基于单片机的直流电能收集充电器的设计

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近年来，能源短缺问题日益突出，人们在担忧能源枯竭的同时，对能源的浪费却大得惊人。例如各种废弃的电池，尤其是遥控玩具车使用的电池，甚至没用到其能量的一半就被废弃掉了，这不仅造成能源的浪费，更造成了环境的污染。因而研制一种收集各种废旧电池能量的装置已迫在眉睫。
       
        本文设计一种以直流电源变换器为核心的电能收集装置，该装置可用于人们在旅途为手机随时充电，也可用于矿工照明等。该充电器可将直流电源的能量传递到3.6 V以上的可充电电池中。系统根据输入电压不同采用MC34063和HT7750来构建供电电路给电池充电，经过89C51单片机控制AD0832来检测电源输出电压的大小，从而判断是否对电池进行充电，并且检测时间的长短可以根据用户的需要进行设定，并通过数码管显示出来。为了提高单片机的工作效率，对单片机处于休眠和工作两种状态进行断续的检测。
       
        1系统设计框图
       
        电能收集充电器的核心为直流电源变换器，从直流电源中吸收的电能转移到可充电电池中。电能收集充电器是将输入的功率尽可能大的输送到所需充电的设备中，使得充电器的充电效率尽可能提高。该充电器对输入电压要求低，并且可以最大可能的吸收直流电源中的能量，比一般的充电器节能。系统框图如图1所示。

       
       
        图1系统框图

       
        根据电压Ui 取值的大小采用两种直流电源变换器，当电压为1.1 V< Ui <3.6 V 时，采用HT7750 组成的Boost升压电路来实现；当供电电源大于3.6 V时，电路是用单片机控制集成芯片MC34063来实现的。MC34063的工作电压是3~40 V，所以电源输入电压只需要在3 V以上就可以让它工作。单片机能通过自身休眠来提高效率，还可以检测电压值控制电池的充电，并且由数码管显示出检测的时间长短，这个时间可以根据用户的要求任意调节。这样的电路直观、稳定、可靠，并且在实际运用中，在接负载的情况下，它能稳定的达到所需要的电流值和电压值。同时电路简单易懂，容易调试数据，成功率高。
       
        2 硬件电路设计
       
        2.1 升压电路设计
       
        升压电路主要由HT7750组成，HT7750转换器具有高效率和低纹波。该系列具有超低启动电压、高输出电压精度。只需要3个外部元件即电感、稳压管、电解电容，以提供固定输出5 V电压。电路如图2所示。
         
         

       
        图2 升压电路

       
        2.2 供电电路设计
       
        供电电路是由MC34063芯片构成的稳压电路，此芯片是一款可降压也可升压型的采用PWM 调节方式的开关稳压电源芯片，MC34063的工作电压范围为3~40 V。此电路是把输入进来的电压进行稳压处理达到所需电压值，同时此电压还可以作为单片机和ADC0832 的工作电压。电路构成如图3所示
         
         

       
        图3 供电电路

       
        2.3控制电路设计
       
        采用8051单片机，它拥有编程灵活、功能强大、而且廉价的好处，与INTEL公司的8096系列16位单片机相比，8051更具有明显的价格优势。同时能够满足需要，成为首选。它可以自身休眠来减小功耗，提高效率，它由基准电源电路输出稳定的5 V电压供电，主要起到检控电压的作用。89C51单片机控制AD0832来检测电源输出电压的大小，从而判断是否对电池进行充电，并且检测时间的长短可以根据用户的需要进行设定，通过数码管显示出来。这里用的ADC是ADC0832芯片，它是一个串行的ADC，它具有速度和精度都足以满足此电路，在ADC0832的VCC脚与基准电路供电的输出脚间接一个大电容从而使输入给ADC0832的电压更稳定。电路构成如图4所示。

       
       
        图4控制电路

       
        2.4充电电路设计
       
        该电路是通过单片机对充电电路的控制从而实现对电池的充电，起到开关作用。并且电路中加入了LED灯，从而显示充电器是否工作。电路如图5所示。

       
       
        图5充电电路

       
        3软件部分的设计
       
        本系统的软件采用C语言来编写，所有代码在UV2下编译调试。软件程序设计主要检测电源输出电压的大小，从而对判断是否对电池进行充电，同时单片机通过自身休眠来减小功耗，提高效率。程序主流程图如图6所示，休眠时间控制流程图如图7所示。

       
       
        图6主流程图
       
        图7休眠时间控制流程图

        4测试方法与结果
       
        （1）当输入电压Ui为10~20 V时，取电源内阻Rs为100&Omega;，可充电池的内阻Rc为0.1&Omega;，由理论计算得：
       
        Ic > （Es - Ec） （Rs + Rc）
       
        即：
       
        Ic > （20 - 3.6） （100 + 0.1） = 163.8 mA
       
        实际测量时Ic = 164.6 mA>163.8 mA，满足了设计的要求。测试数据见表1.
       
        本设计的工作效率由输出电压U*out与输出电流Iout的乘积比上输入的电压Uin与电流Iin的乘积。即：
       
        &eta;= （Uout*Iout ） （Uin*Iin ）
       
        （2）当Ui从0逐渐升高时，能启动充电功能的Ui为0.28 V；当Ui为0时，系统最大反向充电电流仅为0.09 mA.

       
       
        表1高压参数表

       
        5结语
       
        本文设计并实现了一种基于单片机的直流电能收集充电器，该充电器在输入电压低至1 V的情况下仍能将能量传递至3.6 V以上的可充电池中。同时制作了实验样机并对实验样机进行了测试。实验结果表明该充电器具有工作电压范围宽，效率高，适应性强、可靠性好等优点。从一定程度上解决了废弃电池能源的浪费及对环境的污染。