一款廣播發射機房太陽能無線充電器的設計

摘? 要：檢修工具在廣播發射機房的檢修工作中意義非凡，其中因單次使用前需充電的檢修手燈數量較多，原裝充電器與固定的充電插座位置局限直接導致檢修工作效率的下降，同時為響應節約型電臺的新模式，充分發揮太陽能電池的優勢，將太陽能發電技術和無線充電技術相結合，基于89C51單片機實現兩者之間的控制與協調工作，實現給設備充電的目的。結果證明該設計可以實現檢修手燈太陽能無線充電功能，但充電效率仍需提高，需要日后進一步進行改進。

關鍵詞：太陽能;單片機;無線充電;檢修手燈

中圖分類號：TM910.6;TP368.1? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

太陽能作為一種新興的能源，越來越多地被人們所熟知。利用太陽能發展的產業目前已成為最具潛力的產業，而太陽能光伏發電是太陽能應用的主要產業之一[1]。無線電能傳輸技術被認為是未來最便捷的電能傳輸方式，無線電能傳輸因不需要外設充電的電源接口和充電器接口，所以沒有導電接點外露，提高了充電的安全性以及便捷性。在目前的廣播發射機房檢修工作中，檢修手燈的使用可將狹隘操作空間內亮度提升，方便檢修人員快速定位故障修理點，現單位仍使用傳統的有線適配器對檢修手燈進行充電，若單次需充電手燈數量較多，現有的充電排插口位置、數量無法滿足需求，長距離的充電線更容易發生纏繞，存在誤觸碰隱患，嚴重影響工作效率與空間利用率，同時為響應單位“節約型電臺”的新模式，考慮將近距離的無線電能傳輸與清潔能源太陽能相結合，并擺脫電源接口與充電位置的約束，經作者構思、調研、測試、設計，利用89C51單片機作為中樞調節控制系統成功制作出一款廣播發射機房太陽能無線充電器，目前該設計樣品經作者本人測試可以實現無線充電的功能，為廣播發射機檢修工作中針對各類電源設備的太陽能充電方法拓寬了新的思路。

1? 原理分析

1.1? 太陽能光伏發電原理

太陽能光伏發電是根據硅的光生伏特效應原理，利用硅晶體太陽電池將太陽光能直接或間接地轉化為電能[2]，具體原理圖如圖1所示。不論是獨立使用還是并網發電，光伏發電系統主要由太陽電池板、逆變器和控制器三部分構成，利用光伏半導體材料的光伏打效應而將太陽的輻射熱能轉化為直流電的設備。太陽能電池板的直接輸出為直流電，且基本上都是12 V、24 V、48 V。

1.2? 無線充電原理

無線充電技術源于無線電力傳輸技術。是通過近場感應，由無線充電設備的一級發射線圈將電能以電磁能的形式傳導到次級線圈經過充電終端設備感應產生電能，類似于分離式的變壓器[3]。由于電能的傳遞采用的是電感耦合的原理，供電裝置與充電器是以磁場的形式進行電能傳遞，所以無外露的導電接口。本設計選擇采用實現起來較簡單并且傳輸效率較高的電磁感應式的無線充電方式，原理圖如圖2所示。電磁感應式的無線充電，通過在一級線圈上加一個交變電壓，產生一個高頻交變的磁場，從而在次級線圈上感應一個相同頻率的交流電壓，就這樣將電能從輸入電路傳輸至輸出電路，之間無導電點的接觸，實現真正意義上的無線充電。

2? 太陽能無線充電器的設計

2.1? 整體設計

本文設計結合太陽能光伏發電技術和電能無線傳輸技術，實現給低壓設備充電。設計中包含軟件和硬件兩部分，硬件部分包括了太陽能發電電路、中樞系統電路、電壓測量電路、顯示單元、降壓穩壓模塊等;軟件主要應用89C51單片機作為載體，編寫程序以達到對各電路的協調控制。電路中使用單片機作為中樞控制系統，在對檢修手燈進行充電的過程中，單片機用轉換器將太陽能電池板的輸出電壓和單片機的供電電壓以及實時充電情況以數據的形式展示出來，太陽能被太陽能電池板轉化為電能，經模數轉換后傳送到單片機系統中，讓這些電路按照規劃好的運轉路線運行，無線電能傳輸部分使用電磁感應式的無線充電技術，以實現對檢修手燈進行太陽能無線充電的目的，設計完成后，對實物進行程序的調試以及數據的測試，最終完成太陽能無線充電器設計研究。

2.2? 主體框架

本設計是制作一套基于單片機的太陽能電磁感應式無線充電器，所以需要對無線充電技術進行研究，采用目前最高效的無線電路傳輸技術來進行整體電路功能設計。并根據系統功能設計，選取合適的元件進行電路設計。為此，項目首先進行了主體框架的設計，系統主體框架如圖3所示。

89C51單片機最小系統：在電路設計中使用單片機作為中樞控制系統，設備充電過程中，單片機用模數轉換器將電路中的測量電壓和充電情況以數據的形式表示出來，通過程序的判斷，使各部分功能電路按照規劃好的路線運行。

電壓測量電路：測量太陽能電池板的輸出電壓和無線發射模塊的供電電壓，反饋給單片機控制系統，經液晶顯示屏顯示出來。

按鍵電路：通過人為操縱啟動或者關停按鈕，對充電器的充電時間進行以及是否進行充電進行控制。

電源電路：通過太陽能電池板吸收太陽光的熱量和輻射進行發電以及對單片機進行供電。

顯示單元：顯示電路的輸出電壓和輸入電壓。

充電控制：控制充電時間以及是否進行充電。

另外，無線充電部分采用電磁感應式的無線充電技術。利用電磁感應原理進行無線的電能傳輸，感應耦合電能的傳輸系統由一級發射線圈和次級接收線圈構成。兩個線圈共同組成一個電磁耦合感應器，類似于一個耦合變壓器。發射線圈流過的交流電產生高頻磁場，并在接收線圈感生出同頻率的磁場，產生電壓。

2.3? 硬件系統設計方案

設計采用太陽能電池板為單片機以及無線發射電路等進行電源供電，無線充電部分采用的是電磁感應式的無線充電電路，主要由無線發射電路、無線接收電路、單片機最小系統、模數轉換電路組成。本設計中采用單片機智能電壓監測技術，即單片機電路通過多路電壓采集芯片輸出電路的電壓，如果兩者電壓都正常，則通過液晶顯示屏顯示“No problem”提示用戶可放心充電。如果電壓輸出異常，則顯示“A fault”，需進行電路故障排查。設計總體模塊如圖4所示。

太陽能發電采用的是單晶體太陽能電池板，用一個發光二極管和電阻串聯接在電池板輸出端，指示是否有電壓輸出。太陽能電池板的輸出電壓一般高于5 V，而單片機的供電電壓為5 V，所以利用LM2575芯片對太陽能電池板的輸出電壓進行降壓穩壓，為單片機等元件進行供電。

在系統的硬件選型與設計完成后，檢驗設計的合理性，需要經過PCB制板檢驗，PCB制板是整個系統設計中重要的一項，制板軟件選擇使用Protel99SE。將使用到的元器件載入原理圖，并擺放整齊，然后按照設計的電路進行接線，接線的目的是建立網絡標號，凡接在一起的引腳，都將會共用統一網絡標號，將PCB與原理圖逐一對應輸入。繪制好電路原理圖生成網絡表，將網絡表和元器件封裝一同載入PCB圖中，布線，然后對PCB電氣規則檢查。最終PCB板實拍圖如圖5所示。

