| 前言
太陽能電池的發(fā)展始于上世紀(jì)五十年代，最初應(yīng)用于宇宙開發(fā)，航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度、技術(shù)成熟性，還是從應(yīng)用領(lǐng)域來看，太陽能電池都是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲(chǔ)在電池中，然后通過電池為用電裝置供電。
目前，人們常以蓄電池作為太陽能電池的儲(chǔ)電裝置，但是，蓄電池的維護(hù)較復(fù)雜，需專門的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現(xiàn)場(chǎng)初充電50-90小時(shí)，需專人維護(hù)，而且，不及時(shí)恢復(fù)性充電會(huì)損害電池，蓄電池對(duì)溫度也很敏感，壽命較短。
鋰電池作為二次電池之一，具有能量密度高、工作電壓高、自放電小，可快速充放電、壽命長(zhǎng)、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點(diǎn)，但同其優(yōu)點(diǎn)相比，那些缺點(diǎn)不應(yīng)成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。目前，鋰電池在市場(chǎng)中成長(zhǎng)快速、利潤(rùn)高、已成為許多先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的研究項(xiàng)目，其未來需求及發(fā)展前景是相當(dāng)好的。
鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽能電池的儲(chǔ)電裝置。隨即帶來的鋰電充電問題便成了鋰電應(yīng)用中的重要課題。市場(chǎng)上現(xiàn)有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強(qiáng)，要么精度達(dá)不到要求，而且，隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不可再生資源的逐漸減少，現(xiàn)有的交流電供電式充電器必有被取代之勢(shì)。
為了實(shí)現(xiàn)在太陽能供電下對(duì)鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長(zhǎng)鋰電池壽命，本文設(shè)計(jì)了一款基于AVR單片機(jī)的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能追光，并確保鋰電池不會(huì)過充、過熱而損壞，大大提高安全性能，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過與上位機(jī)通信，將鋰電池的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)界面上，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、控制精度高、操作簡(jiǎn)便、易于軟件升級(jí)等特點(diǎn)。
追光、鋰電池充電基本原理
追光原理
單軸跟蹤追光
單軸跟蹤追光的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。
圖1是單軸跟蹤追光的一個(gè)實(shí)例。
圖1 單軸跟蹤
雙軸跟蹤追光
雙軸跟蹤追光可以通過跟蹤太陽高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。
雙軸跟蹤追光的原理圖如圖2所示。
圖2 雙軸跟蹤
光電跟蹤追光
光電檢測(cè)就是檢測(cè)太陽高度角和方位角的變化，可以使用3個(gè)光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，組建橋式電路，分別通過如圖3電路接通單片機(jī)的A/D通道，微處理器根據(jù)得到的電壓數(shù)據(jù),控制電機(jī)動(dòng)作。
圖3光電跟蹤
視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤追光
由于太陽的高度角和方位角決定了太陽的位置，故可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度確定太陽的位置，然后調(diào)節(jié)太陽能將電池板與地面的角度，實(shí)現(xiàn)追光。
太陽位置計(jì)算幾何數(shù)學(xué)模型如圖4所示。
圖4視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤
光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合追光
光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法能夠加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對(duì)太陽的跟蹤。
鋰電池充電原理
（1）鋰電池充電要求
鋰電池的充電要求有：
① 終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。
② 充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時(shí)，因充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一定的能量損失。
