CN105958600B - 基于arm控制的太阳能手机充电电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，主电路采用换位开关管的Buck拓扑结构，软件设计采用最优梯度的滞环比较改进法来实现MPPT的控制，不仅实现对手机充电功能，而且实现太阳能的迅速高效利用，满足了人们在户外没有交流电源的情况下对手机充电的需求。本发明电路结构简单，控制方法灵活，便于携带，成本低廉，能够实现对太阳能电池最大功率有效跟踪，并全天候为手机高效可靠的充电。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种基于ARM控制系统来实现太阳能电池最大功率点跟踪的手机充电电源。
背景技术
目前家用手机充电器各式各样，性能优异，随着人们对手机的使用增多，手机电池的容量成为人们关心的问题，虽然市场上有各种充电储能设备，但户外仍然无法满足人们使用手机的用电需求，利用新能源在户外给手机充电受到越来越多人的关注，本发明针对目前市场上对手机充电的光伏系统对太阳能的利用率低，结构复杂，价格昂贵的问题，设计了一种结构，携带方便，价格低廉，控制灵活的太阳能手机充电系统，满足户外对手机充电的需求。
目前的利用太阳能给手机充电有以下几种方案：(1)利用电源管理芯片和升降压芯片，将太阳能电池板端电压降压或升压给手机直接充电，这种充电方式，虽然结构简单，但对太阳能的利用率不高，在太阳良好的情况下只有少部分的太阳能被利用，大部分的太阳能被浪费，不符合高效利用理念。
(2)采用太阳能最大功率跟踪芯片和电源管理芯片等集成电路给手机充电，这种充电方式能够很好的对太阳能进行利用，并且能够稳定的给手机充电，但是整个充电系统设计复杂，成本高，不符合大众消费。
(3)采用单片机、ARM、DSP等控制器与电源管理芯片等集成电路结合，但存在部分算法陈旧，跟踪速度慢，扰动较大，功率损耗大，成本高等缺点。
(4)另外还有太阳能无线充电器等方式，这种方式通过线圈将电能以无线电方式传输，虽然免去了接线的麻烦，但是结构复杂，且成本较高，且只能将手机放在无线接收端充电，当有距离时，电能损耗较大，无法满足在充电的时候使用手机，给使用者带来不便。
为了实现太阳能的高效利用，减小成本，优化结构，设计采用开关电源芯片和ARM集成芯片，综合设计可以达到既能对手机充电又能实现最大效率利用太阳能，并且成本低的目的，实现户外无220V交流电的情况下及时对手机充电，这种方法控制灵活，结构简单，便于生产，符合大众消费标准，实现智能管理，对充电储能过程有效保护，电路损耗小，是一种有效的充电方法，因此高效可靠的利用太阳能并给手机充电是该设计的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，不仅能够对手机稳定充电，而且实现太阳能电池板的最大功率输出，使太阳能电池板输出工作在最大功率输出点上，实现太阳能的迅速高效利用，将能量转移到储能电池和手机，并且当储能电池充满或充电异常时，电路能够对手机和储能电池进行有效保护，提高了手机充电的效率和可靠性。本发明电路结构简单，控制方法灵活，便于携带，成本低廉，能够实现对太阳能电池最大功率有效跟踪，并全天候为手机高效可靠的充电。
本发明的技术方案是：一种基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，其特征是：电源系统包括太阳能电池板、辅助电源电路、驱动电路、充电电路、保护电路、储能蓄电池和稳压充电电路，
充电电路基本拓扑为Buck电路，二极管D2，由电感L，电容C2，开关管IR540，采样电阻R1、R2、R3、R4、R5及ARM控制芯片组成，其中采样电阻R1、R2串联后与储能电容C1并联，采样电阻R4、R5串联后接在电容C2两端，充电电路将电容C2能量转移给储能蓄电池，再经过稳压给手机充电；
保护电路由三端可调稳压基准源TL431和光电耦合器PC817组成，当储能蓄电池充满时，对蓄电池两端电压采样，经程序处理ARM输出相应PWM波控制开关管的导通时间，对储能蓄电池浮充保护；
