太阳能智能充电器单片机控制技术分析

2019-06-05薛凯娟山西工程职业技术学院山西太原030009

通信电源技术 2019年5期

薛凯娟（山西工程职业技术学院，山西太原 030009）

0 引言

随着信息技术的发展，便携式电子设备的使用越来越广。便携式电子设备电池的充电与管理成为研发热点。目前，市场上便携式电子设备的充电方式多为用市电经过变压器处理后再给电池充电，对充电环境要求比较苛刻，充电随机性较差，不能有效利用新能源。本文提出了一种利用太阳能给便携式电子设备进行充电的方法，利用单片机控制的太阳能智能充电器实现对便携式电子设备电池的智能充电和智能管理控制，并利用物联网技术实施智能监测。

1 太阳能智能充电器原理分析

太阳能智能充电器是利用太阳能板采集太阳能，把获取的太阳能直接转换成电能的半导体器件。利用单片机控制电压采集器实时采集用电设备充电电压，并将实时电压及时地显示在液晶屏上，方便设备使用者通过液晶显示屏实时显示的数据，观察用电设备的充电情况。同时，单片机通过测得的基准电压，可对用电设备的充电情况进行实时修正，使用电设备的充电情况永久保持在最佳状态。当用电设备的电池到达充满状态时，单片机系统控制还可及时切掉电源，以保证用电设备电池的寿命[1]。

太阳能智能充电器系统设计了与大数据的接口，可通过无线通信将相关信息传送到云端，与用户终端实现智能互联和信息交换，系统框图如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 单片机最小系统

太阳能智能充电器采用51系列单片机作为主控制器，最小控制系统由时钟电路、复位电路以及89C51单片机芯片构成。

图1 太阳能智能充电系统方框图

2.2 太阳能充电电源系统

太阳能电池板获得的电能是不可以直接用于单片机供电，也不可以直接用于便携式电子产品充电，需通过降压稳压处理得到单片机所需要的电压。基于单片机控制的太阳能智能充电器采用LM2575电源管理模块进行电压降压稳压处理。LM2575系列开关稳压集成，内部集成了一个固定振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，且多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制和热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚[2]。通过LM2575处理后的电压可直接用于设备充电。

2.3 斩波电路设计

太阳能智能充电器采用降压斩波的工作原理，电路原理及波形如图2所示。

图2中，V为全控型器件，选用IGBTD为续流二极管。由图2中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui；当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：

其中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比（α=ton/T）。输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。

图2 斩波电路电路原理图

2.4 电压采集系统

太阳能智能充电器电压监控采用PCF8591芯片及相关电路构成。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗及8-bitCMOS数据获取器件，具有4个模拟输入、1个模拟输出及1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0、A1及A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件而无需额外的硬件，可以方便地将其纳入到物联网中，从而实现与物联网中设备的信息交换。

2.5 液晶显示电路设计

太阳能智能充电器采用LCD1602型液晶作为显示器，实现有效的人机对话。LCD1602液晶显示器使用11根数据控制线完成人机交互功能，其中3根控制线，分别为RS、RW及EN，数据线采用的是并口形式，总共有8根，直接连接到单片机并行口[3]。VO引脚是液晶的对比度调节电路。该引脚上的电压直接决定了液晶的对比度。

基于单片机控制的太阳能智能充电器的整体电路如图3所示。

图3 太阳能智能充电器整体电路图

3 软件系统流程设计

太阳能智能充电器控制程序是当充电器开始工作时，先进行硬件初始化。初始化工作主要包括检测太阳能板是否正常，调整太阳能板的方向使其对准太阳光照方向；检测电池电能的现状；给单片机自动分配中断向量表、操作寄存器及存储器的物理地址等。

初始化操作完成后，依据采集的相关信息，综合判断后执行跳转指令，跳转到main函数地址，开始进行充电操作；同时单片机开始实时采集电池中的电压值，通过AD转换器对采集到的数据进行计算，将AD采样值换算成电压显示在液晶界面上，方便用户控制。

对于无线区域，将充电过程中电池电量的变化与电池的相关信息上传到云端，实现与智能终端的连接，系统的运行流程如图4所示。

图4 太阳能智能充电器系统流程图

3.1 AD模块初始化程序设计

当PCF8591作为AD转换时，应初始化该器件。初始化步骤是启动I2C总线，启动后总线自动开始寻找地址，进入写模式，此后等待从机进行应答响应，响应后进行写通道操作，此时可写入（00/01/02/03）通道号，写通道完成后等待从机应答响应，从机响应完成后，停止I2C总线，初始化完成。然后开始一位一位的读取数据，将读取出来的数据进行转换，转换后等待主机下一步操作。

3.2 1602液晶初始化程序设计

液晶屏显示参数前，需对液晶进行初始化操作。1602液晶初始化就是对液晶显示器进行准备工作设置，单片机通过数据线向1602液晶写数据，首先写入命令，规范1602液晶为显示模式。由于设计中需要显示字符，所以需要发送指令让1602液晶显示字符模式，在本设计中设置显示字符格式为16×2显示，单个字符大小为5×7点阵。由于显示时液晶屏幕上会显示光标，所以需设置液晶显示光标。同时由于写入液晶的字符是连续的，所以每显示一个数字，上一位数据需要移一位，需设置为左移位的移位方式，以实现数据的正确显示。

4 系统仿真

太阳能智能充电器硬件系统搭建完成，且编程编译正确后，利用Protues软件进行电路仿真，利用滑动电阻分压实现用电器端电压变化。调节滑动变阻器，可看到显示屏中显示电压随之改变，证明了系统功能已实现。图5为部分系统仿真画面。

图5 太阳能智能充电器系统仿真图

5 系统测试

设计完成后，需对系统进行测试。由于设计是纯手工制作，可靠性较差，因此测试时主要进行功能测试，不进行性能测试。

5.1 硬件调试

系统在焊接完成后，需进行调试。硬件调试时，首先检查各电源是否正确连接，然后通电进行观察。如果一切正常，则用万用表连接各个部分的电源，以确定是否和设计值一致。需要着重检查各引脚之间的电气连接是否正常，消除虚焊现象。然后对系统进行通电，通电后观察片刻，如果没有异常，可进行烧录。串口下载器连接到单片机串口烧录程序，对烧录情况进行验证。如果烧录失败，首先检查烧录软件配置是否正常，烧录软件正常的情况下，检查烧录接口，查看是否是焊接出错，确认焊接无误后可检查单片机的时钟电路是否正常。烧录完成后如果系统的各项功能都能正常工作，则硬件调试完成，如果有功能不能实现，则需检查硬件电路。对于不能实现的功能模块，检查其硬件焊接是否正常，设计是否有误，可先在仿真软件上进行仿真，以确认设计可行性，如果还是无法解决问题，则需调试系统软件。联合调试，直到系统功能都能正常工作为止。

5.2 软件调试

系统硬件设计完成后，需调试软件系统。软件系统是建立在硬件系统能正常烧录程序和正常运行程序的基础上的。硬件调试中，由于实际运行效果和预先设想的不一致，所以需对软件系统进行调试，并进行软硬件联合调试。软件系统的调试需将程序下载到单片机，利用keil开发环境的debug功能进行调试。首先进行单步调试，看程序是否能够正常走通，如果不能走通卡在了某个函数部分，则需检查程序的引脚和硬件连接是否一致，如果不一致，则需检查硬件设计。程序能够正常运行后，需检查程序数据，利用livewatch窗口进行观测。仔细推敲，不断查找代码问题，直到程序能够正常运作为止。