③ 鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會(huì)使溫度過高。不僅會(huì)損壞電池，而且可能引起爆炸。
④ 鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴(yán)重過放電可能造成鋰離子電池失效。對(duì)過放電的電池充電可以通過預(yù)處理進(jìn)行補(bǔ)救，當(dāng)鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。
鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長(zhǎng)鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護(hù)板，鋰電池保護(hù)板詳細(xì)資料請(qǐng)參見附錄一。
（2）恒流充電
采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個(gè)充電過程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖5所示。這種方法操作簡(jiǎn)單，易于做到，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。
圖5 恒流充電
（3）恒壓充電
在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動(dòng)而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時(shí)，以免使電池過充電。實(shí)際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會(huì)升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。
圖6恒壓充電
（4）恒流恒壓充電
在上述兩種充電方式的基礎(chǔ)上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長(zhǎng)，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時(shí)，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。
圖7 恒流恒壓充電
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證
1、總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖8所示。
圖8系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有追光控制、電壓轉(zhuǎn)換、光耦開關(guān)控制、充電控制、照明燈控制和上位機(jī)界面控制六個(gè)部分組成，以追光及充電作為本系統(tǒng)的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結(jié)合溫度檢測(cè)，光耦等控制，實(shí)現(xiàn)了智能充電的功能，并能有效的保護(hù)鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能�；谔柲茈姵匕遢敵鲭妷旱淖兓�，考慮選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調(diào)節(jié)。在照明燈狀態(tài)控制部分，使用光敏電阻來檢測(cè)外界光線強(qiáng)弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)照明燈的亮度。上位機(jī)控制臺(tái)用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人工管理。
2、詳細(xì)設(shè)計(jì)
（1）鋰電池及太陽能電池選擇
①鋰電池選擇
基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態(tài)鋰電池的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，不會(huì)爆炸，只會(huì)鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內(nèi)阻小，比常規(guī)電池內(nèi)阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態(tài)電解質(zhì)，具有更平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)；工作電壓高；能量密度高；循環(huán)壽命長(zhǎng)；無記憶效應(yīng)，自放電小，無污染。
適用范圍：通訊設(shè)備（移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對(duì)講機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)），移動(dòng)辦公設(shè)備（筆記本計(jì)算機(jī)、PDA、便攜式傳真機(jī)、打印機(jī)），影像設(shè)備（數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、移動(dòng)DVD、移動(dòng)電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。
②太陽能電池選擇
選擇太陽能電池時(shí)，要綜合考慮其材質(zhì)，工藝，重量，光電轉(zhuǎn)換效率，功率等。本系統(tǒng)采用的太陽能電池板參數(shù)如表1所示。
