為核心,設(shè)計了簡單實用的充放電控制電路,實現(xiàn)蓄電池的最佳充電方案,同時控制SX3002芯片通過USB轉(zhuǎn)接口對多種移動設(shè)備充電.該充電器適合裝在公交站、公園、廣場等戶外場所,成本低廉、性能穩(wěn)定、清潔環(huán)保,具有一定實際應(yīng)用價值.

1 太陽能充電器充電原理

光照條件下,太陽能電池板由光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電壓,當(dāng)電壓高于蓄電池電壓時,即對蓄電池充電,但此方法效率低,且傷害蓄電池,故需要太陽能充電器對充電過程加以控制.太陽能充電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 太陽能充電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

太陽能充電器主要由三部分構(gòu)成：DC/DC轉(zhuǎn)換電路、SX3002外圍電路及MCU外圍電路.工作時,太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,提供充電電壓,單片機(jī)檢測太陽能電池板和蓄電池的電壓以及充電電流變化,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)用單片機(jī)控制輸出一定占空比的PWM脈沖信號,控制DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸出符合蓄電池充電特性的電壓和電流,實現(xiàn)蓄電池的四段式充電,最終MCU通過控制繼電器及SX3002芯片實現(xiàn)對移動設(shè)備的充電.

2 太陽能充電器硬件設(shè)計

2.1 太陽能電池板選型

本文采用12V7.2AH鉛酸免維護(hù)蓄電池作為中間蓄電環(huán)節(jié),恒流階段要求太陽能電池板可以輸出蓄電池容量0.1C的充電電流(720 mA)[3],蓄電池充電時間為6～10 h,按6 h充電時間計算,太陽能電池板功率不能低于14.4 W.根據(jù)上述條件,選用20 W單晶硅太陽能電池板,其性能參數(shù)如表1所示.

表1 太陽能電池板性能參數(shù)

2.2 MCU及其外圍電路

MCU及其外圍電路主要包括四部分：MCU最小系統(tǒng)電路、電壓電流采樣電路、溫度檢測電路和系統(tǒng)工作狀態(tài)指示電路.圖2所示為MCU最小系統(tǒng)電路圖.MCU采用Atmel公司的ATmega16單片機(jī).其供電電源VCC由蓄電池通過7805穩(wěn)壓芯片提供,片內(nèi)資源豐富,具有四種PWM脈沖輸出形式,其PA引腳為8路10位AD輸入[2].

圖2 MCU最小系統(tǒng)電路

圖3是電壓及電流檢測電路.采用電阻分壓方式使輸入采樣電壓滿足I/O口的輸入要求,并使用0.1 μF電容C6對采樣電壓進(jìn)行濾波.電流檢測時,在蓄電池負(fù)極與地極間串聯(lián)0.1 Ω精密采樣電阻,選用μV級運算放大器OP07放大精密電阻上的采樣電壓信號,放大倍數(shù)為(1+R14/R13),信號經(jīng)放大后由PA5引腳輸入單片機(jī).OP07運算放大器由太陽能電池通過7815和7915穩(wěn)壓芯片提供±15 V雙電源,最大失調(diào)電壓偏移量僅為150 μV,不需額外調(diào)零措施即可滿足實驗測試精度要求.

圖3 電壓及電流檢測電路

圖4是溫度檢測電路圖,蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量的熱,影響充電特性,需對充電電壓進(jìn)行溫度補償, 25℃為標(biāo)準(zhǔn)充電溫度,蓄電池溫度每上升1℃,單節(jié)蓄電池(2 V)的充電電壓降低3 mV,充電電壓溫度補償為：

(1)

圖4 溫度檢測電路及工作狀態(tài)指示電路

采用DS18B20溫度傳感器實時檢測蓄電池溫度,根據(jù)檢測溫度對充電電壓實時調(diào)整,彌補溫度變化對充電的影響,使充電效果更理想,其溫度值精確到0.1℃.

