用于無線收發(fā)模塊光伏供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

戴大海,瞿 立

(1.南京中興軟件有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000;2.國家電網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210000)

0 前言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，它通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)[1]，其中，無線收發(fā)模塊是其核心部件。當(dāng)前常用的供電方式是電池供電和外接電源供電兩種，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)或者環(huán)境比較惡劣的地帶，前者存在更換電池困難的問題，后者存在現(xiàn)場無外接電源的難題，因此，限制了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范圍。

本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，從太陽能和鋰電池共存系統(tǒng)出發(fā)，開發(fā)了一種供電系統(tǒng)，用于解決無線收發(fā)模塊系統(tǒng)在戶外或偏遠(yuǎn)地帶取電困難的問題。該供電系統(tǒng)以STC12C5604AD單片機(jī)為控制核心，包括穩(wěn)壓模塊、鋰電池充電電路、降壓模塊、電壓采樣、液晶顯示等硬件電路，并在硬件電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)，給出了主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD液晶顯示子程序等設(shè)計(jì)程序。

1 供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)硬件部分由太陽能電池、穩(wěn)壓模塊、降壓模塊、充電管理模塊、鋰電池、開關(guān)控制模塊、顯示模塊等組成。在陽光充足時(shí)，無線收發(fā)模塊由太陽能電池進(jìn)行供電，同時(shí)太陽能電池對鋰電池進(jìn)行充電；在陽光不足時(shí)，鋰電池切換為對無線收發(fā)模塊進(jìn)行供電，充電管理模塊實(shí)現(xiàn)充電供電切換管理。

圖1 供電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓模塊硬件選用MC3406DC-DC專用轉(zhuǎn)換芯片，它是一種雙極型集成芯片，內(nèi)部包含一個(gè)比較器、主控比可調(diào)整的振蕩器、帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓參考源和大電流輸出驅(qū)動器，通過外接很少的元器件就可以形成開關(guān)式升壓變換電路、降壓變換電路和反相電路。如圖2所示為MC34063內(nèi)部原理框圖[2]。

圖2 MC34063內(nèi)部原理框圖

圖3為本文基于MC34063轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路原理圖。

圖3 穩(wěn)壓電路原理圖

穩(wěn)壓電路其實(shí)現(xiàn)過程如下：

1) 圖3中U1芯片PIN5腳通過外接分壓電阻R2和R3，監(jiān)視輸入電壓的變化，Vin1的電壓U=1.25(1+R2/R3)，因?yàn)?.25V為MC34063片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，其恒定不變，因此，Vin1僅由R2和R3的大小決定。因?yàn)镽2和R3阻值不變，所以Vin1也是穩(wěn)定的。本設(shè)計(jì)中需要5V的電壓來驅(qū)動降壓芯片，因此選擇R2、R3的阻值分別為3.6k和1.2k。

2) 由圖2和圖3可知，U1 PIN5的電壓與片內(nèi)基準(zhǔn)電源作為片內(nèi)比較器的兩個(gè)輸入源，但U1的PIN5電壓低于1.25V時(shí)，片內(nèi)比較器輸出一個(gè)跳變電壓，開啟R/S觸發(fā)器的S控制門電路，R/S觸發(fā)器在片內(nèi)振蕩器的作用下，Q端輸出高電平，從而驅(qū)動兩個(gè)三極管T1和T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，使MC34063的輸入電壓向輸出端電容充電，達(dá)到控制輸出電壓的作用。當(dāng)PIN5的電壓值高于片內(nèi)基準(zhǔn)電壓時(shí)，R/S觸發(fā)器的S控制門關(guān)閉，Q端輸出低電平，使得T1和T2都處于截止?fàn)顟B(tài)。

3) MC34063片內(nèi)振蕩器工作頻率的高低由外接電容決定，如圖3中C3，它的大小決定了振蕩器頻率，同時(shí)決定了片內(nèi)三極管T1的通斷時(shí)間。C3電容計(jì)算如下：C3=4*10-6*Ton，Ton取6.2V，可得C3=248pf，取C3為470pf。

4) MC34063 PIN7監(jiān)控片內(nèi)三極管T1的峰值電流，控制片內(nèi)振蕩器的脈沖輸出，從而控制R/S觸發(fā)器的Q端輸出。其中，Ipk=2*Iomax，根據(jù)MC34063資料可知，Iomax的值為0.5A，可得Ipk=1A，而限流電阻R1：R1=0.33/Ipk=0.33Ω，濾波電感L2：L2min=(Vi-Vces-Vo)/Ipk*Ton=(7.25-1-5)/1*6.25=200μH。

1.2 充電管理模塊電路的設(shè)計(jì)