表1 所選太陽能電池參數(shù)
|
規(guī)格
|
110*134mm
|
|
開路電壓
|
9V
|
|
短路電流
|
170mA
|
|
功率
|
1.5W
|
|
工藝
|
單晶硅層壓工藝
|
考慮到太陽能電池實(shí)際輸出功率和系統(tǒng)本身功耗，我們將4塊參數(shù)如上表1所示的太陽能電池板并聯(lián)使用，并聯(lián)方式如圖9所示。
（2）電壓轉(zhuǎn)換部分
①降壓電路
方案一：采用LM7805芯片，將太陽能輸出電壓轉(zhuǎn)換為5V，此芯片價(jià)格便宜，但缺點(diǎn)是功耗大，效率低，不利于太陽能供電的充電系統(tǒng)。
方案二：采用LM1117芯片，LM1117是一款正電壓輸出的低壓降三代線性穩(wěn)壓芯片，內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，功耗低，并且內(nèi)部限制了最大功耗，適合電池充電器。對(duì)于固定電壓的輸出，可采用更小的電容。
以上兩種方案，外圍電路復(fù)雜度基本相同，雖然LM1117的價(jià)格高出LM7805許多，但是考慮到整流功耗，我們選用LM1117作為降壓芯片。應(yīng)用電路如圖10所示。
圖10降壓電路
②升壓電路
方案一：采用MC34063作為升壓芯片。MC34063專用于直流--直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。
方案二：利用三極管、電容、電感、電阻搭建升壓電路，此方案較麻煩，在輸入電壓波動(dòng)時(shí)，無法得到穩(wěn)定的電壓。
通過比較，我們選擇方案一，該方案的優(yōu)點(diǎn)是，在太陽能電池板輸出電壓波動(dòng)時(shí)，能得到穩(wěn)定的輸出電壓。其應(yīng)用電路如圖11所示。
圖11升壓電路
（3）充電開關(guān)電路
方案一:采用普通繼電器作為充電開關(guān)。由于有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)帶來電火花，且開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)。
方案二:采用TLP521光耦作為充電開關(guān)。TLP521是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)元件，它利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達(dá)到無觸點(diǎn)，無火花地接通和斷開被控電路�；谝陨蟽�(yōu)點(diǎn)，我們采用光耦作為開關(guān)器件，其應(yīng)用電路如圖12所示。
圖12光耦開關(guān)
單片機(jī)突然掉電時(shí)，會(huì)因I/O的低電平誤開通充電電路，因此，外加反相器7SLS04，采用高電平控制，能防止誤開通充電電路。
（4）充電控制部分
方案一：使用充電管理芯片MAX1898。MAX1898和外部晶體管PNP或PMOS
組成充電器，可以精確地恒流/恒壓充電，電池電壓精度可達(dá)±0.75%，充電電流可控，帶自動(dòng)輸入電源監(jiān)視器，自啟動(dòng)充電等功能，但MAX1898需要有穩(wěn)定的電壓輸入，不使用于太陽能供電的系統(tǒng)。
方案二：使用可太陽能電池供電的充電管理芯片CN3063。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)電阻和阻流二極管；內(nèi)部具有8位模擬--數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地使用輸入電壓源的電流輸出能力；輸入電壓范圍是4.35V-6V之間；在鋰電池電壓較低時(shí)，采用涓流充電模式，激活鋰電池；電源電壓掉電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出；自動(dòng)再充電功能，電池溫度監(jiān)測(cè)功能。
上述兩種方案，因CN3063可用太陽能電池供電，且價(jià)格低于MAX1898,又考慮MAX1898不易手工焊接等問題，我們采用CN3063作為本系統(tǒng)的充電管理芯片。
CN3063的管腳排列如圖所示。
圖13 CN3060管腳排列
各管腳功能如表2所述。
表2CN3063管腳功能
其典型的應(yīng)用電路如圖14所示。
圖14 CN3063應(yīng)用電路
CN3063的應(yīng)用信息：
電源低電壓鎖存
CN3063內(nèi)部有電源電壓檢測(cè)電路，當(dāng)電源電壓低于電源電壓過低閥值時(shí)芯片處于關(guān)斷狀態(tài)，充電也被禁止。
睡眠模式
內(nèi)部有睡眠狀態(tài)比較器，當(dāng)輸入電壓低于電池端電壓加20mv時(shí)，充電器處于睡眠模式，只有當(dāng)輸入電壓上升到電池端電壓50mv以上時(shí)，充電器才離開睡眠模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
輸入電壓源限流模式
當(dāng)CN3063輸入電壓源的電流輸出能力小于所設(shè)置的充電電流時(shí)，器件內(nèi)部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)控制充電電流，此時(shí)實(shí)際充電電流可能小于所設(shè)置的充電電流，但是在滿足施加在CN3063的第4管腳VIN的電壓不低于最小工作電壓4.35的前提下，能夠使得充電電流最大化。在這種模式下用戶不需要考慮最壞情況，只要根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流就可以了，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對(duì)電池進(jìn)行充電。