蓄電池放電深度過大,會縮短蓄電池壽命.鉛酸蓄電池的放電深度不宜超過50%～75%,因此選用的蓄電池當(dāng)電壓為12.1 V時,放電深度為50%,故在控制程序中設(shè)置放電閾值為12 V. 為避免過充過放,設(shè)計了如圖4系統(tǒng)工作狀態(tài)指示電路.D9～D11為工作狀態(tài)指示燈,D9亮表示太陽能電池板電壓滿足充電條件,可對蓄電池進(jìn)行充電,同時閉合太陽能電池板與蓄電池間的繼電器；D10亮表示太陽能電池板電壓不足,同時斷開太陽能電池板與蓄電池間繼電器,也作為光控標(biāo)志；D11亮表示蓄電池已達(dá)最大放電深度,斷開負(fù)載與蓄電池間繼電器,切換至市電備用電路保證系統(tǒng)繼續(xù)工作.

2.3 DC/DC轉(zhuǎn)換電路及SX3002芯片外圍電路

圖5為BUCK型DC/DC轉(zhuǎn)換電路,圖6是SX3002電路.將太陽能電池板輸出電壓轉(zhuǎn)化為連續(xù)可調(diào)電壓作為蓄電池充電電壓.充電過程中,判斷所采集的電壓及電流,調(diào)節(jié)PWM脈沖信號的占空比,使充電電壓和電流滿足各充電階段的要求[3].

圖5 DC/DC轉(zhuǎn)換電路

圖6 SX3002電路

DC/DC轉(zhuǎn)換電路中,利用6N137高速光耦隔離單片機(jī)與DC/DC轉(zhuǎn)換電路,防止電壓過高燒毀單片機(jī),采用肖特基二極管1N5819作為續(xù)流二極管[4],電容C15選用(105℃,100 kHz,50 V)的系列電容,DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電流IO為60～700 mA,流過電感的電流增量計算公式為式(2), 取IO=500 mA,則

(2)

根據(jù)波紋電流計算公式[5]：

(3)

式中:VW=50 V,則C3≈100 μF.

(4)

式中:Vi為電路輸入電壓,為20 V；VO是輸出電壓,為14 V,則L=220 μH.

PWM脈沖信號的占空比計算公式為：

(5)

式中:f為PWM脈沖信號的頻率.SX3002芯片為150 kHz固定頻率脈寬調(diào)制(降壓型)DC/DC轉(zhuǎn)換器,可調(diào)輸出,內(nèi)建頻率補償和固定頻率震蕩器.由圖5可以看出,單片機(jī)通過檢測蓄電池兩端電壓作為反饋信號,控制繼電器通斷,實現(xiàn)充電器為移動設(shè)備充電.其輸出電壓和電流為:

(6)

3 太陽能充電器邏輯控制流程

圖7是充電器的邏輯控制流程圖.系統(tǒng)啟動后,單片機(jī)開始檢測太陽能電池板電壓和蓄電池電壓,若太陽能電池板電壓低于20 V,則調(diào)用黑天模式程序,停止向蓄電池充電,并提示當(dāng)前為黑天.當(dāng)太陽能電池板電壓大于20 V,檢測蓄電池電壓,若蓄電池電壓低于12 V,則切斷蓄電池與負(fù)載連接轉(zhuǎn)至市電應(yīng)急供電,并調(diào)用預(yù)充電程序,直至蓄電池電壓升至12 V,調(diào)用恒流充電程序,此時采用恒定電流對蓄電池進(jìn)行快速充電,根據(jù)檢測信號不斷調(diào)節(jié)PWM脈沖信號的占空比,使充電電壓隨蓄電池內(nèi)阻增加而升高,實現(xiàn)恒流充電.當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到14.5 V時,調(diào)用恒壓充電程序,在此階段鞏固電池電壓,保持14.8 V的充電電壓對蓄電池充電,當(dāng)充電電流降至恒流階段的十分之一時,轉(zhuǎn)入涓流充電階段.此階段作用是彌補蓄電池的自放電,只需輸出13.6 V電壓對蓄電池進(jìn)行小電流充電即可.以上四個階段為蓄電池的四段式PWM脈寬調(diào)制充電,在脈寬調(diào)壓的同時,實時檢測溫度,對充電電壓進(jìn)行溫度補償.

