一種新型太陽能無線充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐啟明 徐永勝

摘要：19世紀(jì)末，科學(xué)家特斯拉做了無線電傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，在隨后的100多年里，無線充電技術(shù)隨著科學(xué)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(yīng)用。但是，目前市場上大多數(shù)無線充電樁多設(shè)計(jì)為采用電網(wǎng)電源進(jìn)行供電，因此在輸電不便的地區(qū)，這會(huì)大大限制充電樁的運(yùn)用。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種新型太陽能無線充電樁系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽能;無線充電;光電檢測

本設(shè)計(jì)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(jìn)行充電。通過光強(qiáng)度和電壓的檢測可自動(dòng)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(shí)，車輛可自動(dòng)行駛到無線充電樁的位置為車輛電池進(jìn)行充電。

1 設(shè)計(jì)方案

首先，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和需要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到滿意的設(shè)計(jì)圖紙;其次，軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)太陽能無線充電樁系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖紙，完成相應(yīng)的硬件電路焊接和實(shí)物制作，通過KEIL編程軟件編寫相應(yīng)控制程序;然后完善系統(tǒng)制作，根據(jù)實(shí)際的測試結(jié)果和運(yùn)行情況調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改進(jìn)并且完善系統(tǒng);最后對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測與調(diào)試，并進(jìn)行整體的測試與評估，使系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最佳狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）能源。本設(shè)計(jì)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(dá)25年。同時(shí)采用光合硅能蓄電池對太陽能轉(zhuǎn)換的電能進(jìn)行儲(chǔ)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(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和校準(zhǔn)，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(shè)計(jì)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(jī)維持系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)系統(tǒng)，它擁有M3的內(nèi)核。按照不同客戶的需求，STM32F103單片機(jī)又分為兩種，一種是時(shí)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(jià)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(shè)計(jì)

（1）繼電器控制設(shè)計(jì)。對于繼電器的自動(dòng)控制，可以通過編程采用輪詢或者中斷的方式對單片機(jī)的I/O進(jìn)行控制，通過將I/O口的輸出信號發(fā)送給繼電器進(jìn)行吸合或斷開，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電和斷電。

（2）光敏傳感器的閾值設(shè)計(jì)。光敏傳感器通過與STM32單片機(jī)進(jìn)行IIC通信，采集的數(shù)值在不同的光強(qiáng)下，數(shù)值會(huì)有相應(yīng)的數(shù)值，通過軟件測試，可以確定在清晨和黃昏時(shí)候的光強(qiáng)作為設(shè)定閾值，如果從低于閾值到超過閾值，認(rèn)為是清晨，啟動(dòng)充電，反之，則斷開充電線路。

（3）電壓檢測的設(shè)計(jì)。電壓傳感器對蓄電池的電壓進(jìn)行模擬信號的采集，通過STM32單片機(jī)的ADC通道對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。同時(shí)，通過對采集的數(shù)字量進(jìn)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(yīng)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(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)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(qiáng)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(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種，在自動(dòng)模式下，通過光敏元件檢測光強(qiáng)，達(dá)到設(shè)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(guān)閉太陽能為充電樁充電回路;當(dāng)檢測到小車電量過低時(shí)，小車自動(dòng)行駛到無線充電區(qū)域進(jìn)行充電，充滿電時(shí)自動(dòng)斷開充電回路。在手動(dòng)模式下，在系統(tǒng)的上位機(jī)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(shí)也可以控制小車的啟停和充斷。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用多學(xué)科知識，通過系統(tǒng)主控制器，控制各繼電器的狀態(tài)來進(jìn)行充放電，通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)定電壓輸出，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。使用太陽能電池板作為能源來源，經(jīng)濟(jì)、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(huì)擁有較大市場。

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