一种基于单片机的电能收集充电器的设计与实现_电能检测 单片机

　　摘要: 本文介绍了一种电能收集充电器的设计和实现方案。该充电器可将(0~20V)直流电源的能量传递到3.6V以上的可充电电池中,实现对手机、数码相机、MP3等便携式电子产品的应急充电。它主要由供电电路、充电电路、控制电路三大模块组成,其中供电电路采用自激式Boost变换器,能在输入电压低至1V的情况下,为控制电路提供供电电压。充电电路采用它激式Boost变换器,在单片机的控制下进行电压变换和电池充电。控制电路以单片机为核心,监控显示充电电流,并向充电电路发出两路PWM控制信号。论文给出了主要硬件电路和软件的设计过程,制作并测试了实验样机。实验结果表明该充电器具有工作电压范围宽,效率高,可靠性好等优点。
　　关键词:电能收集充电器 Boost变换器 PWM控制 单片机
　　
　　1 引言
　　 能源是国民经济与社会发展的基础和战略资源。近年来,全球性的能源短缺问题日益突出,已引起各国政府的高度关注。我国政府更是将节约能源作为国家的一项基本国策,把节能降耗提到了关乎国家前途命运的高度和重要的事议程日程。另一方面,人们在惧怕能源枯竭的同时,对能源的浪费却大得惊人,据不完全统计,全球每天废弃掉的各种电池的安时数数以亿计,而这些被废弃的电池的能量大多没有得到充分的利用,有些甚至没用用到其总能量的一半就被废弃掉了(如1.5V的干电池一般在低于1.4V就不能再用了),这不仅造成对本已十分紧张的能源的极大浪费,同时也成为环境污染的重要污染源而进一步加剧了对环境的污染。因此研究一种废旧电池的能量回收装置对于节约能量,保护环境都具有十分重要的意义。
　　 本文探索研制一种能收集各种电池能量(包括废弃电池)的能量收集器充电器,该充电器可用于人们在旅途中随时给手机充电、也可作为矿工照明、应急灯电。
　　
　　2 系统结构
　　 为了能收集废旧电池的能量,同时也可对大容量电池(如蓄电池)充电,要求系统工作电压Es尽可能低,充电电流尽可能大,为了实现这些目标,在设计系统时,应充分考虑电路各部分的能耗问题,尽量降低各部分电路的能耗。经认真的分析研究,该系统应包括供电电路、充电电路、控制电路三大主要功能电路,其中供电电路应能在尽可能低的输入电压下为控制电路提供供电电压。充电电路应能在控制电路的控制下进行电压变换和电池充电。为了监控系统的状态,并显示充电情况,同时向充电电路发出控制信号,采用单片机作为主控电路比其它方式有较大的优势,因此本电路采用单片机作为控制核心。综合考虑后,确定其系统总体组成框图如图1所示。
　　 供电部分主要向单片机提供工作电压和AD采样电路的工作电压(包括AD电源电压和参考电压),这部分电路在电压较低时采用自激式boost变换器,电压较高时,直接有ES经三端稳压后供电;充电电路(在Es电压从0到20V变化时)统一采用它激式boost变换器,由单片机产生的PWM信号控制充电电流的大小;控制电路由单片机承担,主要完成对充电电流的采样和向充电电路发出PWM控制信号。
　　
　　3 各功能模块设计
　　 总体思路:在电压较高时可直接由采用三端稳压输出向供单片机供电,使用boost电路完成充电功能,使用PWM波控制充电时间。在电压较低时,采取自激式震荡电路进行升压后为单片机提供工作电压。单片机输出PWM波控制它激式振荡电路工作,实现充电功能。
　　3.1 供电电路设计
　　 当电压大于或等于10V时,采用三端稳压电路对供电电压进行稳压,提供给控制电路。三端稳压采用可调的LM317,可方便的调节输出电压(输出电压可在1.25~37V范围内调节),最大输出电流1.5A,最大输入/输出电压差达40V,其输出电压可由公式:U≈(1+R6/R7)×1.25确定,为此采用如图2所示的电路。
　　 当电压低于3.6V采用自激式振荡电路作为供电电路,为了提高电路的带负载能力,采用两路自激式震荡电路供电,供电电路如图3所示。
　　3.2 充电电路设计
　　 根据前面的分析,充电电路可统一采用它激式升压斩波电路(Boost Chopper)实现对可充电电池的充电。充电电路如图4所示。其工作原理分析如下:
　　 当ES较高(大于10V),Q4、Q5不工作,其充电过程由PWM2控制Q6、Q3管的通断向可充电电池充电。
　　 当ES较低(小于3.6V),其充电过程由PWM1控制Q4、Q5管和PWM2控制Q6、Q3管的通断向可充电电池充电。
　　 假设L和C值很大,处于通态时,电源ES向电感L充电,电流可认为基本恒定i1,电容C向负载R供电,输出电压uo也可认为基本恒定。处于断态时,电源ES和电感L同时向电容C充电,并向负载提供能量。
　　3.3 控制电路设计
　　 3.3.1单片机的选取
　　 根据本系统的要求,单片机的功耗和供电电压的大小是选择单片机主要要考虑的因素。普通单片机(如AT89C51)工作电压在4.5-5.5V,耗电比较大。为尽量降低功耗,应选择低压功耗单片机,考虑到AT89LV52与51系列单片机指令系统、电路结构完全兼容,而工作电压较宽(为2.7V-6V),且功耗很低,可保证在低压(3V以下)可靠工作,因此本系统AT89LV52单片机作为控制核心。
　　 3.3.2采样电路的选择
　　 采样部分选用AD7705实现对充电电流进行采样。主要原因是相对于其它芯片(如AD0809),AD7705 的工作电压较低(3伏左右就能够工作),功耗低,易于满足设计需要,且其为串行ADC,占用单片机资源较少,控制比较方便。其参考电压采用了精密基准KA431,以提高参考电压的稳定性和精度。
　　4 控制程序
　　 控制程序主要实现对系统的监控和显示和控制充电电流的大小,控制程序主要是控制单片机产生PWM波以便对升压斩波电路和充电间隙时间进行控制,同时,可方便监控系统的工作状态,显示和控制充电电流的大小。根据检测到的充电电流大小信息回送给单片机作相应的处理。
　　
　　5 实验结果
　　 为了验证设计的正确性,根据设计方案,制作出了实验样机,并对样机进行了实际测试。测得的有关工作波形和不同输入电压是的充电电流波形如图6和表一所示。
　　PWM2驱动波形,0.1s ON 4s OFF PWM1驱动波形,频率20KHz
　　 CH1 输入电压 0.7V,CH2 充电电压波形 CH1 输入电压 3.6V,CH2 充电电压波形
　　CH1 振荡波形11.29kHz,CH2 振荡波形10.92kHz 开关控制充电波形 20.0kHz
　　图6工作波形如图所示:
　　 由图6表一可以看出:电路输出的PWM波形稳定,自激振动频率保持不变,输出电流较大,充电电流波形经过电容滤波没有尖峰,因此对可充电电池起到了保护作用。说明系统能够正常工作。
　　
　　6 结语
　　 本文设计并实现了一种基于单片机的电能收集充电器。该充电器能在输入电压低至1V的情况下将能量传递到3.6V以上的可充电电池中。本论文给出了主要硬件功能电路和控制软件的设计过程,制作了实验样机并对实验样机进行了测试。实验结果表明该充电器具有工作电压范围宽,效率高,适应性强、可靠性好等优点。
　　
　　参考文献
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　　注:广西大学国家大学生创新性实验计划资助项目
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