解析太阳能智能充电器单片机控制技术

罗亚

（江苏省常熟职业教育中心校，江苏 常熟 215500）

信息技术的大规模应用为便携式电子设备的发展营造了适宜环境，而便携式电子设备的充电管理成为行业热点，现阶段多运用变压器处理后的市电为便携式电子设备充电，导致充电环境较为苛刻，不利于便捷式充电，为转变该现象，本次提出以太阳能为能源，代替现有便捷式设备充电方式，使充电方法更为便捷。

1 太阳能智能充电器实现原理

太阳能智能充电器主要是借助太阳能板完成太阳能采集工作，并借助特定半导体器件将太阳能转化为电能，运用单片机对电压采集器展开实时控制，获得充电电压数据，将设备与液晶屏连接，使实时充电电压可呈现在液晶屏上，便于设备使用者透过液晶显示屏了解实时充电数据，太阳能智能充电器结构框架图如图1 所示。在太阳能智能充电器结构中，单片机可测量基准电压，并对实际充电情况作出修正，确保用电设备安全充电，当用电设备电池已充满时，单片机可及时切断充电电源，避免用电设备始终处于充电状态而损坏电池[1]。

图1 太阳能智能充电器结构框架图

2 基于单片机控制的太阳能智能充电器设计思路

2.1 硬件设计

2.1.1 控制系统

太阳能智能充电器主控制器为单片机，在本次设计中，所选用的单片机为51 系列，此外，该充电器控制系统由89C51 单片机芯片、复位电路、时钟电路构成。

2.1.2 电源系统

由太阳能直接转化而成的电能无法直接供电于单片机，继而无法为电子产品充电，此时需将电能降压稳压处理，将电能转化为单片机所需电压。在本次太阳能智能充电器设计中，主要借助LM2575 电源模块对电压降压稳压，该系列电源模块具有开关稳压集成的特点，内部设有固定振荡器，在少量外围器件作用下即可构建高效稳定的电路，同时该太阳能智能充电器大多数情况无需散热片，因此在该充电器系统结构中可减少散热片体积。

2.1.3 斩波电路

在该次太阳能智能充电器中，以降压斩波为原理搭建电路，图2 为斩波电路原理图，其中全控型器件（V）为IGBTD 续流二极管，通过图2的全控型器件栅极电压波形（UGE）可发现，若全控型器件处于通态，则电源Ui为负载供电，此时有电压UD与电源Ui相等，即UD=Ui，若全控型器件处于断态，则负载电流通过二极管（D）完成续流，此时可将电压UD看作0，当一个周期（T）而结束时驱动全控型器件导通，此时将重复上一周期过程。斩波电路负载电压平均值为：

图2 斩波电路原理图

式（1）中，U0-负载电压平均值；ton-全控型器件通态时间；toff-全控型器件断态时间；T-开关周期；a=占空比；在此电路中，U0最大值为Ui，此时若降低到占空比a，将导致U0减少，该电路由于存在输入电压高于输出电压的特征而被称之为降压斩波电路。其中占空比a 计算公式为：

2.1.4 电压采集

电压监控系统由PCF8591 芯片及电路构成，其中PCF8591芯片为8-bitCMOS 数据获取器件，具有低功耗、单独供电的特点，共设有串行I2C 总线接口（1 个）、模拟输出接口（1 个）、模拟输入接口（4 个），此外，PCF8591 芯片的三个地址引脚分别为A0、A1、A2，均可用于硬件地址编程，无需其他硬件即可将8 个PCF8591 芯片器件与同一个I2C 总线连接，可依托于该结构连接物联网，为实现信息交换奠定基础[2]。

2.1.5 显示电路

太阳能智能充电器系统中设有显示系统，在本次设计中，显示器选择LCD1602 型液晶，可实现良好的人机交互。LCD1602型液晶显示器共有三根控制线（RW、RS、EN），另外设有八根数据线，数据线均采用并口形式，直接与单片机并行口连接。在LCD1602 型液晶显示器中，V0引脚可通过调节电压而改变液晶对比度，以此更好地展示充电数据。图3 为该次硬件设计整体电路图。