驱动电路由电阻R14、R15、R16、三极管Q1、Q2、Q3组成，将ARM控制芯片输出的PWM波放大输出，控制开关管IR540导通与关断，R14、R15分压，提高了Q1基极的导通门限，防止PWM波误触发，提高了驱动的可靠性；
太阳能电池板正极通过二极管D1接到储能电容C1正极，二极管D1将太阳能电池板与储能蓄电池和手机隔离，保护太阳能电池板，太阳能电池板负极与采样电阻R3和储能电容C1负极相接；
辅助电源电路由LM2596将太阳能端电压电压降压到5V一路给ARM芯片供电，另一路给光电耦合器供电；
稳压充电电路由LM2596开关控制芯片控制，提供稳定5V输出电压对手机充电。
其中采样电阻R1、R2串联后与储能电容C1并联，通过采样电阻R1、R2间的电压，经过电阻R10、R11、R12、电容C5、C6有源同向比例放大器，将太阳能电池板输出电压信号放大滤波处理传递给ARM控制芯片，通过采样电阻R3上的电压获得太阳能电池板输出电流，将采样的电流信号经过电阻R7、R8、R9、电容C3、C4组成的二级低通滤波器处理传给ARM控制芯片，ARM控制芯片将采样的电压电流信号分析处理产生不同占空比的PWM波，控制开关管IR540的导通与关断，从而控制电容C2两端电压稳定输出，使太阳能电池板以最大功率输出。
其中采样电阻R4、R5串联后接在电容C2两端，通过采样电容C2两端电压对储能蓄电池充电保护，当储能蓄电池充满电时两端电压接近6V，三端可调稳压基准源TL431与光电耦合器PC817配合将输出电压信号实时传给ARM控制芯片，经过程序判断处理对开关管IR540控制，从而对储能蓄电池充电保护。
当储能蓄电池电压小于最大设定电压时系统为储能蓄电池和手机充电，当储能蓄电池电压大于或等于最大电压时，系统启动浮充保护，一段时间后，停止给储能蓄电池充电，实现对储能蓄电池充电智能管理，保护储能蓄电池过冲损坏。
对储能蓄电池浮充保护方法为：采用最优梯度法的滞环比较改进算法，通过改进，变化步长自动寻优，当工作点位于最大功率点左侧或右侧偏远位置时，两次斜率均大于1，两个大于1的数值乘积更大，使得步长更大，最大功率跟踪速度更快；当工作点位于最大功率点附近时，两次斜率的值均小于1，两个小于1的数值乘积更小，则使得在最大功率点附近的扰动更加稳定。
本发明优点体现在：
(1)采用太阳能电池板给手机充电的方式，满足了户外无交流电源无法对手机充电的要求，当阴天或晚上无太阳时，储能电池里的电能够为手机充电，当太阳光线良好既能给手机又能给储能电池蓄能，能够全天候为手机充电，弥补手机电池容量不足的问题。
(2)充电电路实现了太阳能电池板的最大功率跟踪，提高了太阳能的利用率，在短时间内实现对手机最大效率的充电，节约了充电时间，并减小了太阳能电池板的面积，方便户外携带。
(3)充电系统硬件电路设计采用换位开关管的Buck电路结构，使开关驱动简单，电路中采用开关电源控制芯片为ARM供电，降低系统损耗。
(4)充电系统软件设计对蓄电池充电有保护功能，当蓄电池电压小于最大设定电压时系统为蓄电池和手机充电，当蓄电池电压大于或等于最大电压时，系统启动浮充保护，一段时间后，停止给蓄电池充电，实现对蓄电池充电智能管理，保护蓄电池过冲损坏，功率损耗更小，整个软件控制系统方便有效，可靠性高。
(5)同一充电系统，可以以最大功率为不同品牌的手机充电，以便满足广大不同手机用户的续航需求，保证手机使用者户外的电量充足。
附图内容
图1是本发明的整体系统原理图。
图2是改进的MPPT程序跟踪流程图。
图3-1是普通扰动法得到的功率曲线仿真图。
图3-2是本发明改进方法得到的功率曲线仿真图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的内容做进一步说明。
如图1所示，基于ARM控制的手机充电电源系统包括太阳能电池板、辅助电源电路、驱动电路、充电电路、保护电路、储能蓄电池和稳压充电电路。
