基于arm控制的太陽能手機充電電源系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，主電路采用換位開關管的Buck拓撲結構，軟件設計采用最優梯度的滯環比較改進法來實現MPPT的控制，不僅實現對手機充電功能，而且實現太陽能的迅速高效利用，滿足了人們在戶外沒有交流電源的情況下對手機充電的需求。本發明電路結構簡單，控制方法靈活，便于攜帶，成本低廉，能夠實現對太陽能電池最大功率有效跟蹤，并全天候為手機高效可靠的充電。
【專利說明】
基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統
技術領域
[0001]本發明屬于電源技術領域，具體涉及一種基于ARM控制系統來實現太陽能電池最大功率點跟蹤的手機充電電源。
【背景技術】
[0002]目前家用手機充電器各式各樣，性能優異，隨著人們對手機的使用增多，手機電池的容量成為人們關心的問題，雖然市場上有各種充電儲能設備，但戶外仍然無法滿足人們使用手機的用電需求，利用新能源在戶外給手機充電受到越來越多人的關注，本發明針對目前市場上對手機充電的光伏系統對太陽能的利用率低，結構復雜，價格昂貴的問題，設計了一種結構，攜帶方便，價格低廉，控制靈活的太陽能手機充電系統，滿足戶外對手機充電的需求。
[0003]目前的利用太陽能給手機充電有以下幾種方案:(I)利用電源管理芯片和升降壓芯片，將太陽能電池板端電壓降壓或升壓給手機直接充電，這種充電方式，雖然結構簡單，但對太陽能的利用率不高，在太陽良好的情況下只有少部分的太陽能被利用，大部分的太陽能被浪費，不符合高效利用理念。
[0004](2)采用太陽能最大功率跟蹤芯片和電源管理芯片等集成電路給手機充電，這種充電方式能夠很好的對太陽能進行利用，并且能夠穩定的給手機充電，但是整個充電系統設計復雜，成本高，不符合大眾消費。
[0005](3)采用單片機、ARM、DSP等控制器與電源管理芯片等集成電路結合，但存在部分算法陳舊，跟蹤速度慢，擾動較大，功率損耗大，成本高等缺點。
[0006](4)另外還有太陽能無線充電器等方式，這種方式通過線圈將電能以無線電方式傳輸，雖然免去了接線的麻煩，但是結構復雜，且成本較高，且只能將手機放在無線接收端充電，當有距離時，電能損耗較大，無法滿足在充電的時候使用手機，給使用者帶來不便。
[0007]為了實現太陽能的高效利用，減小成本，優化結構，設計采用開關電源芯片和ARM集成芯片，綜合設計可以達到既能對手機充電又能實現最大效率利用太陽能，并且成本低的目的，實現戶外無220V交流電的情況下及時對手機充電，這種方法控制靈活，結構簡單，便于生產，符合大眾消費標準，實現智能管理，對充電儲能過程有效保護，電路損耗小，是一種有效的充電方法，因此高效可靠的利用太陽能并給手機充電是該設計的關鍵技術。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，不僅能夠對手機穩定充電，而且實現太陽能電池板的最大功率輸出，使太陽能電池板輸出工作在最大功率輸出點上，實現太陽能的迅速高效利用，將能量轉移到儲能電池和手機，并且當儲能電池充滿或充電異常時，電路能夠對手機和儲能電池進行有效保護，提高了手機充電的效率和可靠性。本發明電路結構簡單，控制方法靈活，便于攜帶，成本低廉，能夠實現對太陽能電池最大功率有效跟蹤，并全天候為手機高效可靠的充電。
[0009]本發明的技術方案是:一種基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:電源系統包括太陽能電池板、輔助電源電路、驅動電路、充電電路、保護電路、儲能蓄電池和穩壓充電電路，
[0010]充電電路基本拓撲為Buck電路，二極管D2，由電感L，電容C2，開關管IR540，采樣電阻尺1、1?2、1?3、1?4、1?5及41?1控制芯片組成，其中采樣電阻1?1、1?2串聯后與儲能電容(:1并聯，采樣電阻R4、R5串聯后接在電容C2兩端，充電電路將電容C2能量轉移給儲能蓄電池，再經過穩壓給手機充電；
[0011]保護電路由三端可調穩壓基準源TL431和光電耦合器PC817組成，當儲能蓄電池充滿時，對蓄電池兩端電壓采樣，經程序處理ARM輸出相應PWM波控制開關管的導通時間，對儲能蓄電池浮充保護；
[0012]驅動電路由電阻R14、R15、R16、三極管Q1、Q2、Q3組成，將ARM控制芯片輸出的PffM波放大輸出，控制開關管IR540導通與關斷，R14、R15分壓，提高了Ql基極的導通門限，防止PWM波誤觸發，提高了驅動的可靠性；
[0013]太陽能電池板正極通過二極管Dl接到儲能電容Cl正極，二極管Dl將太陽能電池板與儲能蓄電池和手機隔離，保護太陽能電池板，太陽能電池板負極與采樣電阻R3和儲能電容Cl負極相接；
[0014]輔助電源電路由LM2596將太陽能端電壓電壓降壓到5V—路給ARM芯片供電，另一路給光電耦合器供電；
[0015]穩壓充電電路由LM2596開關控制芯片控制，提供穩定5V輸出電壓對手機充電。
[0016]其中采樣電阻Rl、R2串聯后與儲能電容Cl并聯，通過采樣電阻Rl、R2間的電壓，經過電阻1?10、1?11、1?12、電容C5、C6有源同向比例放大器，將太陽能電池板輸出電壓信號放大濾波處理傳遞給ARM控制芯片，通過采樣電阻R3上的電壓獲得太陽能電池板輸出電流，將采樣的電流信號經過電阻1?7、1?8、1?9、電容03工4組成的二級低通濾波器處理傳給41?1控制芯片，ARM控制芯片將采樣的電壓電流信號分析處理產生不同占空比的PWM波，控制開關管IR540的導通與關斷，從而控制電容C2兩端電壓穩定輸出，使太陽能電池板以最大功率輸出。
[0017]其中采樣電阻R4、R5串聯后接在電容C2兩端，通過采樣電容C2兩端電壓對儲能蓄電池充電保護，當儲能蓄電池充滿電時兩端電壓接近6V，三端可調穩壓基準源TL431與光電耦合器PC817配合將輸出電壓信號實時傳給ARM控制芯片，經過程序判斷處理對開關管IR540控制，從而對儲能蓄電池充電保護。
[0018]當儲能蓄電池電壓小于最大設定電壓時系統為儲能蓄電池和手機充電，當儲能蓄電池電壓大于或等于最大電壓時，系統啟動浮充保護，一段時間后，停止給儲能蓄電池充電，實現對儲能蓄電池充電智能管理，保護儲能蓄電池過沖損壞。
[0019]對儲能蓄電池浮充保護方法為:采用最優梯度法的滯環比較改進算法，通過改進，變化步長自動尋優，當工作點位于最大功率點左側或右側偏遠位置時，兩次斜率均大于I，兩個大于I的數值乘積更大，使得步長更大，最大功率跟蹤速度更快；當工作點位于最大功率點附近時，兩次斜率的值均小于1，兩個小于I的數值乘積更小，則使得在最大功率點附近的擾動更加穩定。
[0020]本發明優點體現在:
[0021](I)采用太陽能電池板給手機充電的方式，滿足了戶外無交流電源無法對手機充電的要求，當陰天或晚上無太陽時，儲能電池里的電能夠為手機充電，當太陽光線良好既能給手機又能給儲能電池蓄能，能夠全天候為手機充電，彌補手機電池容量不足的問題。
[0022](2)充電電路實現了太陽能電池板的最大功率跟蹤，提高了太陽能的利用率，在短時間內實現對手機最大效率的充電，節約了充電時間，并減小了太陽能電池板的面積，方便戶外攜帶。
[0023](3)充電系統硬件電路設計采用換位開關管的Buck電路結構，使開關驅動簡單，電路中采用開關電源控制芯片為ARM供電，降低系統損耗。
[0024](4)充電系統軟件設計對蓄電池充電有保護功能，當蓄電池電壓小于最大設定電壓時系統為蓄電池和手機充電，當蓄電池電壓大于或等于最大電壓時，系統啟動浮充保護，一段時間后，停止給蓄電池充電，實現對蓄電池充電智能管理，保護蓄電池過沖損壞，功率損耗更小，整個軟件控制系統方便有效，可靠性高。
[0025](5)同一充電系統，可以以最大功率為不同品牌的手機充電，以便滿足廣大不同手機用戶的續航需求，保證手機使用者戶外的電量充足。
[0026]附圖內容
[0027]圖1是本發明的整體系統原理圖。
[0028]圖2是改進的MPPT程序跟蹤流程圖。
[0029]圖3-1是普通擾動法得到的功率曲線仿真圖。
[0030]圖3-2是本發明改進方法得到的功率曲線仿真圖。
【具體實施方式】
[0031]以下將結合附圖對本發明的內容做進一步說明。
[0032]如圖1所示，基于ARM控制的手機充電電源系統包括太陽能電池板、輔助電源電路、驅動電路、充電電路、保護電路、儲能蓄電池和穩壓充電電路。