图3 硬件设计整体电路图

2.2 软件设计

2.2.1 系统运行流程

在太阳能智能充电器开设运转前需做好硬件初始化工作，硬件初始化需做以下工作：（1）检查太阳能板功能是否完好，并根据太阳光照方向调节太阳能板；（2）检查电池电能状态；（3）为单片机分配存储器、操作寄存器、中断向量表的物理地址。完成硬件初始化后采集充电数据，并结合实际情况执行跳转指令，跳转至main 函数地址后即可开始充电，在充电时在单片机作用下逐步采集电子设备电池电压值，将实际采集数据计算，将AD采样值转化为电压数值，并将其展现在液晶显示屏上，便于电子设备用户进行调节控制[3]，具体运行流程如图4 所示。

图4 系统运行流程图

2.2.2 AD 模块初始化

在AD 模块初始化时，需将PCF8591 芯片器件进行初始化。首先，启动PCF8591 芯片器件I2C 总线，I2C 总线一旦启动后将自动进入写模式，寻找地址，并等待从机响应，完成响应后即可写入00/01/02/03 号通道，完成通道写入后继续等待从机响应，此次响应后即可停止PCF8591 芯片器件I2C 总线，以此即可完成的AD 模块初始化过程。完成初始化后需逐步读取数据，将所读取的数据进行计算转化，经静待主体操作指令。

2.2.3 液晶初始化

在液晶显示屏显示数据参数前，需将其初始化处理。LCD1602 型液晶显示器初始化过程是设置准备工作，在数据线作用下，确保单片机可将数据信息写入LCD1602 型液晶显示器，在写入命令时需将LCD1602 型液晶显示器调节为显示模式，并将字符指令发送至LCD1602 型液晶显示器上，确保LCD1602 型液晶显示器转入显示字符模式。在本次太阳能智能充电器设计中，主要采用16×2的字符格式，其中单个字符由5×7 点阵构成，此外，需设置显示光标，确保LCD1602 型液晶显示器可显示光标。在液晶初始化阶段所写入的字符为连续性字符，因此为良好显示数字，需将数字移动方式调整为左移位，以此保障数据显示符合人们日常习惯。

2.3 系统仿真

完成硬件系统、软件系统搭建设置后，需检查编程编译是否准确，确定编程效果后运用Protues 软件展开电路系统仿真处理。滑动电阻分压可对电压产生影响，此时可调节滑动变阻器，观察液晶显示屏内所显示的电压数据是否发生变化，若电压数据随滑动变阻器的调节而改变，则说明太阳能智能充电器系统功能已完备。图5 为本次系统仿真图。

图5 系统仿真图

3 太阳能智能充电器功能测试

本次太阳能智能充电器按照上述思路进行纯手工制作，因此整体充电性能存在波动，因此设计结束后的测试仅验证充电器功能。

3.1 硬件调试

检查系统引脚间电气连接情况是否良好，判断是否存在虚焊现象，将系统通电后观察，若无异常即可烧录。将串口下载器与单片机烧录程序连接，验证烧录情况，若烧录失败，则需检查烧录软件配置，若烧录软件正常，则检查烧录接口是否存在焊接问题，若无焊接问题，则需检查单片机时钟电路，通过该步骤即可解决烧录失败原因，并将其调整优化。完成烧录后对太阳能智能充电器系统硬件功能进行检测，若功能正常则可结束该次硬件调试工作，若部分功能并未实现，需检查相应电路及功能模块，并判断是否存在设计失误或焊接失误情况，为确保处理措施有效，可运用Protues 软件进行仿真模拟，逐步调试，直至硬件功能均良好实现为止。

3.2 软件调试

若硬件调试后仍存在部分功能无法实现，需对软件系统进行调试，采用软硬件综合调试的方式完善太阳能智能充电器功能。在软件调试期间，需将相应程序下载至单片机内，运用单片机集成开发环境keil 调试系统功能。首先，采用单步调试的方式检查程序是否可正常走通，若发现程序在某一函数部分被卡住，需检查该程序硬件与引脚是否连接一致，若存在不一致情况，需立即检查硬件设计是否存在缺陷，若程序可顺利运行，此时需检查程序数据，并通过livewatch 窗口观察数据情况，在逐步分析与推敲中寻找出问题代码，将其修正后即可保障系统正常运行。

综上所述，虽本次仅开展功能测试，但从充电功能来看，本次设计较为成功，并结合功能测试结果进行硬件与软件调试，使太阳能智能充电器功能更为稳定。本次所提出的太阳能智能充电器思路在一定程度上解决了便捷式电子产品充电难题，并融合物联网技术，在技术更迭中完善设备系统算法，优化其充电性能。