3? 軟件設計

本設計采用89C51單片機作為中樞調節控制系統，該單片機采用KEIL軟件編寫C語言程序。程序編寫好之后，通過ISP下載器將程序下載到單片機中。經過89C51單片機上電復位初始化狀態后，改變控制芯片和液晶屏配置。特別是PCF8591芯片上電激活后，有效信息成功被芯片授權，接著在數模轉換后，控制字符設置完成。

數模轉換后，系統檢測太陽能電池板和無線電力接收電路的電壓實時數值。單片機開始工作，完成數據抓取。抓取過后的數據包需要進行算法優化，具體優化過程為：將數值按量程分配，然后經過“1024”做除，再以五位數額做乘，得出待充電設備實際電壓值，最后傳輸至顯示單元。檢修人員可根據顯示值給出準確判斷。本設計的軟件流程如圖6所示。

4? 測試結果

以下是對太陽能無線充電器在正常光照以及一天內不同時間段的太陽能光伏輸出電壓、無線發射模塊的輸入電壓和無線接收模塊的輸出電壓的測量，如表1所示。

在調試過程中，發現下載程序后，單片機顯示的太陽能電池的輸出電壓在11.00～13.80 V之間變化，無線充電模塊的輸入電壓在5.10～5.90 V之間，這與實測電壓基本一致，并且無線充電模塊也可以正常運行，連接待充電設備后顯示正常充電。為了更好地驗證系統的可靠性，選擇天氣晴朗一天，利用該系統對電池容量為3 070 mAh的待充電設備進行充電，檢修手燈事先放電至總電池電量的1%，從上午8時開始充電，經過6個小時充電至100%，驗證了系統的可行性，但是總體來說系統電能轉換效率較低。

5? 今后改進方向與展望

為了檢驗設計的正確合理性，最后通過數據測試，獲取到了電路參數等信息。但是在實物進行正常的工作中卻存在很多的問題，太陽能電池板的輸出功率隨光照強度波動變化較大，有時不能夠提供足夠的電能同時供單片機和無線充電部分正常工作。無線充電部分之間的電能傳輸效率也不是很高，這樣造成了大部分電能在無線傳輸過程中被損耗，對充電的時間以及充電電量產生不良影響。

目前的無線充電技術主要是近磁場無線充電，遠距離大功率無線磁電轉換設備的耗能較高。針對本設計，應從硬件與軟件兩方面出發討論日后改進方案：

（1）改進硬件電路架構，盡量使光照強度波動變化引起的太陽能電池板的輸出功率變化在可控范圍內。

（2）優化算法算力，提升控制精確度與數據準確性。

（3）可增加系統自動檢測充電與充滿斷電功能。

6? 結? 論

本設計首先按照太陽能無線充電的技術要求，查閱相關資料文獻，選擇合適的電子元件和配件，設計出了一套基于89C51單片機的太陽能無線充電的電路原理圖，然后經過PCB電路板繪制，最后通過電路板焊接、軟件編程，最終完成了太陽能無線充電器，能夠實現預先設定的無線充電等基礎功能，成功擺脫了固定充電排插口的束縛，同時節約了電力資源，讓檢修工作與新興技術緊密結合。目前，該設計樣品已成功測試完畢，縮短了從測試樣品到實用工具的距離，未來的太陽能充電技術在檢修手燈上的應用肯定能夠克服眾多不足，做到體積小、易攜帶、發電充電效率高并且制作成本低，為廣播發射機房節約能源和開發新能源設備開創了新的思路。

參考文獻：

[1] 姚磊，梁春美.基于單片機的多能源手機充電器設計 [J].科技創新與應用，2015（13）：78.

[2] 于明軍，韓錚，紀宇，等.太陽能無線充電器的設計 [J].實驗室科學，2015，18（6）：48-50.

[3] 石丁，米國挺，王亞亞.淺析無線充電技術原理及前景分析 [J].科技風，2019（7）：219.

作者簡介：馬可蓉（1991.01—），女，漢族，甘肅會寧人，值班長，助理工程師，本科，研究方向：廣播發送技術及射頻電路。