基于单片机的太阳能手机充电器方案

1 引言

　　太阳能是为便携式设备供电的有吸引力的能源。一段时间以来，它一直被广泛地用于诸如计算器和航天飞机这样的应用。最近，人们正考虑把太阳能用于包括移动电话充电器这样的范围更宽广的消费电子应用。太阳能电池板所提供的功率高度依赖于工作环境。这包括诸如光密度、时间和位置之类的因素。因此，电池通常被用作能量存储单元。当来自太阳能板的电能有余的时候，就可以对电池充电；当太阳能板提供的电能不足时，电池就可以为系统供电。

　　目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为：

　　①硅太阳能电池；

　　②以无机盐如砷化镓III- V 化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池；

　　③功能高分子材料（有机半导体）制备的大阳能电池；

　　④纳米晶太阳能电池等。我们采用的是硅太阳能电池。

　　2 充电器的硬件设计

　　充电器如图1 所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，形成了一个闭环系统。

　　其中，单片机是电路的控制部分，PWM电路是整个电路的核心部分。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。

图1 充电器电路模块图

　　2.1 处理器

　　处理器采用51 系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O 口，采用12MHz 的晶振。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，通过计算决定如何对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。

　　2.2 采样部分

　　如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D 的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片MAX472，克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。

　　电压和电流采样采用串行模/ 数转换器TLC0834，8 位分辨率易于和微处理器接口或独立使用满比例尺工作或用5V基准电压用地址逻辑多路器选通的4 或8 输入通道单5V 供电，输入范围0- 5V。

　　2.3 PWM 控制电路

　　控制器采用脉宽调制（PWM） 方式控制供电电流的大小。

　　PWM发生器是由的单片机输出的PWM波通过控制电路实现的，主控制器和它采用中断的方式进行通讯，控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。

　　开关管、二极管、LC 电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗，同时便于进行数字化控制，但母线的纹波系数相对较大。PWM控制电路如图2 所示。

图2 PWM控制电路

　　3 电池充电原理

　　锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命，图3 为锂电池的充电曲线，共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。

　以800mAh 容量的电池为例，其终止充电电压为4.2V。用1/10C（约80mA）的电池进行恒流预充，当电池端电压达到低压门限V（min）后，以800mA（充电率为1C）恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V 时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10C（约80mA）时，认为接近充满，可以终止充电。

图3 手机电池充电曲线

　　4 寻找太阳能最大输出功率点

　　在寻找最大功率点时，我们采用比较方式来实现，具体的做法是：首先采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算出此时的功率，然后继续采集。如图4 所示。在图4 中，C 点与B 点比较，如比B 点大或相等时，就给一个正号权位；如比B 点小时，就给一个负号权位。而A 点如比B 点大或相等时，就给一个负号权位；如A 点比B 点小时，就给一个正号权位。当三点比较完之后，如有两个正号权位则属正斜率，应当增大输出电压，提高输出功率；如有两个负号权位则属负斜率，应当减小输出电压，提高输出功率；如权位为零即为一正一负表示达到顶点，不做任何变动。在A、B、C 三点的功率值的取法为先取B点的功率为立足点，那么先读取C 点功率，再从C 点返回读取A 点功率。连续检测三点的功率值并比较其大小再计算出权位值，经由权位值来判定立足点要往C 点移动、A 点移动、或不移动。此种方法虽然运算时间比传统的扰动观察法较慢达到最大功率点以及在日照量快速变化下无法达到最大功率点，但可以降低传统扰动观察法中不明的干扰及判断错误而造成的功率损失，就整个控制效果而言是可以接受。

图4 三点权位比较法中最大功率点附近数据状态

　　5 程序总体设计及说明

　　我们采用的太阳能电池板的输出电压是9V，而充电电池的最高输入电压要求不能高于4.2V，为了保护电池起见，我们先把输出的电压从低到高逐渐增加。

图5 控制逻辑电路流程图

　　产生PWM波：通过初始化定时器使定时器工作在方式1，其中定时器1GATE 端无效，定时器0GATE 端有效，在定时器1 的服务程序中使P1.0 置1，并用该信号作为定时器0 的门控端。当P1.0 为1 时，定时器0 开始计数，当计数溢出时，进入中断服务程序，在服务程序中将P1.0 清零，使定时器0 的定时周期小于定时器1 的定时周期，这样，固定定时器1 的周期，改变定时器0 的周期，就会产生不同占空比的方波。

　　6 结语

　　利用51 单片机作为主控制器，结合其它芯片及电路构成的太阳能手机充电器，采用PWM电压输出，具有控制灵活、带载能力强、稳定性高的优点，该充电器使用闭环控制，控制精度高、具有自我调节能力，可以自动寻找太阳能电池板的最大输出功率点提高手机电池使用效率，延长使用寿命。