09电能收集充电器.doc

2009年全国大学生电子设计竞赛电能收集充电器（E题）【本科组】2009年9月5日 目 录一. 系统方案.1.1 系统框图.1.2 电源变换实现方案 1.3 控制方法的方案选择1.4 控制器的选择.二、理论分析与计算. 2.1 参数的选择2.1.1 升压电路电感参数的选择2.1.2 降压电路参数的选择.2.2 提高效率的方法.三.电路与程序设计 3.1启动电路设计与参数计算 3.1.1 启动电路设计 3.1.2 参数选择与计算3.2 电路的设计与参数计算3.3 设定电路的设计四测试结果五结果分析与展望.六参考文献 七附录摘 要： 该电能收集充电器，本着节约成本，充分、合理利用能源的原则。在直流电源变化范围很大的情况下，仍然能最大效率的给电池充电。以控制器SST89E564RD作为控制和检测核心，能实时检测充电电压，形成闭环系统，以将输出电压稳定。在电源范围不同时，我们采用不同的电路结构，合理利用能源的同时提高了电路的稳定性。关键字：电能收集 电源转换 单片机Abstract：Based on the principle of economize, sufficiency and rational , This electrical energy collection charger can still charge the battery efficient through a buck-boost circuit even if the DC power supply varies on a large scale, We use the microcontroller SST89E564RD to detection and control the charge voltage, protect the circuit as while reduces its power consumption.Key words: energy collection microcontroller energy translation 一系统方案1.1 系统框图单片机直流电源电源变换器充电电池电压检测电压检测在此系统中我们采用恒压反馈的方式，电源变换器将直流电源的电压变换为一稳定的电压，并且利用AD采样对输入输出的电压进行实时监测，当输入电压的值不同时，自动转换电路，并对占空比进行调整，以稳定输出电压。1.2 电源变换实现方案 方案一：直接采用升降压斩波电路.此方案的输出电压不稳定,输入电压有限。方案二：采用升、降压芯片，此方案稳定。但是花费的成本较高，并且没有能源利用最大化。很多能量损耗在芯片上。方案三：分别用升压电路，降压斩波电路切换，此方法稳定，并且电路处于开关状态。开关频率可以根据输入电压的不同进行调整，合理、有效的利用了能源。 鉴于以上分析，我们选用方案三。但由于电感绕制经验不足，我们的降压斩波电路输出的电压值太小，并且不稳定。故降压我们用芯片MC34063来实现。1.3 控制方法的方案选择 1.3.1 对开关管开关频率的控制方案一：采用恒频脉宽调制控制器TL494，该芯片可推挽或单端输出，工作频率为1-300KHz，输出电压可达40V.但是此方案输入电压较高方案二：利用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D采样后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。鉴于经济性和可行性考虑，我们采用方案二。1.3.2 系统间歇时间的设定为了能合理利用能源，当直流电源电压低时，电能存储能量慢。控制电路工作的间歇时间不能太快。可将其设为5S。当直流电源电压高时，电容储能快，可将频率设的比较快，不断的将能量传输给充电电池。故有以下方案： 方案一：设定几个按钮，对应不同的工作频率，此方法操作起来不方便。 方案二：设置一24h工作时刻表，在不同的时间段采用不同的频率，此方案可靠性不高。比如阴雨天气，正午温度也很低。 方案三：系统间歇性检测电池电量，根据电池电量的不同来改变工作频率。此方法不仅可靠性高，而且不需要人为来控制，实现了自动化。1.4 控制器的选择采用SST公司推出的SST89E516RD微控制器。该单片机与MCS-51指令集完全兼容，指令速度高，可以担任复杂算法的运算工作。可通过串口实现在系统编程，这为生成大量程序代码和在线实时调试提供了保证。 二理论分析与计算2.1.电感参数的选择2.1.1 升压电路参数 (1) 晶体管的选择方案一：选用三极管,驱动电压小，但是反应速度不快。方案二：选用IRF640，此开关管反应速度快，并且导通内阻小，跟得上系统反应时间。但是需要的驱动电压大。鉴于我们可以用达林顿管增加驱动电压，为满足系统需求，我们选用方案二(2) 电感参数的选择当频率为5Khz占空比为50%时，输出电压为4V， L=3.4 mH 2.1.2 降压电路参数选择 1）MC34063内部的基准电压为1.25V,为输出4V,驱动IRF640. 取(2) 设开关频率为30Khz, 为了留一定裕量，我们选取750uH的 电感。2.2提高效率的方法 此电路中，能量的损耗主要是续流二极管,开关管的通断，电感以及控制电路。我们采取以下几种方案尽量降低损耗1.我们把电感值取到很大，可降低开关管的频率。这样降低了开关管的损耗，并且电流低。在各个元器件上的损耗也小。2.设置了不同的工作频率。在输入电压不同时，采用不同的工作频率，亦可降低损耗。三、电路与程序设计3.11 启动电路设计电路方案一：直接由电源变换器转换得来的电压给单片机供电，此方案不可靠。，为了使充电电流大，输出电压很多时候不需要达到5V。方案二：将电源电压、转换电压、充电电池经过线或之后，再稳压给单片机供电。此方案安全可靠。三路电压，只要任何一路达到3V，单片机就可以正常工作。 鉴于电路的稳定可靠性，我们选用方案二。图如 附录图一3.1.2 启动电路参数计算（1）MC34063内部的基准电压为1.25V,为输出10V,驱动IRF640. 取(2) 设开关频率为30Khz, 为了留一定裕量，我们选取470uH电感。3.2显示模块 方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。 方案二：采用LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适。 基于上面的比较分析和现有的LCD器件，选用方案二。3.3 设定电路的设计 3.3.1 此电路模拟太阳能充电器。在测试中当直流电源电压不同时，其内阻不同，我们设置了两个按键，来选择。3.3.2 单片机的控制 1. 当输入电压小于3.6V时，我们通过对继电器1的控制，切断降压电路，换成升压电路，以保证在电压很小时仍然能给电池充电 2. 在升压电路中，对输出电压进行检测，当输出电压不稳时，通过对占空比的调节来改变输出电压。这样形成了闭环系统，稳定了输出。 3.4 电路的设计3.4.2升降压电路的切换 输入电压不同，我们将采取不同的电路结构。降压电路接的是常开触点，升压电路接的是常闭触电。3.4.2 程序设计定时对输入电压进行采样，实时的显示输入电压的变化。并在升压斩波时对输出电压进行闭环控制，改变PWM波的占空比。由于斩波的频率比较高，故采用定时器1来产生PWM波。程序流程图： 开 始系统初始化adc_flag置位Adc转换并求平均值Pid调节Display_flag置位刷新显示输入输出电压结束四测试结果4.1 测试使用的仪器及型号RXN-303D-2型直流稳压电源TDS 1002型示波器毫安表4.2 测试数据101215182070.2 87.1 120.3 149.4 170.3序号12345 2.52.63.72.92.81.22.02.42.83.6 40.1 52.2 58.665.7 78.11.11.31.51.71.9 152 181 28.2 32.140.21.10.90.70.60.4 18.1162 9.81.50.7序号12345 1.5 1.71.61.51.6五结果分析与展望 该电能收集充电器模拟太阳能充电器，不管白天黑夜，把能源利用到最大化。但是由于技术还不是很成熟，此电路还有很多值得改进的地方。特别是当电池内阻大的时候，有很大的能量损耗。 软件技术也还不是很成熟，需要经过反复的试验，尽