合理的充、放電管理方式既能提高無線收發(fā)模塊工作穩(wěn)定性，又能延長鋰電池的工作壽命。本文使用3.7V鋰電池，采用3段式充電控制[3]：

A、充電初期，采用涓流充電的方式，避免對鋰電池造成不可逆的損害。

B、充電中期，鋰電池進(jìn)入均充階段,采用恒定電流方式。

C、充電晚期，采用恒定電壓的方式,逐漸地減小充電電流。

采用3段式充電控制管理方式,既充分利用了太陽能再生能源，提高了鋰電池的充電效率，又保證了鋰電池的安全性。

CN3063是一款用于電池充電管理的芯片[4]，特別適用于輸出電流能力有限的輸入電壓源，比如太陽能。片內(nèi)的大功率晶體管對外接電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流由片外的外部電阻決定，并且不需要額外增加阻流二極管和用于檢測電流的電阻。

圖4所示為本文設(shè)計(jì)的鋰電池充電管理模塊硬件電路圖，Vin1為太陽能電池經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后輸出的穩(wěn)定電壓，電阻R8與NTC1(熱敏電阻)組成分壓電路，由于鋰電池充電過程中會產(chǎn)生熱量，不同的充電階段熱敏電阻的電阻值也會不同，這樣通過檢測PIN1電壓的大小來智能地控制充電的3個(gè)階段。PIN8直接接鋰電池的正端，這樣可以設(shè)定鋰電池的充電電壓恒定為4.2V。

圖4 充電管理模塊硬件電路圖

圖4中，當(dāng)CN3063芯片的FB檢測端電壓小于3V時(shí)，CN3063輸出小電流對電池預(yù)充電。當(dāng)CN3063芯片的FB檢測端電壓大于3V時(shí)，CN3063輸出恒定電流對電池充電，電流大小由ISET引腳和GND之間的電阻確定，如圖4中R9。當(dāng)CN3063芯片的FB檢測端接近電池端設(shè)置的電壓時(shí)，CN3063輸出電流逐漸變小，進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)FB檢測端電壓大于4.45V時(shí)，并且CN3063輸出電流逐漸逼近設(shè)置的最小閾值時(shí)，整個(gè)充電過程結(jié)束。當(dāng)FB檢測端電壓小于充電設(shè)置閥值時(shí)，新的充電周期自動循環(huán)開始。

1.3 降壓電路的設(shè)計(jì)

降壓電路采用LM1117芯片，輸入端有2個(gè)來源，分別為太陽能電池板的輸出端和鋰電池，通過開關(guān)控制使得在光照強(qiáng)度大的情況下，LM1117的輸入端為太陽能電池板的輸出端；在光照強(qiáng)度小的情況下，LM1117的輸入端為鋰電池。

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊采用STC12C5604AD單片機(jī)控制LCD1602液晶屏顯示兩路電壓。用單片機(jī)的P2端口接LCD1602液晶屏的數(shù)據(jù)輸入端，實(shí)時(shí)顯示太陽能電池板的輸出電壓和鋰電池的電壓。

2 單相數(shù)字光伏控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)部分主要包括數(shù)據(jù)采集和顯示程序兩大部分。在系統(tǒng)完成ADC和LCD兩個(gè)模塊初始化后，進(jìn)入主循環(huán)程序中，此時(shí)系統(tǒng)中的所有功能模塊均已能正常運(yùn)行。軟件系統(tǒng)通過循環(huán)不停地采集和顯示兩路電壓的大小，再比較兩路電壓的大小關(guān)系，最后通過控制I/O口控制相應(yīng)的部分，提高了程序運(yùn)行效率，能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)的正確性，對設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)際測量。表1中的Vin1為太陽能電池經(jīng)過MC34063穩(wěn)壓后輸出電壓的大小，Vin2為鋰電池的電壓的大小，顯示值為液晶顯示屏上顯示的大小，實(shí)測值是用萬用表測量所得的電壓的大小。

表1 實(shí)際測量數(shù)據(jù)

通過分析表1中的數(shù)據(jù)可知，在Vin1>Vin2的情況下，表明此時(shí)陽光充足，由MC34063輸出+5V電壓經(jīng)過降壓芯片LM1117-3.3輸出約為3.3V電壓，并給鋰電池進(jìn)行充電；在Vin1

4 結(jié)論

本文從太陽能與鋰電池共存供電系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了一種供電系統(tǒng)，用于解決無線收發(fā)模塊系統(tǒng)取電困難和人工干預(yù)的問題。系統(tǒng)包括穩(wěn)壓模塊、充放電模塊、降壓模塊等模塊的電路設(shè)計(jì)，并在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編寫了軟件程序。

最后，對系統(tǒng)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，數(shù)據(jù)分析表明，該系統(tǒng)功能運(yùn)行穩(wěn)定，精度比較準(zhǔn)確，可滿足實(shí)際應(yīng)用，較好地實(shí)現(xiàn)智能充電供電管理，能夠滿足在戶外環(huán)境下能量自給，解決了需人工更換電池的不便，對無線收發(fā)模塊在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很好的應(yīng)用價(jià)值。