一款广播发射机房太阳能无线充电器的设计

摘  要：检修工具在广播发射机房的检修工作中意义非凡，其中因单次使用前需充电的检修手灯数量较多，原装充电器与固定的充电插座位置局限直接导致检修工作效率的下降，同时为响应节约型电台的新模式，充分发挥太阳能电池的优势，将太阳能发电技术和无线充电技术相结合，基于89C51单片机实现两者之间的控制与协调工作，实现给设备充电的目的。结果证明该设计可以实现检修手灯太阳能无线充电功能，但充电效率仍需提高，需要日后进一步进行改进。

关键词：太阳能;单片机;无线充电;检修手灯

中图分类号：TM910.6;TP368.1     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0058-04

Design of a Solar Wireless Charger for Radio Transmitter Room

MA Kerong

（State Administration of Radio and Television 2022，Kashgar  844000，China）

Abstract：Maintenance tools are of great significance in the maintenance work of the radio transmitter room. Because of the large number of maintenance hand lamps that need to be charged before a single use，the original charger and the fixed charging socket location directly lead to the decline of the maintenance efficiency. At the same time，in order to respond to the new model of economical radio，give full play to the advantages of solar cells，combine solar power technology and wireless charging technology，based on 89C51 single-chip microcomputer to achieve control and coordination between the two，to achieve the purpose of charging equipment. The results show that the design can realize the function of solar wireless charging for maintenance hand lamp，but the charging efficiency still needs to be improved，which needs to be better in the future.

Keywords：solar energy;single-chip microcomputer;wireless charging;maintenance hand lamp

0  引  言

太阳能作为一种新兴的能源，越来越多地被人们所熟知。利用太阳能发展的产业目前已成为最具潜力的产业，而太阳能光伏发电是太阳能应用的主要产业之一[1]。无线电能传输技术被认为是未来最便捷的电能传输方式，无线电能传输因不需要外设充电的电源接口和充电器接口，所以没有导电接点外露，提高了充电的安全性以及便捷性。在目前的广播发射机房检修工作中，检修手灯的使用可将狭隘操作空间内亮度提升，方便检修人员快速定位故障修理点，现单位仍使用传统的有线适配器对检修手灯进行充电，若单次需充电手灯数量较多，现有的充电排插口位置、数量无法满足需求，长距离的充电线更容易发生缠绕，存在误触碰隐患，严重影响工作效率与空间利用率，同时为响应单位“节约型电台”的新模式，考虑将近距离的无线电能传输与清洁能源太阳能相结合，并摆脱电源接口与充电位置的约束，经作者构思、调研、测试、设计，利用89C51单片机作为中枢调节控制系统成功制作出一款广播发射机房太阳能无线充电器，目前该设计样品经作者本人测试可以实现无线充电的功能，为广播发射机检修工作中针对各类电源设备的太阳能充电方法拓宽了新的思路。

1  原理分析

1.1  太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电是根据硅的光生伏特效应原理，利用硅晶体太阳电池将太阳光能直接或间接地转化为电能[2]，具体原理图如图1所示。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板、逆变器和控制器三部分构成，利用光伏半導体材料的光伏打效应而将太阳的辐射热能转化为直流电的设备。太阳能电池板的直接输出为直流电，且基本上都是12 V、24 V、48 V。

1.2  无线充电原理

无线充电技术源于无线电力传输技术。是通过近场感应，由无线充电设备的一级发射线圈将电能以电磁能的形式传导到次级线圈经过充电终端设备感应产生电能，类似于分离式的变压器[3]。由于电能的传递采用的是电感耦合的原理，供电装置与充电器是以磁场的形式进行电能传递，所以无外露的导电接口。本设计选择采用实现起来较简单并且传输效率较高的电磁感应式的无线充电方式，原理图如图2所示。电磁感应式的无线充电，通过在一级线圈上加一个交变电压，产生一个高频交变的磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，就这样将电能从输入电路传输至输出电路，之间无导电点的接触，实现真正意义上的无线充电。