[0033]保護二極管Dl為肖特基管，儲能電容Cl為大容量電解電容，太陽能電池板選用規格為10W/18V。充電電路基本拓撲為Buck電路，二極管D2，由電感L，電容C2，開關管IR540，采樣電阻1?1、1?2、1?3、1?4、1?5及41?1控制芯片組成，可以控制電容02端電壓，并將能量給蓄電池或手機充電，蓄電池選用6V，C2選用16V/220uF的電解電容，減小輸出紋波。采樣電阻R4、R5采樣輸出電壓，通過三端穩壓源與光電耦合器PC817耦合到ARM控制芯片，經過程序分析處理，輸出相應的占空比以控制充電電路的工作與停止，從而實現對儲能電池充電、檢測與保護。
[0034]太陽能電池板正極通過二極管Dl接到儲能電容Cl正極，二極管Dl起到太陽能板與后級負載隔離并防止電流倒灌而損害太陽能電池板的作用，太陽能電池板負極通過電流采樣電阻R3與電容C3負極相接。
[0035]儲能電容Cl后接充電電路，通過分析計算BUCK輸入輸出關系，確定有輸入電壓，輸出電壓和占空比的關系為Vc1 = DVi,通過采樣太陽能端電壓和輸出電流，確定輸出功率判斷最大功率點電壓即太陽能端電壓，調整占空比，控制開關管IR540的導通與關斷，使電容C2的電壓穩定，將儲能電容Cl中的電能經過充電電路轉移到儲能蓄電池和手機負載中，完成電能的轉移，實現太陽能電池板最大功率充電ARM控制芯片通過采樣電阻Rl與R2間的電壓和R3兩端電壓，確定太陽能輸出電壓和輸出電流，經過分析比較，計算出不同占空比的方波，使儲能電容Cl兩端的電壓穩定在最大功率輸出點上，此處為18V，此時太陽能電池板的輸出功率達到最大值，當光照，溫度等環境因素發生變化時太陽能的輸出電壓在相應調整，實現太陽能電池板最大功率跟蹤并為蓄電池和手機充電。
[0036]儲能電容Cl選擇耐壓25V，容量100uF的電解電容，BUCK主電路工作在CCM模式，保證太陽能電池板電流輸出連續。根據主電路穩態時電感電流變化量相等有公式[(V1-Vo) /L]DT = Vo/L(l-D)T，其中Vi為太陽能輸入電壓，V。為輸出電壓，L為電感，D為占空比，T為工作周期，計算出控制公式Vc1 = DVi,對充電系統控制。采樣濾波電路集成芯片LM358運算放大器直接由太陽能輸出電壓供電，滿足供電要求。采樣電阻R4、R5間電壓，輸出C2端電壓分壓信號，通過三端穩壓基準源TL431和光電耦合器PC817將分壓信號傳給ARM，有程序判斷，控制開關管IR540的導通與關斷，以控制充電電路的工作與停止狀態，對C2電容兩端電壓檢測，在電容C2兩端電壓達到6V時，浮充一段時間后，充電電路停止工作，充電完成，開關管關斷，實現對儲能電池充電保護。
[0037]電路中控制芯片為ARM-STM32RBC6，降壓型Buck電路，控制芯片為LM2596，運算放大器為LM358。整個充電電源系統由軟硬件結合，具有成本低、可靠性高、功耗低、效率高的特點。
[0038]圖2是軟件設計流程圖，上電后，系統初始化，對蓄電池端電壓Uo檢測，如果輸出電壓Uo大于或等于6V時，系統判定蓄電池儲能飽和，啟動浮充充電，設定固定占空比輸出PWM波，一段時間后，系統關閉，充電過程結束，對儲能蓄電池進行保護，如果輸出電壓Uo小于6V，系統檢測當前光伏電壓Uk，電流Ik，初始化標識變量M，以最有梯度法為基礎，計算自動尋優的變化步長，檢測下一次電壓Uk+1，Ik+i，隨后檢測上一次電壓U1^1，電流Ik-!并計算上一次功率P1^1，當前功率Pk，下一次功率Pk+1，然后系統判斷當前功率Pk與下一次的功率Pk+1的關系，若Pk+1〈Pk則對標識變量M減一并保存，反之對標識變量M加一并保存，再判斷Pk與Pi^1，若大于，則M減一并保存，反之M加一并保存，當M為2時，表示下一周期的電壓參考值為Uk+1，當M為O時，表不下一周期的參考電壓為Uk，當M為-2時，表不下一周期的參考電壓為Uk-1，得到參考電壓后清零M，返回下一個周期。將得到的參考電壓帶入公式得到相應的占空比，輸出PWM脈沖波控制開關管的導通與關斷，從而實現對太陽能電池輸出功率的跟蹤，實驗表明當環境變化時程序能夠有效實現功率跟蹤，并比普通的擾動法更加穩定，達到設計目標。
