用于无线收发模块光伏供电系统的设计

2020-05-07戴大海

山西电子技术 2020年2期

戴大海,瞿立

(1.南京中兴软件有限责任公司，江苏南京 210000;2.国家电网南京供电公司，江苏南京 210000)

0 前言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，它通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种无线传感网络[1]，其中，无线收发模块是其核心部件。当前常用的供电方式是电池供电和外接电源供电两种，对于偏远地区或者环境比较恶劣的地带，前者存在更换电池困难的问题，后者存在现场无外接电源的难题，因此，限制了物联网应用的范围。

本文根据现实需求，从太阳能和锂电池共存系统出发，开发了一种供电系统，用于解决无线收发模块系统在户外或偏远地带取电困难的问题。该供电系统以STC12C5604AD单片机为控制核心，包括稳压模块、锂电池充电电路、降压模块、电压采样、液晶显示等硬件电路，并在硬件电路的基础上进行软件程序的设计，给出了主程序、A/D转换子程序、LCD液晶显示子程序等设计程序。

1 供电系统的总体结构

如图1所示，本系统硬件部分由太阳能电池、稳压模块、降压模块、充电管理模块、锂电池、开关控制模块、显示模块等组成。在阳光充足时，无线收发模块由太阳能电池进行供电，同时太阳能电池对锂电池进行充电；在阳光不足时，锂电池切换为对无线收发模块进行供电，充电管理模块实现充电供电切换管理。

图1 供电系统的总体结构

1.1 稳压模块的设计

稳压模块硬件选用MC3406DC-DC专用转换芯片，它是一种双极型集成芯片，内部包含一个比较器、主控比可调整的振荡器、带有温度补偿的基准电压参考源和大电流输出驱动器，通过外接很少的元器件就可以形成开关式升压变换电路、降压变换电路和反相电路。如图2所示为MC34063内部原理框图[2]。

图2 MC34063内部原理框图

图3为本文基于MC34063转换芯片设计的稳压电路原理图。

图3 稳压电路原理图

稳压电路其实现过程如下：

1) 图3中U1芯片PIN5脚通过外接分压电阻R2和R3，监视输入电压的变化，Vin1的电压U=1.25(1+R2/R3)，因为1.25V为MC34063片内基准电压，其恒定不变，因此，Vin1仅由R2和R3的大小决定。因为R2和R3阻值不变，所以Vin1也是稳定的。本设计中需要5V的电压来驱动降压芯片，因此选择R2、R3的阻值分别为3.6k和1.2k。

2) 由图2和图3可知，U1 PIN5的电压与片内基准电源作为片内比较器的两个输入源，但U1的PIN5电压低于1.25V时，片内比较器输出一个跳变电压，开启R/S触发器的S控制门电路，R/S触发器在片内振荡器的作用下，Q端输出高电平，从而驱动两个三极管T1和T2处于导通状态，使MC34063的输入电压向输出端电容充电，达到控制输出电压的作用。当PIN5的电压值高于片内基准电压时，R/S触发器的S控制门关闭，Q端输出低电平，使得T1和T2都处于截止状态。

3) MC34063片内振荡器工作频率的高低由外接电容决定，如图3中C3，它的大小决定了振荡器频率，同时决定了片内三极管T1的通断时间。C3电容计算如下：C3=4*10-6*Ton，Ton取6.2V，可得C3=248pf，取C3为470pf。

4) MC34063 PIN7监控片内三极管T1的峰值电流，控制片内振荡器的脉冲输出，从而控制R/S触发器的Q端输出。其中，Ipk=2*Iomax，根据MC34063资料可知，Iomax的值为0.5A，可得Ipk=1A，而限流电阻R1：R1=0.33/Ipk=0.33Ω，滤波电感L2：L2min=(Vi-Vces-Vo)/Ipk*Ton=(7.25-1-5)/1*6.25=200μH。

1.2 充电管理模块电路的设计

合理的充、放电管理方式既能提高无线收发模块工作稳定性，又能延长锂电池的工作寿命。本文使用3.7V锂电池，采用3段式充电控制[3]：

A、充电初期，采用涓流充电的方式，避免对锂电池造成不可逆的损害。

B、充电中期，锂电池进入均充阶段,采用恒定电流方式。

C、充电晚期，采用恒定电压的方式,逐渐地减小充电电流。

采用3段式充电控制管理方式,既充分利用了太阳能再生能源，提高了锂电池的充电效率，又保证了锂电池的安全性。

CN3063是一款用于电池充电管理的芯片[4]，特别适用于输出电流能力有限的输入电压源，比如太阳能。片内的大功率晶体管对外接电池进行恒流和恒压充电。充电电流由片外的外部电阻决定，并且不需要额外增加阻流二极管和用于检测电流的电阻。

图4所示为本文设计的锂电池充电管理模块硬件电路图，Vin1为太阳能电池经过稳压模块后输出的稳定电压，电阻R8与NTC1(热敏电阻)组成分压电路，由于锂电池充电过程中会产生热量，不同的充电阶段热敏电阻的电阻值也会不同，这样通过检测PIN1电压的大小来智能地控制充电的3个阶段。PIN8直接接锂电池的正端，这样可以设定锂电池的充电电压恒定为4.2V。

图4 充电管理模块硬件电路图

图4中，当CN3063芯片的FB检测端电压小于3V时，CN3063输出小电流对电池预充电。当CN3063芯片的FB检测端电压大于3V时，CN3063输出恒定电流对电池充电，电流大小由ISET引脚和GND之间的电阻确定，如图4中R9。当CN3063芯片的FB检测端接近电池端设置的电压时，CN3063输出电流逐渐变小，进入恒压充电模式。当FB检测端电压大于4.45V时，并且CN3063输出电流逐渐逼近设置的最小阈值时，整个充电过程结束。当FB检测端电压小于充电设置阀值时，新的充电周期自动循环开始。

1.3 降压电路的设计

降压电路采用LM1117芯片，输入端有2个来源，分别为太阳能电池板的输出端和锂电池，通过开关控制使得在光照强度大的情况下，LM1117的输入端为太阳能电池板的输出端；在光照强度小的情况下，LM1117的输入端为锂电池。

1.4 显示模块设计

显示模块采用STC12C5604AD单片机控制LCD1602液晶屏显示两路电压。用单片机的P2端口接LCD1602液晶屏的数据输入端，实时显示太阳能电池板的输出电压和锂电池的电压。

2 单相数字光伏控制软件设计

本系统的软件系统部分主要包括数据采集和显示程序两大部分。在系统完成ADC和LCD两个模块初始化后，进入主循环程序中，此时系统中的所有功能模块均已能正常运行。软件系统通过循环不停地采集和显示两路电压的大小，再比较两路电压的大小关系，最后通过控制I/O口控制相应的部分，提高了程序运行效率，能够满足系统实时性的要求。系统软件总体结构流程图如图5所示。