電能收集充電器

　　摘 要： 本設計以單片機C8051F310作為控制核心，同時包含4個模塊：電源切換模塊、充電控制模塊、鍵盤模塊和顯示模塊。其中電源切換模塊能很好地解決該題目提出的任務要求，升降壓模塊的有效組合保證了在寬電壓范圍內對電能的有效收集。
　　關鍵詞： 電能收集充電器 單片機C8051F310 轉換集成電路AS2301 LCD 鍵盤
　　
　　“電能收集充電器”是“大學生電子設計大賽”中的一個題目，我院在該題目的比賽中取得較好成績。現把這次競賽的技術難點和思路總結成文章，希望能對今后同類活動提供經驗。
　　一、題目要求
　　設計并制作一個電能收集充電器，充電電源E電壓在20V至盡可能低的電壓區間變化時勻能向3.6V的蓄電池充電，在電源電壓大于10V時，充電電源E的內阻R=100Ω。在上條件下的最大充電電流要能達到164mA。
　　該題目的難點是：（1）電壓變化范圍寬（1—20V）；（2）電源內阻高（100Ω）。最關鍵的問題是在寬電壓變化的范圍內盡可能地提高充電電路的工作效率。自動啟動充電功能的電源ES電壓也要盡可能低，要求監測和控制電路的功耗要小，達到節能和提高電路工作效率的目的。
　　二、題目分析
　　題目要求，電源內阻R=100Ω，電源E在10—20V時，充電電流IC大于（E-E）/（R+R）。并且要求充電器要在盡可能低的電壓至20V之間都要能給電池以盡可能大的電流充電。上面公式中，我們分析：在E=20V，R=100Ω條件下，根據功率極值條件，若能使充電電路的輸入阻抗也等于100Ω（電源內阻R=R時，在負載R上獲得功率最大），在R=R條件下，充電電路的輸入電壓V=E/2=10V，此時，在充電電路中就可獲得最大的輸入功率為：
　　P=［E/（R+R）］×R=［20V/（100Ω+100Ω）］×100=1W
　　最大電流為：
　　（E-E）/（R+R）=（20V-3.6V）/（100+0.1）≈0.164A（R為充電電路內阻）
　　根據以上數據，設電路工作效率為100%，則折算到充電電池的電流值為：
　　I=P/E=1W/3.6V≈0.28A
　　上值大于題中要求的0.164A。可見只要能有效地保證電路的工作效率和精確調整充電電路的參數，是可以實現題中要求的。關鍵是選擇好的電路來提高充電電路的工作效率。
　　三、電路設計
　　由于充電電路要工作在1-20V的寬電壓范圍內，一般電路都無法勝任。據此我們通過反復實驗后確定，將基本充電電路分成高壓充電和低壓充電兩大部分。高壓充電電路采用CD—CD轉換集成電路MC34063，該電路有較寬的電壓適應范圍和較高的工作效率，我們設計的電路讓其工作在10—20V的范圍，該部分的電路基本按MC34063的標準電路設計，主要特點是在電路中加強了電流負反饋，讓電路從恒壓特性向恒流特性轉化。并仔細調整了電路的工作狀態。當然，實際電路的工作效率不可能達到100%。我們的電路經過調整，實際的充電電流可達到0.174A以上，實際效率達62%。該部分電路根據電源E的大小，由單片機自動切換確定是否投入工作。切換點電壓為10V。切換電路由Q1—Q4及周圍電路組成。
　　當電源E電壓小于10V時，單片機自動將電路切換到低壓充電電路，這部分電路是由DC—DC轉換集成電路AS2301組成。該電路的主要特點是可以轉換低電壓，轉換效率高。經我們調試，E最低在0.8V時還能向電池充電。為保護電路安全，我們給這部分電路的輸入端加上了輸入電壓檢測和過壓保護電路。在接入上電路后，E最低可在1.1V時向電池充電。由于該芯片功率較小，為防止充電電池短路或電壓異常而造成電路損壞，給該電路的輸出端加上了電池過壓和短路保護電路。電路由Q5—Q7及周圍電路組成。另外，為給因過放電而電壓偏低的電池也能充電，電路還設置了涓流充電電路。該部分電路由D6、R11電路組成，當單片機檢測到電池電壓過低時，關斷Q7場效應管，充電電路改由經D6、R11向電池先以小電流充電，待電池兩端建立起接近3.6V的電壓時，再接通Q7場效應管，用大電流充電。在一分鐘內檢測電池無法建立3V以上電壓時，認為電池損壞或輸出端短路，在單片機控制下停止充電。該電路有效地防止了被充電電池損壞或輸出電路的短路。
　　四、發揮部分的設計
　　該充電器的電路及操作均由單片機控制，單片機選用C8051F310模塊，該模塊有主要配置有4個8位I/O口和1個6位I/O口，4個定時器，16K程序存儲器，集成了A/D轉換，并含有增強型串行外設接口（SPI0），等等。用在該系統綽綽有余，而且價格低廉。單片機對電路的各個開關量及電路的工作狀態及進程進行控制，對電路的電壓、電流等模擬量通過小功耗的液晶顯示器進行顯示。為節省能源，提高效率，系統采用間歇工作方式，每隔1秒鐘采集一次數據，用按鍵控制液晶顯示器上的背光燈，按一次亮3秒鐘。
　　單片機的簡要工作過程為：當接通電源開關后，單片機先完成初始化，之后點亮液晶顯示器，并顯示“2009全國大學生電子設計競賽電能收集充電器”等字樣。按“開始”鍵后首先檢測充電端電壓是否符合充電要求，如果電壓大于3.6V，則停止充電。電壓在3.0—3.6V之間，接通Q7，電路正常充電。電壓低于3.0V，Q7保持截止，先經D6、R11給電池小電流充電，連續檢測1分鐘后電池兩端電壓若恢復正常則接通Q7充電，否則認為電池已損壞或電池回路存在短路，關斷系統，不再充電，并在屏幕上給出相應提示。按“停止”鍵返回開始狀態。等換上好電池或排除短路后重新上電。
　　在充電過程中，單片機以1秒的間隔間歇采集充電系統的電壓、電流等各種數據，數據可顯示在液晶屏幕上。如看不清，則可按下面板上的“背光”鍵，增加顯示亮度。此外，單片機還對輸入、輸出端的工作情況不斷監測，如有異常，或想停止充電時。可以隨時按下“停止”鍵，手工停止充電。
　　五、系統硬件設計方框圖
　　系統硬件電路方框圖如下（包括基本充電電路和單片機控制電路兩大部分）：
　　六、程序總體流程圖
　　程序總流程圖如下，包括主程序和顯示電路子程序兩部分。
　　八、測試結果及分析
　　1.在給定內阻Rs=100Ω時，能向電池充電的Es最小值為8.5V。
　　2.從0逐漸升高時，能自動啟動充電功能的Es最小值為8.5V。
　　3.Es降低到不能向電池充電時，電池向充電電路的放電電流為0mA。
　　4.在Rs=1Ω，Es=1.2V—3.6V時，向電池充電的電流最大能達到5mA。能向電池充電的Es最低電壓為1.1V。
　　由于該系統采用單片機監測和控制電路，故對Es電壓檢測，高低壓電路自動切換，過壓、過流保護，充電參數顯示均同時進行。每隔1秒鐘采集一次數據。根據數據做出相應處理，較好地完成了題目的任務要求。
　　限于篇幅，電路原理圖省略，有興趣的讀者可與作者聯系。