保护二极管D1为肖特基管，储能电容C1为大容量电解电容，太阳能电池板选用规格为10W/18V。充电电路基本拓扑为Buck电路，二极管D2，由电感L，电容C2，开关管IR540，采样电阻R1、R2、R3、R4、R5及ARM控制芯片组成，可以控制电容C2端电压，并将能量给蓄电池或手机充电，蓄电池选用6V，C2选用16V/220uF的电解电容，减小输出纹波。采样电阻R4、R5采样输出电压，通过三端稳压源与光电耦合器PC817耦合到ARM控制芯片，经过程序分析处理，输出相应的占空比以控制充电电路的工作与停止，从而实现对储能电池充电、检测与保护。
太阳能电池板正极通过二极管D1接到储能电容C1正极，二极管D1起到太阳能板与后级负载隔离并防止电流倒灌而损害太阳能电池板的作用，太阳能电池板负极通过电流采样电阻R3与电容C3负极相接。
储能电容C1后接充电电路，通过分析计算BUCK输入输出关系，确定有输入电压，输出电压和占空比的关系为Vo＝DVi，通过采样太阳能端电压和输出电流，确定输出功率判断最大功率点电压即太阳能端电压，调整占空比，控制开关管IR540的导通与关断，使电容C2的电压稳定，将储能电容C1中的电能经过充电电路转移到储能蓄电池和手机负载中，完成电能的转移，实现太阳能电池板最大功率充电。ARM控制芯片通过采样电阻R1与R2间的电压和R3两端电压，确定太阳能输出电压和输出电流，经过分析比较，计算出不同占空比的方波，使储能电容C1两端的电压稳定在最大功率输出点上，此处为18V，此时太阳能电池板的输出功率达到最大值，当光照，温度等环境因素发生变化时太阳能的输出电压在相应调整，实现太阳能电池板最大功率跟踪并为蓄电池和手机充电。
储能电容C1选择耐压25V,容量1000uF的电解电容，BUCK主电路工作在CCM模式，保证太阳能电池板电流输出连续。根据主电路稳态时电感电流变化量相等有公式[(Vi-Vo)/L]DT＝Vo/L(1-D)T，其中Vi为太阳能输入电压，Vo为输出电压，L为电感，D为占空比，T为工作周期，计算出控制公式Vo＝DVi，对充电系统控制。采样滤波电路集成芯片LM358运算放大器直接由太阳能输出电压供电，满足供电要求。采样电阻R4、R5间电压，输出C2端电压分压信号，通过三端稳压基准源TL431和光电耦合器PC817将分压信号传给ARM，有程序判断，控制开关管IR540的导通与关断，以控制充电电路的工作与停止状态，对C2电容两端电压检测，在电容C2两端电压达到6V时，浮充一段时间后，充电电路停止工作，充电完成，开关管关断，实现对储能电池充电保护。
电路中控制芯片为ARM-STM32RBC6，降压型Buck电路，控制芯片为LM2596，运算放大器为LM358。整个充电电源系统由软硬件结合，具有成本低、可靠性高、功耗低、效率高的特点。
图2是软件设计流程图，上电后，系统初始化，对蓄电池端电压U0检测，如果输出电压U0大于或等于6V时，系统判定蓄电池储能饱和，启动浮充充电，设定固定占空比输出PWM波，一段时间后，系统关闭，充电过程结束，对储能蓄电池进行保护，如果输出电压U0小于6V，系统检测当前光伏电压Uk，电流Ik，初始化标识变量M，以最有梯度法为基础，计算自动寻优的变化步长，检测下一次电压Uk+1，Ik+1，随后检测上一次电压Uk-1，电流Ik-1并计算上一次功率Pk-1，当前功率Pk，下一次功率Pk+1，然后系统判断当前功率Pk与下一次的功率Pk+1的关系，若Pk+1<Pk则对标识变量M减一并保存，反之对标识变量M加一并保存，再判断Pk与Pk-1，若大于，则M减一并保存，反之M加一并保存，当M为2时，表示下一周期的电压参考值为Uk+1，当M为0时，表示下一周期的参考电压为Uk，当M为-2时，表示下一周期的参考电压为Uk-1，得到参考电压后清零M，返回下一个周期。将得到的参考电压带入公式得到相应的占空比，输出PWM脉冲波控制开关管的导通与关断，从而实现对太阳能电池输出功率的跟踪，实验表明当环境变化时程序能够有效实现功率跟踪，并比普通的扰动法更加稳定，达到设计目标。
