專(zhuān)利名稱(chēng)：環(huán)保能源收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于單片機(jī)控制電路工作收集能源領(lǐng)域，特別是提供一種環(huán)保能源電能收集充電器使其以最大的功率對(duì)能源進(jìn)行收集。
背景技術(shù)：
當(dāng)輸入電壓處于0. 7V 3. 6V系統(tǒng)啟動(dòng)泵升電路提升電壓使AVR單片機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，單片機(jī)啟動(dòng)后輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)升壓電路升壓后輸出充電，而當(dāng)輸入電壓處于IOV 20V時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)降壓電路進(jìn)行降壓輸出充電。在系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，單片機(jī)系統(tǒng)首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部份進(jìn)行初始化，包括IO 口的設(shè)置，看門(mén)狗設(shè)置，中斷系統(tǒng)的初始化，AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)置，定時(shí)器的設(shè)置，硬件PWM控制器的初始化等等，使系統(tǒng)能正確地進(jìn)入工作模式。接著檢 測(cè)輸入端電壓，判斷當(dāng)前是工作在升壓模式還是降壓模式，輸出控制電平并選擇相應(yīng)的控制通道。在輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)之前根據(jù)之前檢測(cè)的軟入端電壓值計(jì)算出相就的最大輸出功率期望值，并以此來(lái)調(diào)節(jié)控制信號(hào)占空比。輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)升(降)壓電路。接著調(diào)用功率匹配函數(shù)，使系統(tǒng)功率輸出達(dá)到最大值。在系統(tǒng)功率達(dá)到最大值之后，單片機(jī)會(huì)讀取間歇時(shí)間設(shè)定值，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最小功耗運(yùn)行系統(tǒng)，并等待定時(shí)喚醒或是按鍵喚醒。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID(比例、積分、微分)算法控制，縮短對(duì)直流電源匕的采集時(shí)間，減小超調(diào)量，高效地對(duì)能源進(jìn)行收集。當(dāng)輸入電壓低于單片機(jī)啟動(dòng)電壓時(shí)，系統(tǒng)采用泵升技術(shù)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行升壓充電，而當(dāng)電壓達(dá)到比較高的電壓一定值時(shí)，啟動(dòng)降壓充電功能。利用單片機(jī)控制電路。通過(guò)AD采樣阻抗匹配值給單片機(jī)，結(jié)合模糊PID參數(shù)自整定算法，可以隨時(shí)跟蹤電壓的變化，最后輸出控制量，調(diào)節(jié)電壓的PWM占空比，當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)，啟動(dòng)泵升電路啟動(dòng)的功能，使整個(gè)系統(tǒng)又循環(huán)工作，同時(shí)單片機(jī)使用的功耗比較低，在處理時(shí)的運(yùn)算能力強(qiáng)和處理速度很快升降壓斬波電路。本發(fā)明包括由三部分組成降壓電路、升壓電路、啟動(dòng)電路，如圖I。I降壓電路的基本工作原理當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到Es在10 20V之間，立即啟用降壓電路，通過(guò)發(fā)出PWM信號(hào)來(lái)控制Q1MOS管的通斷。當(dāng)t = 0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓Uo = E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升；t = 時(shí)控制Q1關(guān)斷,二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓1 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。如圖2(a)。2升壓電路基本原理當(dāng)Es小于單片機(jī)啟動(dòng)電壓時(shí)，通過(guò)泵升電路啟用單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到Es在I. 2 3. 6V之間，發(fā)出PWM信號(hào)啟用升壓電路，輸出電壓直接給單片機(jī)供電，并輸出高電平關(guān)閉泵升電路。假設(shè)L2和C3值很大；Q2處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L2充電，電流恒定I1，電容C3向負(fù)載供電，輸出電壓Uo恒定；Q2處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L2同時(shí)向電容C3充電，并向負(fù)載提供能量。如圖3(a)。3當(dāng)輸入電壓升到0. 7V時(shí)，電荷泵IC開(kāi)始啟動(dòng)進(jìn)行升壓，輸出電壓經(jīng)主電路的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓輸出4. 7V啟動(dòng)單片機(jī)，單片機(jī)開(kāi)始工作后輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)升壓電路進(jìn)行升壓充電。如圖4(a)。本發(fā)明包括系統(tǒng)通過(guò)按鍵設(shè)置間歇時(shí)間，通過(guò)LED燈閃爍來(lái)表示間歇間隔，當(dāng)然為了省電，也可以把LED燈關(guān)掉。在系統(tǒng)作休眠時(shí)通過(guò)按鍵中斷來(lái)讀取按鍵，并調(diào)整間歇時(shí)間。 本發(fā)明包括后次調(diào)整完功率輸出后系統(tǒng)馬上采集輸出級(jí)的電壓值，如果電壓超過(guò)保護(hù)電壓，系統(tǒng)將停止功率輸出，重新調(diào)節(jié)控制信號(hào)。本發(fā)明包括從子函數(shù)參數(shù)中得到輸入ES的數(shù)值。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到功率匹配時(shí)就有輸出電壓為ES/2.由此我們可得到最大功率匹配時(shí)的前級(jí)電壓值應(yīng)為ES/2.輸出一定占空比的PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，然后再次檢測(cè)前級(jí)電壓值。計(jì)算與期望值的誤差，然后通過(guò)自適應(yīng)模糊PID控制器輸出控制量，得出新的控制信號(hào)。在極其短的時(shí)間內(nèi)使輸出功率達(dá)到最大值，當(dāng)誤差小是1%時(shí)退出子函數(shù)。由于ES變化相當(dāng)緩慢，故當(dāng)功率匹配后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)誤差不會(huì)出現(xiàn)大的變化。本發(fā)明有點(diǎn)在于代替了傳統(tǒng)比較復(fù)雜的充電電路，具有高效率、高電流、高穩(wěn)壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