圖7 太陽能充電器充電邏輯流程圖

4 實驗測試及結(jié)果分析

在實驗中,通過液晶屏顯示溫度、電壓、充電電流,按照四個充電階段進(jìn)行充電實驗,記錄數(shù)據(jù)并繪制I-V充電曲線對比圖.圖8是四階段中預(yù)充電過程的工作截圖,圖9是實測充電曲線與理想充電曲線對比圖.

對兩條曲線進(jìn)行相關(guān)度分析,計算得出,電流、電壓曲線的相關(guān)系數(shù)分別為98.78%和99.49%,表明充電電流及電池電壓變化趨勢與理想曲線基本一致.由圖9得出兩條曲線四階段的標(biāo)準(zhǔn)差值及曲線變異系數(shù)如表2所示.

圖8 預(yù)充電階段充電圖

圖9 I-V充電曲線對比圖

充電階段電流標(biāo)準(zhǔn)差/mA電壓標(biāo)準(zhǔn)差/V電流變異系數(shù)電壓變異系數(shù)預(yù)充階段2.680.0830.0170.007恒流階段28.620.2550.0390.018恒壓階段8.760.1370.0420.01涓流階段1.320.0990.0170.008

分析表2數(shù)據(jù)可知,實驗電路在恒流階段電流標(biāo)準(zhǔn)差為28.62,損耗較大,導(dǎo)致此階段蓄電池電壓上升趨勢較理想曲線放緩.其余階段變異系數(shù)均小于5%,滿足實驗數(shù)據(jù)可信度要求,表明本

太陽能充電器可以按照四階段充電方式有效地為蓄電池供電.

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于ATmega16單片機(jī)的太陽能充電器設(shè)計過程.通過大量實驗驗證了該設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)四階段充電的功能,I-V充電曲線理想,實驗結(jié)果表明：

(1)實測充電曲線與理想充電曲線相關(guān)系數(shù)達(dá)到98%以上,四階段變異系數(shù)均小于5%,預(yù)充及涓流階段變異系數(shù)接近,可以輸出穩(wěn)定電壓和電流并實現(xiàn)四階段智能充電控制;

(2)與市面上大多數(shù)依托脈寬調(diào)制芯片的充電器相比,本充電器具有0～1.1 A的毫安級可調(diào)充電電流,兼具電池恢復(fù)、激活的特點;

(3)7 h左右的充電時間,較常規(guī)8～10 h的充電時間有16%左右的提高,且電池溫升小,可以顯著提高蓄電池使用壽命;

(4)實現(xiàn)了一種人們戶外出行移動設(shè)備電量不足問題的解決方案,具有很好的推廣前景;

(5)充電器輸出500 mA以上恒定大電流階段產(chǎn)生約8.5%的損耗,怎樣減少恒定大電流階段充電損耗有待進(jìn)一步研究.

[1]韓文潁,趙明君,寇志偉,等.太陽能光伏技術(shù)的研究與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,30:15- 16.

[2]普仕凡,徐名峰,張麗艷,等.基于AVR單片機(jī)的IRIG-B碼授時系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2014,35(3):97- 100.

[3]金鈞,趙宏勛,周帥.基于無觸點調(diào)壓技術(shù)的路燈技能控制器[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2011,32(5):85- 88.

[4]王磊,丁亞雪,趙軒,等.基于BUCK電路寬范圍可調(diào)DC/DC電源的研究與設(shè)計[J].信息通信,2014(11):72- 73.

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Design of Solar Charger based on ATmega16 MCU

FEI Jiyou,CHEN Dongdong,LI Hua,GUO Zichen,WANG Yinghan,XIE Jinlu

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

An intelligent solar charger is presented based on ATmega16 MCU,SX3002,6N137 and DS18B20,to solve the problems of insufficient capacity of mobile phone battery in densely populated places as bus station,plaza and park.The solar charger can control the battery to be charged and discharged according to the four-stage battery charging curve,and it has the functions as overcharge or over discharge protection and temperature compensation.The experimental results show that the charge current can be controlled in mA-level.

solar energy;charger;four-stage battery charging;battery life

1673- 9590(2016)03- 0099- 04

2015- 05- 16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51376028)；國家863計劃資助項目(2013AA041108)

費繼友(1964-)，男，教授，博士，主要從事測控技術(shù)方面的研究E-mail:fjy@djtu.edu.cn.

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