充電結(jié)束
在恒壓充電狀態(tài)，當(dāng)施加在CN3063的第4管腳VIN的電壓大于4.45V，并且當(dāng)充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10時(shí)，充電周期結(jié)束。在輸入電壓源限流模式，即使充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10，充電也將繼續(xù)，不會(huì)結(jié)束。這樣可以保證即使在輸入電壓源的電流輸出能力很微弱的情況下，也能為電池充電。
預(yù)充電狀態(tài)
在充電周期的開始，如果電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器處于預(yù)充電狀態(tài)，充電器以恒流充電模式充電電流的10%對(duì)電池進(jìn)行充電。
電池電壓Kelvin檢測(cè)
CN3063有一個(gè)電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端（FB），此管腳通過對(duì)芯片內(nèi)部的精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)連接到恒壓充電的誤差放大器。FB管腳可以直接連接到電池的正極，這樣可以有效避免電池正極和CN3063的第5管腳之間的寄生電阻（包括導(dǎo)線電阻，接觸電阻等）對(duì)充電的影響。這些寄生電阻的存在會(huì)使充電器過早的進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，延長(zhǎng)充電時(shí)間，甚至使電池充不滿，通過使用電池電壓Kelvin檢測(cè)可以解決這些問題。如果將此管腳懸空，那么CN3063一直處于預(yù)充電狀態(tài)，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的1/10。
設(shè)定恒流充電電流
在恒流模式，計(jì)算充電電流的公式為
其中， 表示充電電流，單位為A。 表示ISET管腳到地的電阻，單位為歐姆。
在本系統(tǒng)中，設(shè)置500mA的充電電流，因此， =1800V/0.5A=3.6KΩ。
電池溫度監(jiān)測(cè)
為了防止電池溫度過高或者過低對(duì)電池造成的損害，CN3063內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測(cè)電路。電池溫度監(jiān)測(cè)時(shí)通過測(cè)量TEMP管腳的電壓實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)TEMP管腳的電壓大于46%*VIN超過0.15秒時(shí)，芯片正常工作；如果TEMP管腳的電壓小于46%*VIN超過0.15秒時(shí)，則CN3063認(rèn)為電池的溫度超出范圍，充電將暫時(shí)停止，當(dāng)TEMP管腳的電壓又重新大于46%*VIN超過0.15秒時(shí)，充電會(huì)繼續(xù)。
本系統(tǒng)中將TEMP管腳接到地，禁用電池溫度監(jiān)測(cè)功能，并以DS18B20作為替代，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，方便觀察。
再充電
當(dāng)一個(gè)充電周期結(jié)束時(shí)，如果電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端的電壓低于再充電閥值時(shí)，CN3063自動(dòng)開始一個(gè)新的充電周期。
恒流/恒壓/恒溫充電
采用恒流/恒壓/恒溫模式對(duì)電池充電，在恒流模式中，如果CN3063功耗過大，器件的結(jié)溫接近115°C，放大器Tamp開始共工作，自動(dòng)調(diào)整充電電流，使器件的結(jié)溫保持在大約115°C。
漏極開路狀態(tài)指示輸出端
有兩個(gè)漏極開路狀態(tài)指示端 和 ，這兩個(gè)狀態(tài)指示端可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管或單片機(jī)端口。用來指示充電狀態(tài)，在充電時(shí)，為低電平；用來指示充電結(jié)束狀態(tài)，當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，為低電平。當(dāng)電池的溫度處于正常溫度范圍之外超過0.15秒時(shí)，和管腳都輸出高阻態(tài)。當(dāng)電池沒有接到充電器時(shí)，充電器很快將輸出電容充電到恒壓充電電壓值，由于電池電壓Kelvin檢測(cè)輸入端FB管腳的漏電流，F(xiàn)B管腳和BAT管腳的電壓將慢慢下降到再充電閥值，這樣在FB管腳和BAT管腳形成一個(gè)紋波電壓為100mv的波形，同時(shí)輸出脈沖信號(hào)表示沒有安裝電池。當(dāng)電池連接端BAT管腳的外接電容4.7uF時(shí)，脈沖的周期大約為10Hz。系統(tǒng)中管腳接紅色LED, 管腳接綠色LED。
表3列出了兩個(gè)狀態(tài)指示燈及其對(duì)應(yīng)的充電狀態(tài)。
表3狀態(tài)指示燈與充電狀態(tài)關(guān)系
（5）溫度監(jiān)測(cè)
方案一：采用熱敏電阻做傳感器件。熱敏電阻與溫度的變化是非線性的，而8位單片機(jī)的計(jì)算能力有限，在使用時(shí)，需摒棄復(fù)雜的計(jì)算公式，改用查表法算取溫度。溫度的精度值取決于AD采樣精度，溫度表格精度和熱敏電阻精度。
方案二：采用DS18B20溫度傳感器。使用時(shí)，只需編寫嚴(yán)格的時(shí)序，即可直接讀出溫度值，低四位進(jìn)行小數(shù)近似化處理，可以得到較為準(zhǔn)確的溫度值。