圖I為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的降壓電路示意圖，其中圖2 (a)為整體降壓電路，圖2(b)為降壓斬波電路。圖3為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的升壓電路示意圖，其中圖3 (a)為整體升壓電路，圖3(b)為升壓斬波電路。圖4為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的啟動(dòng)電路示意圖，其中圖4 (a)為整體啟動(dòng)電路，圖4(b)為自啟動(dòng)電路。
具體實(shí)施例方式圖3 (a)為整體升壓電路。具體實(shí)施時(shí)主要依靠升壓斬波電路圖3(b)。假設(shè)L和C值很大；V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定II，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定；V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為，此階段L上積蓄的能量為EI1U設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為t。#則此期間電感L釋放能量為(U。, I^off穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等= (U0-E) I^off (3-1)化簡(jiǎn)得:U0= -on- ~^off-￡ = ^~E(3-2)
^off尤 offT/Xff > 1，輸出電壓高于電源電壓。T/Xff—升壓比；升壓比的倒數(shù)記作3，即夕
7(3-3)3和0 的關(guān)系 3 + a = l(3-4)因此，式(3-3)可表示為^=>=&(3_5)電壓升高得原因電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用；電容C可將輸出電壓保持住。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即EIi = U0I0輸出電流的平均值I。為7。= -^-=(3-6)電源電流的平均值I。為4 = l^-I0 - JTJ(3一7)圖2 (a)為整體降壓電路。具體實(shí)施時(shí)依靠降壓斬波電路圖2 (b) t = 0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電,負(fù)載電壓1 = E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升；t = 時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，
負(fù)載電壓％近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。數(shù)量關(guān)系V。=-々 fE = t^f-E = (XE(3-8)
tOa + tOfT1I)電流連續(xù)時(shí)的負(fù)載電壓平均值ton——V通的時(shí)間Uf——V斷的時(shí)間a—導(dǎo)通占空比負(fù)載電流平均值/。=(3-9)
K2)電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。在V處于通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為I1，可列出如下方程
T L^+Ri,+EM =E(3-10)
dt設(shè)此階段電流初值為I1Q，T =L/R，解上式得I1 = Il0e r + ———^-(1 - e T )(3-11)
R在V處于斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程
I*L^ + Ri2+EM=0(3—12)
dt設(shè)此階段電流初值為I2。，解上式得
t^tOnpt^oni2 = I2Qe T --^-(1-e 『)(3-13)圖4(a)為整體啟動(dòng)電路。具體實(shí)施時(shí)依靠圖4(b)自啟動(dòng)電路。當(dāng)輸入電壓升到0. 7V時(shí)，電荷泵IC開(kāi)始啟動(dòng)進(jìn)行升壓，輸出電壓經(jīng)主電路的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓輸出4. 7V啟動(dòng)AVR單片機(jī)，單片機(jī)開(kāi)始工作后輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)升壓電路進(jìn)行升壓充電。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保能源電能收集充電器，其特征在于采用泵升電路使輸入電壓處于0. 7V 3.6V時(shí)能啟動(dòng)單片機(jī)(I)輸入PWM信號(hào)開(kāi)關(guān)MOSP管(2)，使用單片機(jī)(I)有內(nèi)置的硬件PWM和AD采集輸出PWM和AD采樣，用其來(lái)控制DC-DC直流變換，通過(guò)AD采樣阻抗匹配值給單片機(jī)(I)，結(jié)合模糊PID參數(shù)自整定算法，可以隨時(shí)跟蹤電壓的變化，最后輸出控制量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種環(huán)保能源電能收集充電器，其特征在于以單片機(jī)(I)為核心，通過(guò)A/D采集輸入電壓值來(lái)調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制升降壓電路的工作，使其以最大的功率對(duì)能源進(jìn)行收集，采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID(比例、積分、微分)算法控制，采用泵升技術(shù)驅(qū)動(dòng)AVR單片機(jī)(I)啟動(dòng)進(jìn)行升壓充電，而當(dāng)電壓達(dá)到比較高的電壓一定值時(shí)，啟動(dòng)降壓充電功能，采用升降壓斬波電路使輸入電壓升高或降低致合適電壓。
全文摘要
本發(fā)明是一種環(huán)保能源收集器，屬于單片機(jī)控制電路工作收集能源領(lǐng)域。系統(tǒng)由三部分組成啟動(dòng)電路、升壓電路、降壓電路。當(dāng)輸入電壓處于0.7V～3.6V系統(tǒng)啟動(dòng)泵升電路提升電壓使AVR單片機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，單片機(jī)啟動(dòng)后輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)升壓電路升壓后輸出充電，而當(dāng)輸入電壓處于10V～20V時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)降壓電路進(jìn)行降壓輸出充電接著檢測(cè)輸入端電壓，判斷當(dāng)前是工作在升壓模式還是降壓模式，輸出控制電平并選擇相應(yīng)的控制通道。接著調(diào)用功率匹配函數(shù)，使系統(tǒng)功率輸出達(dá)到最大值。在系統(tǒng)功率達(dá)到最大值之后，單片機(jī)會(huì)讀取間歇時(shí)間設(shè)定值，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最小功耗運(yùn)行系統(tǒng)，并等待定時(shí)喚醒或是按鍵喚醒。替了傳統(tǒng)比較復(fù)雜的充電電路，具有高效率、高電流、高穩(wěn)壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102780238SQ201110132249
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者傅胤榮, 林浩岳 申請(qǐng)人:韓山師范學(xué)院