2  太阳能无线充电器的设计

2.1  整体设计

本文设计结合太阳能光伏发电技术和电能无线传输技术，实现给低压设备充电。设计中包含软件和硬件两部分，硬件部分包括了太阳能发电电路、中枢系统电路、电压测量电路、显示单元、降压稳压模块等;软件主要应用89C51单片机作为载体，编写程序以达到对各电路的协调控制。电路中使用单片机作为中枢控制系统，在对检修手灯进行充电的过程中，单片机用转换器将太阳能电池板的输出电压和单片机的供电电压以及实时充电情况以数据的形式展示出来，太阳能被太阳能电池板转化为电能，经模数转换后传送到单片机系统中，让这些电路按照规划好的运转路线运行，无线电能传输部分使用电磁感应式的无线充电技术，以实现对检修手灯进行太阳能无线充电的目的，设计完成后，对实物进行程序的调试以及数据的测试，最终完成太阳能无线充电器设计研究。

2.2  主体框架

本设计是制作一套基于单片机的太阳能电磁感应式无线充电器，所以需要对无线充电技术进行研究，采用目前最高效的无线电路传输技术来进行整体电路功能设计。并根据系统功能设计，选取合适的元件进行电路设计。为此，项目首先进行了主体框架的设计，系统主体框架如图3所示。

89C51单片机最小系统：在电路设计中使用单片机作为中枢控制系统，设备充电过程中，单片机用模数转换器将电路中的测量电压和充电情况以数据的形式表示出来，通过程序的判断，使各部分功能电路按照规划好的路线运行。

电压测量电路：测量太阳能电池板的输出电压和无线发射模块的供电电压，反馈给单片机控制系统，经液晶显示屏显示出来。

按键电路：通过人为操纵启动或者关停按钮，对充电器的充电时间进行以及是否进行充电进行控制。

电源电路：通过太阳能电池板吸收太阳光的热量和辐射进行发电以及对单片机进行供电。

显示单元：显示电路的输出电压和输入电压。

充电控制：控制充电时间以及是否进行充电。

另外，无线充电部分采用电磁感应式的无线充电技术。利用电磁感应原理进行无线的电能传输，感应耦合电能的传输系统由一级发射线圈和次级接收线圈构成。两个线圈共同组成一个电磁耦合感应器，类似于一个耦合变压器。发射线圈流过的交流电产生高频磁场，并在接收线圈感生出同频率的磁场，产生电压。

2.3  硬件系统设计方案

设计采用太阳能电池板为单片机以及无线发射电路等进行电源供电，无线充电部分采用的是电磁感应式的无线充电电路，主要由无线发射电路、无线接收电路、单片机最小系统、模数转换电路组成。本设计中采用单片机智能电压监測技术，即单片机电路通过多路电压采集芯片输出电路的电压，如果两者电压都正常，则通过液晶显示屏显示“No problem”提示用户可放心充电。如果电压输出异常，则显示“A fault”，需进行电路故障排查。设计总体模块如图4所示。

太阳能发电采用的是单晶体太阳能电池板，用一个发光二极管和电阻串联接在电池板输出端，指示是否有电压输出。太阳能电池板的输出电压一般高于5 V，而单片机的供电电压为5 V，所以利用LM2575芯片对太阳能电池板的输出电压进行降压稳压，为单片机等元件进行供电。

在系统的硬件选型与设计完成后，检验设计的合理性，需要经过PCB制板检验，PCB制板是整个系统设计中重要的一项，制板软件选择使用Protel99SE。将使用到的元器件载入原理图，并摆放整齐，然后按照设计的电路进行接线，接线的目的是建立网络标号，凡接在一起的引脚，都将会共用统一网络标号，将PCB与原理图逐一对应输入。绘制好电路原理图生成网络表，将网络表和元器件封装一同载入PCB图中，布线，然后对PCB电气规则检查。最终PCB板实拍图如图5所示。

