基于單片機(jī)的直流電能收集充電器的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，能源短缺問題日益突出，人們?cè)趽?dān)憂能源枯竭的同時(shí)，對(duì)能源的浪費(fèi)卻大得驚人。例如各種廢棄的電池，尤其是遙控玩具車使用的電池，甚至沒用到其能量的一半就被廢棄掉了，這不僅造成能源的浪費(fèi)，更造成了環(huán)境的污染。因而研制一種收集各種廢舊電池能量的裝置已迫在眉睫。

本文設(shè)計(jì)一種以直流電源變換器為核心的電能收集裝置，該裝置可用于人們?cè)诼猛緸槭謾C(jī)隨時(shí)充電，也可用于礦工照明等。該充電器可將直流電源的能量傳遞到3.6 V以上的可充電電池中。系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓不同采用MC34063和HT7750來(lái)構(gòu)建供電電路給電池充電，經(jīng)過(guò)89C51單片機(jī)控制 AD0832來(lái)檢測(cè)電源輸出電壓的大小，從而判斷是否對(duì)電池進(jìn)行充電，并且檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)定 ,并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。為了提高單片機(jī)的工作效率，對(duì)單片機(jī)處于休眠和工作兩種狀態(tài)進(jìn)行斷續(xù)的檢測(cè)。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

電能收集充電器的核心為直流電源變換器，從直流電源中吸收的電能轉(zhuǎn)移到可充電電池中。電能收集充電器是將輸入的功率盡可能大的輸送到所需充電的設(shè)備中，使得充電器的充電效率盡可能提高。該充電器對(duì)輸入電壓要求低，并且可以最大可能的吸收直流電源中的能量，比一般的充電器節(jié)能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)電壓Ui 取值的大小采用兩種直流電源變換器，當(dāng)電壓為1.1 V< Ui <3.6 V 時(shí)，采用HT7750 組成的Boost升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)供電電源大于3.6 V時(shí)，電路是用單片機(jī)控制集成芯片MC34063來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MC34063的工作電壓是3~40 V,所以電源輸入電壓只需要在3 V以上就可以讓它工作。單片機(jī)能通過(guò)自身休眠來(lái)提高效率，還可以檢測(cè)電壓值控制電池的充電，并且由數(shù)碼管顯示出檢測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)短，這個(gè)時(shí)間可以根據(jù)用戶的要求任意調(diào)節(jié)。這樣的電路直觀、穩(wěn)定、可靠，并且在實(shí)際運(yùn)用中，在接負(fù)載的情況下，它能穩(wěn)定的達(dá)到所需要的電流值和電壓值。同時(shí)電路簡(jiǎn)單易懂，容易調(diào)試數(shù)據(jù)，成功率高。

2. 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 升壓電路設(shè)計(jì)

升壓電路主要由HT7750組成，HT7750轉(zhuǎn)換器具有高效率和低紋波。該系列具有超低啟動(dòng)電壓、高輸出電壓精度。只需要3個(gè)外部元件即電感、穩(wěn)壓管、電解電容，以提供固定輸出5 V電壓。電路如圖2所示。

圖2 升壓電路

2.2 供電電路設(shè)計(jì)

供電電路是由MC34063芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，此芯片是一款可降壓也可升壓型的采用PWM 調(diào)節(jié)方式的開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片，MC34063的工作電壓范圍為3~40 V.此電路是把輸入進(jìn)來(lái)的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理達(dá)到所需電壓值，同時(shí)此電壓還可以作為單片機(jī)和ADC0832 的工作電壓。電路構(gòu)成如圖3所示。

圖3 供電電路

2.3 控制電路設(shè)計(jì)

采用8051 單片機(jī)，它擁有編程靈活、功能強(qiáng)大、而且廉價(jià)的好處，與INTEL公司的8096系列16位單片機(jī)相比，8051更具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì) .同時(shí)能夠滿足需要，成為首選。它可以自身休眠來(lái)減小功耗，提高效率，它由基準(zhǔn)電源電路輸出穩(wěn)定的5 V電壓供電，主要起到檢控電壓的作用。89C51單片機(jī)控制AD0832來(lái)檢測(cè)電源輸出電壓的大小，從而判斷是否對(duì)電池進(jìn)行充電，并且檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。這里用的ADC 是ADC0832 芯片，它是一個(gè)串行的ADC,它具有速度和精度都足以滿足此電路，在ADC0832 的VCC 腳與基準(zhǔn)電路供電的輸出腳間接一個(gè)大電容從而使輸入給ADC0832 的電壓更穩(wěn)定。電路構(gòu)成如圖4所示。

圖4 控制電路

2.4 充電電路設(shè)計(jì)

該電路是通過(guò)單片機(jī)對(duì)充電電路的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電，起到開關(guān)作用。并且電路中加入了LED燈，從而顯示充電器是否工作。電路如圖5所示。

圖5 充電電路

　　3. 軟件部分的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件采用C 語(yǔ)言來(lái)編寫，所有代碼在UV2下編譯調(diào)試。軟件程序設(shè)計(jì)主要檢測(cè)電源輸出電壓的大小，從而對(duì)判斷是否對(duì)電池進(jìn)行充電，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)自身休眠來(lái)減小功耗，提高效率。程序主流程圖如圖6所示，休眠時(shí)間控制流程圖如圖7 所示。

圖6 主流程圖

圖7 休眠時(shí)間控制流程圖

4 測(cè)試方法與結(jié)果

（1）當(dāng)輸入電壓Ui 為10~20 V 時(shí)，取電源內(nèi)阻Rs為100 Ω，可充電池的內(nèi)阻Rc 為0.1 Ω，由理論計(jì)算得：

Ic > （Es - Ec） （Rs + Rc）

即：

Ic > （20 - 3.6） （100 + 0.1） = 163.8 mA

實(shí)際測(cè)量時(shí)Ic = 164.6 mA>163.8 mA,滿足了設(shè)計(jì)的要求。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

本設(shè)計(jì)的工作效率由輸出電壓U*out 與輸出電流Iout的乘積比上輸入的電壓Uin 與電流Iin 的乘積。即：

η = （Uout*Iout ） （Uin*Iin ）

（2）當(dāng)Ui 從0逐漸升高時(shí)，能啟動(dòng)充電功能的Ui 為0.28 V;當(dāng)Ui 為0時(shí)，系統(tǒng)最大反向充電電流僅為0.09 mA。

表1 高壓參數(shù)表

5. 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的直流電能收集充電器，該充電器在輸入電壓低至1 V的情況下仍能將能量傳遞至3.6 V以上的可充電池中。同時(shí)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該充電器具有工作電壓范圍寬，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。從一定程度上解決了廢棄電池能源的浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的污染。