[0039]圖3-1是普通擾動法得到的功率曲線，存在上下波動較為明顯，功率損耗大，圖3-2是最優梯度與滯環比較法的改進方法得到的功率曲線平滑，沒有出現上下波動，沒有因上下擾動產生的功率損耗。
【主權項】
1.一種基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:電源系統包括太陽能電池板、輔助電源電路、驅動電路、充電電路、保護電路、儲能蓄電池和穩壓充電電路， 充電電路基本拓撲為Buck電路，二極管D2，由電感L，電容C2，開關管IR540，采樣電阻尺1、1?2、1?、1?4、1?5及厶1?1控制芯片組成，其中采樣電阻1?1、1?2串聯后與儲能電容(:1并聯，采樣電阻R4、R5串聯后接在電容C2兩端，充電電路將電容C2能量轉移給儲能蓄電池，再經過穩壓給手機充電； 保護電路由三端可調穩壓基準源TL431和光電耦合器PC817組成，當儲能蓄電池充滿時，對蓄電池兩端電壓采樣，經程序處理ARM輸出相應PffM波控制開關管的導通時間，對儲能蓄電池浮充保護； 驅動電路由電阻R14、R15、R16、三極管Q1、Q2、Q3組成，將ARM控制芯片輸出的PffM波放大輸出，控制開關管IR540導通與關斷，R14、R15分壓，提高了Ql基極的導通門限，防止PffM波誤觸發，提尚了驅動的可靠性； 太陽能電池板正極通過二極管Dl接到儲能電容Cl正極，二極管Dl將太陽能電池板與儲能蓄電池和手機隔離，保護太陽能電池板，太陽能電池板負極與采樣電阻R3和儲能電容Cl負極相接； 輔助電源電路由LM2596將太陽能端電壓電壓降壓到5V—路給ARM芯片供電，另一路給光電親合器供電； 穩壓充電電路由LM2596開關控制芯片控制，提供穩定5V輸出電壓對手機充電。2.如權利要求1所述的基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:采樣電阻尺1、1?2串聯后與儲能電容(:1并聯，通過采樣電阻1?1、1?2間的電壓，經過電阻1?10、1?11、1?12、電容C5、C6有源同向比例放大器，將太陽能電池板輸出電壓信號放大濾波處理傳遞給ARM控制芯片，通過采樣電阻R3上的電壓獲得太陽能電池板輸出電流，將采樣的電流信號經過電阻R7、R8、R9、電容C3、C4組成的二級低通濾波器處理傳給ARM控制芯片，ARM控制芯片將采樣的電壓電流信號分析處理產生不同占空比的PWM波，控制開關管IR540的導通與關斷，從而控制電容C2兩端電壓穩定輸出，使太陽能電池板以最大功率輸出。3.如權利要求1所述的基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:采樣電阻R4、R5串聯后接在電容C2兩端，通過采樣電容C2兩端電壓對儲能蓄電池充電保護，當儲能蓄電池充滿電時兩端電壓接近6V，三端可調穩壓基準源TL431與光電耦合器PC817配合將輸出電壓信號實時傳給ARM控制芯片，經過程序判斷處理對開關管IR540控制，從而對儲能蓄電池充電保護。4.如權利要求1所述的基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:當儲能蓄電池電壓小于最大設定電壓時系統為儲能蓄電池和手機充電，當儲能蓄電池電壓大于或等于最大電壓時，系統啟動浮充保護，一段時間后，停止給儲能蓄電池充電，實現對儲能蓄電池充電智能管理，保護儲能蓄電池過沖損壞。5.如權利要求1所述的基于ARM控制的太陽能手機充電電源系統，其特征是:對儲能蓄電池浮充保護方法為:采用最優梯度法的滯環比較改進算法，通過改進，變化步長自動尋優，當工作點位于最大功率點左側或右側偏遠位置時，兩次斜率均大于I，兩個大于I的數值乘積更大，使得步長更大，最大功率跟蹤速度更快；當工作點位于最大功率點附近時，兩次斜率的值均小于I，兩個小于I的數值乘積更小，則使得在最大功率點附近的擾動更加穩定。
【文檔編號】H02J7/00GK105958600SQ201610495989
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】程紅麗, 范擴軍, 郭媛媛, 王劍楠
【申請人】西安科技大學