基于STC89C51的便携式太阳能充电器设计

张鹏

（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南714099）

基于STC89C51的便携式太阳能充电器设计

张鹏

（渭南师范学院 物理与电气工程学院，陕西 渭南714099）

针对电子产品在户外使用时电池容量有限，影响用户正常使用的问题，设计了一种便携式多用太阳能充电器。该装置可将太阳能转换成适合电子产品电源，而且能够调节不同电压，满足了用户外即时电源的需求。系统采用STC89C51单片机作为控制核心，由升压、光电转换、充电保护、电压调节和数码显示等功能电路构成。对系统进行了性能测试，结果表明系统具有输出电压范围宽、结构简单和可靠性高的优点，配合市电充电功能，可以满足多种条件下不同负载对充电电压的要求。

太阳能；充电器；单片机；便携式

电子产品的普及给人们的生活带来极大便利，而各类电子产品所依赖的电池储能技术却没有相应大的提高，有限的待机时间给用户户外用电带来了诸多不便。太阳能是一种清洁能源，具有可再生，采集方便，无污染等特点，在很多领域都得到广泛的应用［1-3］。用户只需将太阳能板置于阳光下，系统就可以对负载或蓄电池进行供电和充电，保证了多种电子产品的正常使用。针对太阳能充电器对蓄电池的保护不够充分，造成蓄电池的寿命缩短的问题，设计了一种基于STC89C51单片机的太阳能充电器的方案，在充电电路、电压和电流控制器的功能要求方面做了分析。，设置了电压电流检测与保护电路，对蓄电池进行了有效管理，实现了充电过程的智能控制。

1　基本功能要求

图1为系统总体框图，主要包含了稳压滤波单元、过充电保护单元、调压单元等模块，设计要求实现以下几个基本功能：

1）可直接利用光电转换输出电能对负载进行供电；

2）可把光伏面板对充电器内置蓄电池充电；

3）可利用市电对负载或内置蓄电池进行供电或充电；

4）可完成蓄电池对负载供电的自动切换。

图1　系统总体框图

2　硬件电路设计

便携式多用太阳能充电器设计采用STC89C51单片机作为控制单元，由按键指示模块、数码管显示模块、直流斩波电路模块和A/D采集模块等模块构成。

图2为系统原理图，通过光电转换电路将太阳能转化为电能后经过LM7805形成稳定的电流，然后由DC/DC转换电路进行处理后由输出端为负载进行供电。整个充电过程系统通过单片机进行智能控制，以防止电池的过充［4-5］。

2.1单片机选型

STC89C51系列单片机具有结构简单、易于实现的优点，能够满足对小型系统的控制，且易于调节［6-7］。STC89C51单片机的定时计数器、I/O口等器件能满足太阳能充电器的设计需要，因此选择STC89C51单片机作为系统控制芯片。

2.2升压充电电路设计

大部分电子产品的输入电压都为5.5 V左右［8-9］，所以设计中设定充电系统对外充电电路的输出为U=5.5 V，I=500 mA。光伏板输出电压低于5.0 V，所以需要经过直流斩波升压环节达到电子产品的用电要求［10-12］，选择MC34063升压芯片进行升压后对充电。图3为升压充电电路。

图2　系统原理图

图3　升压充电电路

TC引脚外接电容C6=470μF，L2=200μH，其工作频率为72 kHz；C7=220μF，二极管D4能防止电流回流，电容C5具有过滤杂波作用。比较器的反向输入端引脚为FB，当电池电压等于参考电压时，三极管关断，停止充电。

2.3市电充电电路设计

利用220 V交流电给电路内部的锂电池进行充电，必须具有整流和充电模块。图4为市电充电电路，包含显示单元、电压比较单元、基准电压单元、开关控制单元四大部分模块，比较电路用来判断蓄电池的充电状态，由芯片U1A及其他周边元器件构成。显示电路由双色发光二极管LED、电阻、集成电路构成，用来指示电路的充电状态。充电控制电路由三极管Q1构成，用来控制电路充电电流。在电路中设置二极管能够防止因电源电压低于电池的电压而造成电池漏电［13-15］。

图4　市电充电电路

2.4电路的稳定性设计

充电器在恒流模式下，为了使电路正常运行，电池正负极之间需要连接一个电容值为4.7μF的电容用来增强系统的稳定性，若没有连接电容，则可以连接一个阻值为R=50 kΩ的电阻，且连接的电容和电阻形成的极点需不小于200 kHz，设计电路中接有4.7μF的电容，所以在ISET端能够连接的最大阻值为：

图5　隔离ISET管脚的RC波滤电路

为了提升系统的稳定性和对充电电流大小的调节，电路中外接一个RC波滤模块，图5为隔离ISET管脚的RC波滤电路。

3　电压与电流调节控制设计

3.1输入电压调节

在输入电压调节的电阻分压器RIN1和RIN2中，取RIN2为100 kΩ，内置电压取2.74 V时，则：

太阳能板VREG（MAX）和VREG（MIN）峰值功率追踪电压范围：

3.2恒压充电电压调节

FB引脚为电池电压检测输入端口，FB引脚能够通过检测电池阳极电压从而调节电池恒压充电电压，在电路FB和BAT间连接RX以便调整恒压充电电压。

图6　恒压充电调节电路

图6为恒压充电调节电路，电池电压Vbat为：

该电路输入电压为6 V，输出电压要求为4.2 V，则当Rx= 0时，输出电压为4.2 V。

3.3恒流充电电流调节

IR管脚连接的外部电阻对CN3068编程从而实现电池进行恒流和恒压充电，在电路预充电时，电压被限制在0.2 V；在恒流充电阶段，电压被限制在2 V。电路的充电电流在恒流情况下的计算公式如（7）：