3  软件设计

本设计采用89C51单片机作为中枢调节控制系统，该单片机采用KEIL软件编写C语言程序。程序编写好之后，通过ISP下载器将程序下载到单片机中。经过89C51单片机上电复位初始化状态后，改变控制芯片和液晶屏配置。特别是PCF8591芯片上电激活后，有效信息成功被芯片授权，接着在数模转换后，控制字符设置完成。

数模转换后，系统检测太阳能电池板和无线电力接收电路的电压实时数值。单片机开始工作，完成数据抓取。抓取过后的数据包需要进行算法优化，具体优化过程为：将数值按量程分配，然后经过“1024”做除，再以五位数额做乘，得出待充电设备实际电压值，最后传输至显示单元。检修人员可根据显示值给出准确判断。本设计的软件流程如图6所示。

4  测试结果

以下是对太阳能无线充电器在正常光照以及一天内不同时间段的太阳能光伏输出电压、无线发射模块的输入电压和无线接收模块的输出电压的测量，如表1所示。

在调试过程中，发现下载程序后，单片机显示的太阳能电池的输出电压在11.00～13.80 V之间变化，无线充电模块的输入电压在5.10～5.90 V之间，这与实测电压基本一致，并且无线充电模块也可以正常运行，连接待充电设备后显示正常充电。为了更好地验证系统的可靠性，选择天气晴朗一天，利用该系统对电池容量为3 070 mAh的待充电设备进行充电，检修手灯事先放电至总电池电量的1%，从上午8时开始充电，经过6个小时充电至100%，验证了系统的可行性，但是总体来说系统电能转换效率较低。

5  今后改进方向与展望

为了检验设计的正确合理性，最后通过数据测试，获取到了电路参数等信息。但是在实物进行正常的工作中却存在很多的问题，太阳能电池板的输出功率随光照强度波动变化较大，有时不能够提供足够的电能同时供单片机和无线充电部分正常工作。无线充电部分之间的电能传输效率也不是很高，这样造成了大部分电能在无线传输过程中被损耗，对充电的时间以及充电电量产生不良影响。

目前的无线充电技术主要是近磁场无线充电，远距离大功率无线磁电转换设备的耗能较高。针对本设计，应从硬件与软件两方面出发讨论日后改进方案：

（1）改进硬件电路架构，尽量使光照强度波动变化引起的太阳能电池板的输出功率变化在可控范围内。

（2）优化算法算力，提升控制精确度与数据准确性。

（3）可增加系统自动检测充电与充满断电功能。

6  结  论

本设计首先按照太阳能无线充电的技术要求，查阅相关资料文献，选择合适的电子元件和配件，设计出了一套基于89C51单片机的太阳能无线充电的电路原理图，然后经过PCB电路板绘制，最后通过电路板焊接、软件编程，最终完成了太阳能无线充电器，能够实现预先设定的无线充电等基础功能，成功摆脱了固定充电排插口的束缚，同时节约了电力资源，让检修工作与新兴技术紧密结合。目前，该设计样品已成功测试完毕，缩短了从测试样品到实用工具的距离，未来的太阳能充电技术在检修手灯上的应用肯定能够克服众多不足，做到体积小、易携带、发电充电效率高并且制作成本低，为广播发射机房节约能源和开发新能源设备开创了新的思路。

参考文献：

[1] 姚磊，梁春美.基于单片机的多能源手机充电器设计 [J].科技创新与应用，2015（13）：78.

[2] 于明军，韩铮，纪宇，等.太阳能无线充电器的设计 [J].实验室科学，2015，18（6）：48-50.

[3] 石丁，米国挺，王亚亚.浅析无线充电技术原理及前景分析 [J].科技风，2019（7）：219.

作者简介：马可蓉（1991.01—），女，汉族，甘肃会宁人，值班长，助理工程师，本科，研究方向：广播发送技术及射频电路。