图3-1是普通扰动法得到的功率曲线，存在上下波动较为明显，功率损耗大，图3-2是最优梯度与滞环比较法的改进方法得到的功率曲线平滑，没有出现上下波动，没有因上下扰动产生的功率损耗。
Claims (4)
1.一种基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，其特征是：电源系统包括太阳能电池板、辅助电源电路、驱动电路、充电电路、保护电路、储能蓄电池和稳压充电电路，
充电电路基本拓扑为Buck电路，二极管D2，由电感L，电容C2，开关管IR540，采样电阻R1、R2、R3、R4、R5及ARM控制芯片组成，其中采样电阻R1、R2串联后与储能电容C1并联，采样电阻R4、R5串联后接在电容C2两端，充电电路将电容C2能量转移给储能蓄电池，再经过稳压给手机充电；
保护电路由三端可调稳压基准源TL431和光电耦合器PC817组成，当储能蓄电池充满时，对蓄电池两端电压采样，经程序处理ARM输出相应PWM波控制开关管的导通时间，对储能蓄电池浮充保护；对储能蓄电池浮充保护方法为：采用最优梯度法的滞环比较改进算法，通过改进，变化步长自动寻优，当工作点位于最大功率点左侧或右侧偏远位置时，两次斜率均大于1，两个大于1的数值乘积更大，使得步长更大，最大功率跟踪速度更快；当工作点位于最大功率点附近时，两次斜率的值均小于1，两个小于1的数值乘积更小，则使得在最大功率点附近的扰动更加稳定；
驱动电路由电阻R14、R15、R16、三极管Q1、Q2、Q3组成，将ARM控制芯片输出的PWM波放大输出，控制开关管IR540导通与关断，R14、R15分压，提高了Q1基极的导通门限，防止PWM波误触发，提高了驱动的可靠性；
太阳能电池板正极通过二极管D1接到储能电容C1正极，二极管D1将太阳能电池板与储能蓄电池和手机隔离，保护太阳能电池板，太阳能电池板负极与采样电阻R3和储能电容C1负极相接；
辅助电源电路由LM2596将太阳能端电压降压到5V一路给ARM芯片供电，另一路给光电耦合器供电；
稳压充电电路由LM2596开关控制芯片控制，提供稳定5V输出电压对手机充电。
2.如权利要求1所述的基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，其特征是：采样电阻R1、R2串联后与储能电容C1并联，通过采样电阻R1、R2间的电压，经过电阻R7、R8、R9、电容C3、C4有源同向比例放大器，将太阳能电池板输出电压信号放大滤波处理传递给ARM控制芯片，通过采样电阻R3上的电压获得太阳能电池板输出电流，将采样的电流信号经过电阻R10、R11、R12、电容C5、C6组成的二级低通滤波器处理传给ARM控制芯片，ARM控制芯片将采样的电压电流信号分析处理产生不同占空比的PWM波，控制开关管IR540的导通与关断，从而控制电容C2两端电压稳定输出，使太阳能电池板以最大功率输出。
3.如权利要求1所述的基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，其特征是：采样电阻R4、R5串联后接在电容C2两端，通过采样电容C2两端电压对储能蓄电池充电保护，当储能蓄电池充满电时两端电压接近6V，三端可调稳压基准源TL431与光电耦合器PC817配合将输出电压信号实时传给ARM控制芯片，经过程序判断处理对开关管IR540控制，从而对储能蓄电池充电保护。
4.如权利要求1所述的基于ARM控制的太阳能手机充电电源系统，其特征是：当储能蓄电池电压小于最大设定电压时系统为储能蓄电池和手机充电，当储能蓄电池电压大于或等于最大电压时，系统启动浮充保护，一段时间后，停止给储能蓄电池充电，实现对储能蓄电池充电智能管理，保护储能蓄电池过冲损坏。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190315 Termination date: 20200628 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |