基于 51 單片機(jī)的電動車手機(jī)充電器設(shè)計

引言

眾所周知，現(xiàn)在車載充電器在汽車產(chǎn)業(yè)中是非常普遍。 在全球提倡環(huán)保和低碳節(jié)能的重要時期，騎自行車或電動自 行車的人也越來越普遍，然而，現(xiàn)在的電動自行車都沒有為手 機(jī)充電的功能，因此，設(shè)計一種電動自行車車載手機(jī)充電器無 疑是非常有必要的。本文就是利用電動車的太陽能電池板作為 電源，設(shè)計了一種電動車車載手機(jī)充電器，以使騎電動車的人 不再為手機(jī)充電發(fā)愁。

1系統(tǒng)原理

在電動車的車籃上方位置處安裝一塊太陽能電池板套件, 再將單片機(jī)控制電路與套件通過線路相連接，在太陽光充足 的情況下，太陽能電池板可以工作，將吸收來的光輻射轉(zhuǎn)換電 能，為單片機(jī)控制電路提供電流和電壓，再通過單片機(jī)控制 電路為手機(jī)充電。太陽能電池板套件工作時，既可以為充電器 單路提供電源，也可以為電動車的其他顯示器件如電動車的 實(shí)時顯示盤提供電源。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要包括太陽能電池板套件、電源變換電 路、采樣電路、處理器、脈寬調(diào)制控制器和電池組等，整個系 統(tǒng)形成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。單片機(jī)是電路的主要控制部分，PWM 電路是整個電路的核心。圖1所示是該充電器的電路框圖。

圖1  充電器電路框圖

2.1取樣電路

本設(shè)計采用51系列的AT89C51單片機(jī)作為處理器，主 要功能是通過采樣電路實(shí)時采集太陽能電池板的輸出電壓、電 流以及電池的充電狀態(tài)，通過計算決定如何對電池板最大輸出 功率進(jìn)行尋找以及確定充電電池的充電狀態(tài)。同時，為了檢測 系統(tǒng)的電流，采用了精度較高的電流電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472, 可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的精確控制。電壓和電流采樣采用串行模/數(shù)轉(zhuǎn) 換器TLC0834,并采用5 V基準(zhǔn)電壓用地址邏輯多路器選通的4或8輸入通道單5 V供電。

2.2 PWM控制電路

控制電路采用脈寬調(diào)制（PWM）方式來控制供電電流的 大小。PWM控制主要由單片機(jī)輸出的PWM波通過控制電 路實(shí)現(xiàn)，和主控制器采用中斷的方式進(jìn)行通訊，實(shí)時控制其 增大或減小脈寬。PWM信號通過光電隔離驅(qū)動主回路上的 MOSFET。其中，開關(guān)管、二極管、LC電路構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電 源，以減小電源功耗，便于進(jìn)行數(shù)字化控制。PWM控制電 路如圖2所示。

3電池充電原理

手機(jī)電池多為鋰離子電池，圖3所示是鋰電池的充電曲線。 該曲線共分三個階段：預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電階段。 以800 mA-h容量的電池為例，其終止充電電壓為4.2 V 首 先用1/10 C（約80 mA）的電池進(jìn)行恒流預(yù)充，當(dāng)電池端電壓 達(dá)到低壓門限后，以800 mA（充電率為1 C）恒流充電。開始 時，電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2 V時, 改成4.2 V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電 流降為1/10 C（約80 mA）時，接近充滿，終止充電。

4尋找太陽能最大輸出功率點(diǎn)

太陽能電池板所提供的功率高度依賴于其工作環(huán)境。在 不同的環(huán)境條件下，太陽能最大輸出功率有很大差別。為了提 高太陽能電池的輸出效率，一般采用三點(diǎn)權(quán)位比較法來尋找最 大功率點(diǎn)，以保證太陽能電池的最大輸出功率。

具體的做法是：首先采集太陽能電池板的輸出電壓和電 流，計算出此時的功率，然后繼續(xù)采集。圖4所示是三點(diǎn)權(quán) 位比較法中最大功率點(diǎn)附近數(shù)據(jù)狀態(tài)。先用C點(diǎn)與B點(diǎn)比較, 如比B點(diǎn)大或相等，就給一個正號權(quán)位；如比B點(diǎn)小，就給 一個負(fù)號權(quán)位。而』點(diǎn)如比B點(diǎn)大或相等，就給一個負(fù)號權(quán) 位;如A點(diǎn)比B點(diǎn)小，就給一個正號權(quán)位。當(dāng)三點(diǎn)比較完之后, 如有兩個正號權(quán)位，則屬正斜率，應(yīng)當(dāng)增大輸出電壓，提高輸 出功率;如有兩個負(fù)號權(quán)位，則屬負(fù)斜率，應(yīng)當(dāng)減小輸出電壓， 提高輸出功率；如權(quán)位為零即為一正一負(fù)，表示達(dá)到頂點(diǎn)，不 做任何變動。A、B、C三點(diǎn)的功率值的取法為先取B點(diǎn)的功率 為立足點(diǎn)，那么先讀取C點(diǎn)功率，再從C點(diǎn)返回讀取A點(diǎn)功 率。連續(xù)檢測三點(diǎn)的功率值并比較其大小，再計算出權(quán)位值, 經(jīng)由權(quán)位值來判定立足點(diǎn)要往C點(diǎn)移動、A點(diǎn)移動或不移動。

5 軟件設(shè)計及流程

本設(shè)計采用的太陽能電池板的輸出電壓是 9 V，而充電電池的最高輸入電壓要求不能高于 4.2 V。為了保護(hù)電池，應(yīng)先把輸出的電壓從低到高逐漸增加，這樣，固定定時器 1 的周期，改變定時器 0 的周期，就會產(chǎn)生不同占空比的方波。圖 5 所示是本系統(tǒng)的控制邏輯電路軟件流程圖。

圖5  控制邏輯電路流程圖

6結(jié)語

采用單片機(jī)作為處理器，結(jié)合其他芯片及電路構(gòu)成的電動 車太陽能車載手機(jī)充電器，采用PWM電壓輸出，具有控制靈 活、帶載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。該充電器使用閉環(huán)控制, 控制精度高，并具有自我調(diào)節(jié)能力，可以自動尋找太陽能電池 板的最大輸出功率點(diǎn)，提高手機(jī)電池使用效率，延長使用壽命, 因而具有一定的應(yīng)用價值和市場前景。

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