基于51单片机的电动车手机充电器设计

摘要：在全球提倡环保和低碳节能的重要时期，骑自行车或电动车的人也越来越普遍。给出了一种利用电动车的太阳能电池板作为电源，以单片机为主控部件设计电动车车载手机充电器的设计方法。该充电器使用闭环控制，控制精度高，有自我调节能力，具有一定的实用性和市场前景。
关键词：太阳能电池；车载充电器；闭环控制；PWM脉宽调制

0 引言
    众所周知，现在车载充电器在汽车产业中是非常普遍。在全球提倡环保和低碳节能的重要时期，骑自行车或电动自行车的人也越来越普遍，然而，现在的电动自行车都没有为手机充电的功能，因此，设计一种电动自行车车载手机充电器无疑是非常有必要的。本文就是利用电动车的太阳能电池板作为电源，设计一种种电动车车载手机充电器，以使骑电动车的人不再为手机充电发愁。

1 系统原理
    在电动车的车篮上方位置处安装一块太阳能电池板套件，再将单片机控制电路与套件通过线路相连接，在太阳光充足的情况下，太阳能电池板可以工作，将吸收来的光辐射转换电能，为单片机控制电路提供电流和电压，再通过单片机控制电路为手机充电。太阳能电池板套件工作时，既可以为充电器单路提供电源，也可以为电动车的其他显示器件如电动车的实时显示盘提供电源。

2 系统硬件设计
    系统的硬件电路主要包括太阳能电池板套件、电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，整个系统形成了一个闭环系统。单片机是电路的主要控制部分，PWM电路是整个电路的核心。图1所示是该充电器的电路框图。

2．1 取样电路
    本设计采用51系列的AT89C51单片机作为处理器，主要功能是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压、电流以及电池的充电状态，通过计算决定如何对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。同时，为了检测系统的电流，采用了精度较高的电流电压转换芯片MAX472，可实现单片机的精确控制。电压和电流采样采用串行模／数转换器TLC0834，并采用5 V基准电压用地址逻辑多路器选通的4或8输入通道单5V供电。
2．2 PWM控制电路
    控制电路采用脉宽调制(PWM)方式来控制供电电流的大小。PWM控制主要由单片机输出的PWM波通过控制电路实现，和主控制器采用中断的方式进行通讯，实时控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。其中，开关管、二极管、LC电路构成开关稳压电源，以减小电源功耗，便于进行数字化控制。PWM控制电路如图2所示。

3 电池充电原理
    手机电池多为锂离子电池，图3所示是锂电池的充电曲线。该曲线共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。以800 mA．h容量的电池为例，其终止充电电压为4．2V。首先用1／10 C(约80 mA)的电池进行恒流预充，当电池端电压达到低压门限后，以800 mA(充电率为1 C)恒流充电。开始时，电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4．2 V时，改成4．2 V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1／10 C(约80 m A)时，接近充满，终止充电。

4 寻找太阳能最大输出功率点
    太阳能电池板所提供的功率高度依赖于其工作环境。在不同的环境条件下，太阳能最大输出功率有很大差别。为了提高太阳能电池的输出效率，一般采用三点权位比较法来寻找最大功率点，以保证太阳能电池的最大输出功率。

    具体的做法是：首先采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算出此时的功率，然后继续采集。图4所示是三点权位比较法中最大功率点附近数据状态。先用C点与B点比较，如比B点大或相等，就给一个正号权位；如比B点小，就给一个负号权位。而A点如比B点大或相等，就给一个负号权位；如A点比B点小，就给一个正号权位。当三点比较完之后，如有两个正号权位，则属正斜率，应当增大输出电压，提高输出功率；如有两个负号权位，则属负斜率，应当减小输出电压，提高输出功率；如权位为零即为一正一负，表示达到顶点，不做任何变动。A、B、C三点的功率值的取法为先取B点的功率为立足点，那么先读取C点功率，再从C点返回读取A点功率。连续检测三点的功率值并比较其大小，再计算出权位值，经由权位值来判定立足点要往C点移动、A点移动或不移动。

5 软件设计及流程
    本设计采用的太阳能电池板的输出电压是9 V，而充电电池的最高输入电压要求不能高于4.2 V。为了保护电池，应先把输出的电压从低到高逐渐增加，这样，固定定时器1的周期，改变定时器0的周期，就会产生不同占空比的方波。图5所示是本系统的控制逻辑电路软件流程图。

6 结语
    采用单片机作为处理器，结合其他芯片及电路构成的电动车太阳能车载手机充电器，采用PWM电压输出，具有控制灵活、带载能力强、稳定性高的优点。该充电器使用闭环控制，控制精度高，并具有自我调节能力，可以自动寻找太阳能电池板的最大输出功率点，提高手机电池使用效率，延长使用寿命，因而具有一定的应用价值和市场前景。