设定充电电流为500mA的，则：

使用金属膜电阻用来保证充电系统的稳定性和其良好的温度特性。电路的充电电流可以通过对IR管脚两端的电压测量来进行测量：

TC引脚的外接电容C3=470 pF，电感L1=200μH，其工作频率F=72 kHz；要使输出电压的波纹系数等于8mV则C4= 220 UF；该充电电路能在0～70℃的环境中使用。

4　软件部分设计

充电电路的主要工作由单片机进行控制，电路工作过程如下：电路初始化，输出功能选择，选择确定输出电流电压，为负载进行充电直至充电完成，充电停止。系统主程序流程如图7所示。

图7　主程序流程图

5　系统测试与分析

测试所用太阳电池单片有效面积为343 cm2×6，表1为系统参数测试结果。当太阳能电池板外接电阻，所得到的负载U-I特性曲线图所示。

表1　系统参数测试结果

图8　负载U-I特性曲线

图8为负载U-I特性曲线图由统计数据可得在U=5.84 V、I=1.3 A时有最大功率7.592W。同时可以算得该太阳电池的填充因子为0.376；而电池板面积为2 060 cm2，可以算得每片电池获得的总光能为19.012W，算出的电池转换效率为21.92%与理论值接近。经过检测，在有阳光照射情况下，太阳能板充电指示灯变亮，调节调压按钮，用万用表测得电路输出端电压为0～10 V之间变化，且能够对负载正常充电；在无光照时，太阳能板充电指示灯不亮，蓄电池充电指示灯变亮，且能够对负载正常充电；按下应急灯按钮，LED灯变亮，检测结果表明系统能够正常工作，达到了预设任务的要求。

6　结　论

系统采用STC89C51单片机作为控制单元，由按键指示模块、数码管显示模块、BUCK斩波电路模块和A/D采集电路模块等模块构成。通过光电转化电路将太阳能转化为电能后经过LM7805形成稳定的电流，然后由DC/DC转换电路进行处理后由充电电路输出端为负载进行供电。考虑到便携式太阳能充电器的多为户外使用，电路中还加入了LED发光二极管作为应急光源供使用者在无光环境下应急使用。对系统进行了测试实验，结果表明所设计的太阳能多用充电器具有工作稳定、使用方便、易于携带、性价比高等优势，达到了设计的要求，为光伏电源的小型化实际应用提供了参考。

［1］滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用［M］.北京:科学出版社，2008.

［2］张军军，梁海涛.智能化小区LED路灯光伏充电器的设计［J］.电源技术，2007，31（2）:157-159.

［3］张红梅，尹云华.太阳能电池的研究现状与发展趋势［J］.水电能源科学，2008，26（6）:193-196.

［4］郭天祥.新概念51单片机C语言教程［M］.上海:电子工业出版社，2009.

［5］陈维，沈辉.太阳能半导体照明驱动技术研究［J］.照明工程学报，2011，16（3）:7-10.

［6］蒋鸿飞，胡淑婷.绿色能源—太阳能充电器［J］.上海应用技术学院学报:自然科学版，2007（2）:147-149.

［7］罗翼，张宏伟.51单片机应用系统开发典型实例［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［8］陈振官，光电子电路及制作实例［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［9］张瑾，张伟，张立宝.电路设计与制版Protel99［M］.北京:人民邮电局出版社，2012.

［10］周园，谭功全.数字可调式直流稳压电源设计［J］.电子设计工程，2013，21（11）:120-122.

［11］黄兆林，吴文彤，景晓军，等.精密数控直流电源设计［J］.工矿自动化，2011，12（8）:134-136.

［12］邵国安，邓文浪，李辉，等.基于DSP的PWM整流器自适应控制策略研究［J］.电气传动，2014，44（10）:23-26.

［13］胡波，李波，罗贤虎，等.微安级数控恒流源的设计［J］.电子技术，2010，47（4）:29-30.

［14］谢自美.电子线路设计、实验与测试［M］.武汉:华中科技大学出版社，2008.

［15］张洪润.电子线路与电子技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.

The design and implementation of portable solar charger based on STC89C51

ZHANG Peng
（School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714099，China）

when electronic productsare used outdoors its battery capacity is limited，itcan affectusers'normaluse，a portable multi-purpose solar charger is designed.The charger can convert solar energy into charging voltage which fits for battery of electronic products，and can adjustdifferentvoltage，with built-in battery canmeetportable powersupply demandwhen theuser is in outdoors.The system uses STC89C51 microcontroller as the control core，structured by boost circuit，photoelectric conversion circuit，overcharge protection circuit，voltage regulation circuitand digitaldisplay circuit.The performanceofsystem is tested，the resultsshow thatthe system hasadvantagesofwideoutputvoltage range，simple structureand high reliability，with mainscharging function；itcanmeetdifferent load requirementschargingvoltageunderavarietyofconditions.

solar energy；charger；single chip microcomputer；portable

TN102

A

1674-6236（2016）19-0128-03

2015-11-09稿件编号：201511088

陕西省军民融合研究基金项目（15JMR14）

张 鹏（1979—），男，陕西渭南人，硕士，讲师。研究方向：电力电子技术及电力传动。