由于熱敏電阻與溫度的變化是非線性的，而且無法使用復(fù)雜的計(jì)算公式得出精準(zhǔn)的溫度值，我們采用方案二，當(dāng)鋰電池溫度大于60°C時(shí)，停止充電。
DS18B20的應(yīng)用電路如圖15所示。
圖15溫度監(jiān)測(cè)
（6）照明燈控制
方案一：通過檢測(cè)光敏電阻阻值的大小，判斷白天黑夜，并根劇光敏電阻阻值調(diào)節(jié)照明燈亮度。
方案二：通過檢測(cè)太陽能電池板輸出電壓，來判斷白天黑夜，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)照明燈亮度。
比較兩種方案，方案二中太陽能電池板輸出電壓不僅會(huì)受到外界光強(qiáng)的影響，還跟溫度高低等其他因素有關(guān)系，為避免誤判斷，我們采用方案一，且方案一中，根據(jù)光敏電阻阻值大小，更易于使用脈寬調(diào)制（PWM）模擬DA功能。
應(yīng)用電路如圖16所示。
圖16照明燈
當(dāng)檢測(cè)到外界光強(qiáng)低于閥值時(shí)，打開照明燈，并使用STC12C5A60S2單片機(jī)的一路PCA輸出PWM波，模擬DA功能，程序如下：
void SetLed(uchar PWM_LOW)
{
CCON=0; //PCA控制寄存器初始化
CL=0; //PCA計(jì)數(shù)器低8位清零
CH=0; //PCA計(jì)數(shù)器高8位清零
CMOD=0X02; //模式設(shè)置
CCAP0H=CCAP0L=PWM_LOW; //將光敏電阻值送給PCA捕捉/比較寄存器
CCAPM0=0X42; //設(shè)置PCA工作模式
CR=1; //啟動(dòng)PCA計(jì)數(shù)器
}
rg0=GetADCResult(2); //光敏電阻值采集
if(rg0>=0xa0) //電阻值大于閥值時(shí)，調(diào)光
SetLed(rg0-0xa0);
else
SetLed(0); //否則，發(fā)送0，即關(guān)閉照明燈
（7）追光控制
方案一：采用雙舵機(jī)，搭建舵機(jī)云臺(tái)。此方法可以全方位的追光，但是在實(shí)際使用中，舵機(jī)存在“搶電”的現(xiàn)象，會(huì)給供電電壓帶來較大的波動(dòng)，甚至?xí)a(chǎn)生較強(qiáng)的抖動(dòng)，不利于控制，也不利于電能的收集。
方案二：只采用一個(gè)舵機(jī)，并結(jié)合機(jī)械追光。經(jīng)查閱資料，當(dāng)太陽能電池板與地平面的角度和當(dāng)?shù)氐木S度相同時(shí)，光能利用率最大。本方案中利用的機(jī)械部件，可人為的調(diào)節(jié)太陽能電池板與地平面的角度，再通過控制伺服舵機(jī)實(shí)現(xiàn)追光。
通過比較，我們選用方案二。方案二更節(jié)約電能，同時(shí)，在太陽能電池板的不同位置放置三個(gè)光敏電阻，利用光敏電阻對(duì)環(huán)境亮暗的敏感性設(shè)計(jì)尋找光源傳感器，即光敏電阻和已知電阻的分壓電路，采集光敏電阻端和已知電阻端電壓，通過模擬量的電壓分析，即可模糊地判斷光線的強(qiáng)弱。與另兩路尋光傳感器電路中得到的電壓值相比較，即可判斷出光源的位置。利用單舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)把光源位置方向鎖在正中間光敏電阻所對(duì)的方向。
圖17光敏電阻檢測(cè)
由于光敏電阻對(duì)環(huán)境的敏感性，導(dǎo)致環(huán)境中的散光造成的同一規(guī)格的光敏電阻在相同照度下電阻值不同。為此，在每個(gè)光敏電阻前加黑色筒狀遮體，使光敏電阻的基準(zhǔn)電阻值基本相同，為檢測(cè)光源時(shí)三者電阻值的比較有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，提高光源檢測(cè)的精確度。
采集的電壓值為模擬量，提高了光源檢測(cè)的空間精度，模擬量亦可以作比較，賦相應(yīng)的比例系數(shù)、微分系數(shù)代入舵機(jī)控制軟件模塊。光敏電阻檢測(cè)光源電路圖如圖17所示。
在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)外界干擾信號(hào)，供電電源的電壓不足等情況時(shí)，會(huì)造成舵機(jī)抖動(dòng)，所以我們采用獨(dú)立的單片機(jī)和獨(dú)立的電源完成追
光，避免了信號(hào)干擾和電壓不足產(chǎn)生的抖動(dòng)，同時(shí)，也避免了因舵機(jī)“搶電”造成的其他模塊電壓不穩(wěn)定的問題。
獨(dú)立電源來自鋰電池，通過PT1301 IC芯片升壓后供舵機(jī)使用，并且添加負(fù)載指示燈（藍(lán)色）和鋰電池電壓過低報(bào)警指示燈（黃色）。詳細(xì)資料請(qǐng)參見附錄二。
其中，主要程序如下：
#define steer_center 60
#define right_limit 100
#define left_limit 20
#define KP 10 //比例系數(shù)
sbit pwm=P3^7;
uchar rg1,rg2,rg3;
uchar last_pwm_value_init; //上一次舵機(jī)輸出值初始化
uchar control_pwm; //舵機(jī)PWM輸出值
uchar last_control_pwm; //上一次舵機(jī)PWM輸出值
void get_analog() //采集三路光敏電阻采光系統(tǒng)中的電壓值
{
rg1=GetADCResult(0);
rg2=GetADCResult(1);
rg3=GetADCResult(2);
}
uchar analog_analyse()
{
get_analog();
if(last_pwm_value_init==0)
{
last_control_pwm=steer_center;
last_pwm_value_init=1; //初始化完成
}
if(rg2-rg1>0&&rg3>=rg2)
control_pwm=last_control_pwm-(rg2-rg1)*KP/80;
else if(rg2-rg3>0&&rg1>=rg2)
control_pwm=last_control_pwm+(rg2-rg3)*KP/80;
else if(rg1-rg2>0&&rg3-rg2>0)
{
if(rg2<80)
{
control_pwm=last_control_pwm;
}
//else //control_pwm=last_control_pwm+(rg1-rg2)*8/80-(rg3-rg2)*8/80; //也進(jìn)行角度調(diào)節(jié)
}
else
control_pwm=steer_center;
if(control_pwm<=left_limit)
control_pwm=left_limit;
else if(control_pwm>=right_limit)
control_pwm=right_limit;
last_control_pwm=control_pwm; //保存上一次舵機(jī)輸出值
return control_pwm;}
void main()
{
uchar PWM;
InitADC(); //AD初始化
Init_PCA(); //PCA擴(kuò)展定時(shí)器初始化
while(1)
{
PWM=analog_analyse();
jd=PWM;
Delay(12);
}
}
void PCA_ISR()interrupt 7
{
CCF1=0;
CCAP1L=value;
CCAP1H=value>>8;
value+=25;
if(cnt <= jd) //判斷0.025ms次數(shù)是否小于角度標(biāo)識(shí)jd=20-100
pwm=1; //小于，PWM輸出高電平
else
pwm=0; //大于則輸出低電平
if (cnt>=800)
cnt=0;
else
cnt++; //0.025ms次數(shù)加1 ,次數(shù)始終保持為800 即保持周期為20ms
}
（8）主控單元
方案一：采用AVR 單片機(jī) ，AVR單片機(jī)的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實(shí)情況。工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)10～40 mA,可直接驅(qū)動(dòng)可控硅SCR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動(dòng)器件。
AVR單片機(jī)內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換，可組成廉價(jià)的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。
部分AVR單片機(jī)可組成零外設(shè)元件單片機(jī)系統(tǒng)，使該類單片機(jī)無外加元器件即可工作，簡(jiǎn)單方便，成本又低。
圖18 AVR MCU管腳分布
AVR單片機(jī)可重設(shè)啟動(dòng)復(fù)位,以提高單片機(jī)工作的可靠性。有看門狗定時(shí)器實(shí)行安全保護(hù),可防止程序走亂(飛),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。AVR MCU管腳分布如圖18所示。
方案二：采用新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)STC12C5A60S2，此單片機(jī)具有兩路PWM/PCA功能；8路10位A/D采集，轉(zhuǎn)換速度25萬次/秒；雙串口；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路；具有60K的用戶程序空間；內(nèi)部集成掉電檢測(cè)電路；可擴(kuò)展為4個(gè)16位定時(shí)器；7路外部中斷；工作頻率范圍為0-35MHZ，相當(dāng)于普通8051的0-420MHZ；指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)。
綜上兩種方案，因所需的A/D檢測(cè)通道較多，我們選用方案二中的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片。
其管腳排列如圖19所示。
圖19 STC12C5A60S2管腳排列
單片機(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路分別如圖20和圖21所示。
時(shí)鐘電路：
圖20 時(shí)鐘電路
復(fù)位電路：
圖21復(fù)位電路
此外，系統(tǒng)需要與上位機(jī)進(jìn)行通信，采用MAX232做電平轉(zhuǎn)換，以使單片機(jī)的TTL電平和RS232協(xié)議的電平相同。
具體電路如圖22所示。
 
圖22 MAX232轉(zhuǎn)串口 圖23 RC濾波
在使用A/D功能時(shí)，為消除信號(hào)干擾，在P1口設(shè)計(jì)RC濾波電路，如圖23所示。
4、軟件流程
（1）充電管理
在此段程序中，首先連續(xù)三次檢測(cè)鋰電的電壓是否大于1V，判斷放入的鋰電池是否有效。待判斷成功后，檢測(cè)太陽電池的輸出電壓，若電壓大于6V,采用降壓充電通道，并打開此通道的充電門控，關(guān)閉降壓充電通道；若電壓小于6V，采用升壓充電通道，并打開降壓充電通道的充電門控，關(guān)閉升壓充電通道門控。當(dāng)檢測(cè)到鋰電池電壓大于等于4.2V時(shí)或鋰電池溫度大于60°C時(shí)，關(guān)閉所有充電通道。程序一直對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，直到鋰電池電壓降到4V且溫度小于60°C時(shí)，根據(jù)相應(yīng)情況打開相應(yīng)的充電通道。
具體的程序流程圖如圖24所示。
 
圖24充電流程 圖25串行通信流程
（2）串行通信
此段程序的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。先進(jìn)行判斷是發(fā)送還是接收，若是發(fā)送，則將采集到的太陽能電池電壓、鋰電池電壓、鋰電池溫度發(fā)送至上位機(jī)并在上位機(jī)界面上顯示；若是接收，則需響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的指令（0XAA為開始充電，0XFF為停止充電），并做出相應(yīng)操作。
具體的程序流程圖如圖25所示。
（3）追光控制
此段程序用于實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的實(shí)時(shí)追光。分別采集三個(gè)光敏電阻端和已知電阻端的電壓，通過模擬量的電壓分析，模糊地判斷光線的強(qiáng)弱，并與另兩路尋光傳感器電路中得到的電壓值相比較，判斷出光源的位置，并將新的jd值賦給PCA捕捉/比較寄存器，產(chǎn)生新的PWM，調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使太陽能電池始終對(duì)準(zhǔn)光源。
具體的程序流程圖如圖26所示。
圖26 追光流程
四、系統(tǒng)特色及創(chuàng)新
本系統(tǒng)的全部能量均來自太陽能，是順應(yīng)時(shí)代潮流的積極探索。通過光電轉(zhuǎn)化后將電能存儲(chǔ)到鋰電池中，再給各個(gè)模塊供電，可再生能源的使用響應(yīng)了當(dāng)下“和諧社會(huì)”的建設(shè)，為本系統(tǒng)提升了競(jìng)爭(zhēng)力。
本系統(tǒng)解決了低電壓無法工作的問題。我們添加了低壓檢測(cè)中斷功能，當(dāng)電壓過低時(shí)，會(huì)觸發(fā)中斷，系統(tǒng)會(huì)保存重要的數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓正常時(shí)，可恢復(fù)工作。同時(shí)，當(dāng)沒有光照時(shí)，系統(tǒng)靠存儲(chǔ)在鋰電池中的電能工作，我們也不用擔(dān)心鋰電池突然損壞的問題，因?yàn)楫?dāng)鋰電池?zé)o法供電時(shí)，只要有光照，單片機(jī)仍可啟動(dòng)工作。
本系統(tǒng)提高了光電轉(zhuǎn)換的效率。機(jī)械和舵機(jī)的配合追光，既考慮了舵機(jī)耗電的問題，也提高了光電轉(zhuǎn)換率。機(jī)械追光利用的是當(dāng)?shù)氐乩砦恢玫奶攸c(diǎn)，將太陽能電池板與地平面成的角度和當(dāng)?shù)氐木暥纫恢隆＠�，合肥�?dāng)?shù)氐木S度在32°左右，我們就將太陽能電池板與地平面的角度調(diào)節(jié)到32°左右，再通過舵機(jī)調(diào)節(jié)，配合追光。
需要說明的是，系統(tǒng)安裝好后，此機(jī)械角度無需再次調(diào)節(jié)。
系統(tǒng)充分考慮了鋰電池的特性及其充電要求。采用可太陽能供電的CN3063智能充電管理芯片，而且為鋰電池安裝了保護(hù)板，這些措施為鋰電池的安全有效充電提供了保障；低壓涓流充電的方式，能重新激活鋰電池，正常電壓情況下，恒流/恒壓的充電方式更能安全快速的為鋰電池充電，系統(tǒng)的“再充電”功能也防止了鋰電池的過放；系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了升/降壓兩路充電通道，以光耦器件作為開關(guān)，開關(guān)迅速而且不會(huì)產(chǎn)生電火花，通過程序的設(shè)計(jì)，自動(dòng)切換充電通道；18B20溫度檢測(cè)的加入，能有效防止鋰電池溫度過高而損壞，為鋰電池的安全提供了第二重保障。
系統(tǒng)中的照明燈改變了傳統(tǒng)照明燈非開即關(guān)的特點(diǎn)。利用脈寬調(diào)制（PWM）模擬DA功能，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)光，當(dāng)外界光線越弱時(shí)，照明燈越亮，當(dāng)外界光線越強(qiáng)時(shí)，照明燈越暗，直至關(guān)閉，此方法的推廣使用，會(huì)更節(jié)能。
VB上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人工智能化管理。在上位機(jī)界面上，可以直觀的看到系統(tǒng)的運(yùn)行情況，包括太陽能電池輸出電壓、鋰電池電壓、鋰電池溫度、鋰電池電壓變化曲線，如果系統(tǒng)運(yùn)行出了故障，可以在上位機(jī)上加以控制，及時(shí)停止充電，避免了更大的損失。
本系統(tǒng)還有很大的提升空間。例如在經(jīng)濟(jì)許可的情況下，將有線傳輸改為無線傳輸，仍能實(shí)現(xiàn)通信；增大太陽能電池板的功率，使用鋰電池電池組，添加逆變模塊，可產(chǎn)生220V交流電，供小功率電器使用等等。
五、系統(tǒng)應(yīng)用及展望
本系統(tǒng)可用于太陽能充電器，新型路燈，手電筒、玩具、航模。應(yīng)用在通訊設(shè)備如移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對(duì)講機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)；移動(dòng)辦公設(shè)備如筆記本計(jì)算機(jī)、PDA、便攜式傳真機(jī)、打印機(jī)；影像設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、移動(dòng)DVD、移動(dòng)電視、MP3、MP4等。
鑒于此系統(tǒng)能有效的保護(hù)鋰電池，活化鋰電池，延長(zhǎng)鋰電池壽命，還可以考慮應(yīng)用在信號(hào)發(fā)射塔上為鋰電池組充電，能為通訊服務(wù)商節(jié)約更換鋰電池組的成本。
根據(jù)系統(tǒng)追光特性，還可以將系統(tǒng)安裝在屋頂，為家居用電提供可能；安裝在電動(dòng)汽車頂部，無論車子走到哪里，只要有太陽光，都會(huì)找到最佳位置吸光儲(chǔ)能。
總之，該系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，只要其工作環(huán)境有光源，用到鋰電池，都可以考慮改裝后使用，發(fā)展前景相當(dāng)好。
附錄一 鋰電池保護(hù)板介紹
系統(tǒng)中使用的鋰電池保護(hù)板采用的IC芯片是DW01+。DW01+是一個(gè)鋰電池保護(hù)電路，為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被損壞而設(shè)計(jì)的。它具有高精確度的電壓檢測(cè)與時(shí)間延遲電路。它的工作電流低，過充檢測(cè)4.3V，過充釋放4.05V；過放檢測(cè)2.5V，過放釋放3.0V；芯片內(nèi)部有過了保護(hù)復(fù)位電阻，廣泛應(yīng)用于單節(jié)鋰電池的保護(hù)電路DW01+的管腳排列如圖27所示。
圖27 DW01+管腳排列
DW01+是各管腳功能如表4所示。
表4DW01+管腳功能
DW01+的應(yīng)用電路如圖28所示。
圖28 DW01+應(yīng)用電路
附錄二 PT1301升壓、負(fù)載指示、低壓報(bào)警指示介紹
1、PT1301升壓
PT1301 是一款啟動(dòng)電壓可低于1V的小尺寸高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。采用自適應(yīng)電流模式PWM控制環(huán)路,能在較寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補(bǔ)償電路；PT1301 內(nèi)部含有 2A 功率開關(guān)，在鋰電池供電時(shí)最大輸出電流可達(dá) 300mA，同時(shí) PT1301 還提供用于驅(qū)動(dòng)外部功率器件（NMOS 或 NPN）的驅(qū)動(dòng)端口，以便在應(yīng)用需要更大負(fù)載電流時(shí)，擴(kuò)展輸出電流。14μA 的低靜態(tài)電流，再加上高效率，可使電池使用更長(zhǎng)時(shí)間，因此非常適合給舵機(jī)供電。
PT1301的管腳排列如圖29所示
圖29 PT1301管腳排列
PT1301各管腳功能如下表5所示。
表5 PT1301管腳功能
PT1301的典型應(yīng)用電路如圖30所示。
圖30 PT1301應(yīng)用電路
2、負(fù)載指示
負(fù)載指示燈的原理如圖31所示。
圖31負(fù)載指示
工作原理分析：當(dāng)電源連接上負(fù)載時(shí)，指示燈就會(huì)亮，當(dāng)負(fù)載所需的電流越大時(shí)，指示燈就會(huì)越亮；相反，當(dāng)負(fù)載所需電流減小時(shí)，指示燈就會(huì)變暗。此電路用于觀察舵機(jī)的用電情況。
3、低壓報(bào)警指示
本系統(tǒng)具有鋰電池低壓報(bào)警指示功能，當(dāng)鋰電池電壓低于3.3V時(shí)，報(bào)警指示燈就會(huì)亮，這里采用的是TP74芯片。
TP74是一款高精度、低功耗的電壓檢測(cè)器。芯片由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生器、電壓取樣電路、比較器及輸出單元構(gòu)成；可提供NMOS開漏和CMOS兩種輸出，用于1.5V-3.6V的電源電壓的檢測(cè)，可為大多數(shù)微處理器及數(shù)字系統(tǒng)電源提供電壓檢測(cè)。當(dāng)輸入電壓低于預(yù)先設(shè)定值Vdf）時(shí)，reset信號(hào)啟動(dòng)直至輸入電壓恢復(fù)，電路重新工作。TP74的管腳排列如圖32所示。
圖32 TP74管腳排列
TP74個(gè)管腳功能如表6所示。
表6 TP74管腳功能描述
低壓報(bào)警指示的原理如圖33所示。
圖33低壓報(bào)警指示
工作原理分析：當(dāng)輸入電壓Vin>3.3V時(shí)，輸出電壓Vout=Vin,此時(shí)，發(fā)光二極管兩端電壓相等，因此，當(dāng)鋰電池電壓高于3.3V時(shí)，指示燈滅；若當(dāng)輸入電壓Vin<3.3V時(shí)，輸出電壓Vout為零,此時(shí)，發(fā)光二極管兩端有電壓差，指示燈亮。 表7列出了使用過程中負(fù)載指示燈和低壓報(bào)警指示燈的狀態(tài)及含義。
表7 負(fù)載指示燈和低壓報(bào)警指示燈的狀態(tài)及含義
|
|
負(fù)載指示燈（藍(lán)色）
|
鋰電池低壓報(bào)警指示燈（黃色）
|
|
鋰電池待機(jī)中
|
滅
|
滅
|
|
鋰電池使用中
|
亮
|
滅
|
|
鋰電池使用中且電池電壓低
|
滅
|
亮
|
|
鋰電池待機(jī)中且電池電壓低
|
滅
|
閃爍
|
附錄三 外圍充電電路原理圖
|
