陳 巖，譚 婷，高 峰，王克棟，郭 宏

(1.北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048;2.昆山諾金傳感技術(shù)有限公司，江蘇 昆山215300)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)以其覆蓋范圍廣、自組織網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、應(yīng)用可移植等特點(diǎn)為水質(zhì)監(jiān)測的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化提供了有利條件［1］，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)大部分都是采用干電池或蓄電池來供電，因此，節(jié)點(diǎn)在使用過程中需頻繁地對電池進(jìn)行人為的維護(hù)與替換，這樣導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)工作的不連續(xù)性和節(jié)點(diǎn)成本高等問題。

隨著太陽能技術(shù)的越來越成熟，太陽能電池板以其安全可靠、無噪聲、無污染、無地域限制、維護(hù)簡單［2～4］等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展成最有潛力的可再生能源，基于太陽能技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)的研究是解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中供電困難的一大突破。對此，本設(shè)計(jì)提出了基于TI 公司生產(chǎn)的專用于太陽能充電管理集成電路BQ24650 芯片，自動(dòng)控制和管理太陽能電池板對于鋰電池的充電，微處理器控制太陽能電池板和鋰電池分別對負(fù)載供電，由于鋰電池輸出電壓的范圍為10.8 ～12.6 V，設(shè)計(jì)DC/DC 模塊轉(zhuǎn)換為水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所需的電壓。

1 節(jié)點(diǎn)電源總體設(shè)計(jì)

電源模塊的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，太陽能電池對鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池的放電電路以IAP15F2K612S2 單片機(jī)為微處理器，根據(jù)鋰電池的放電電壓監(jiān)測結(jié)果，放電控制電路通過DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊再向負(fù)載供電，以避免鋰電池的欠壓放電;為了進(jìn)一步利用太陽能，當(dāng)太陽能光照充足且鋰電池?zé)o需充電時(shí)，可通過放電控制太陽能板直接通過DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊再向負(fù)載供電，放電控制電路主要由MOS管和外圍電阻構(gòu)成［5～8］。

圖1 電源模塊的總體設(shè)計(jì)Fig 1 Overall design of power module

2 鋰電池充電電路設(shè)計(jì)

2.1 電路原理

采用BQ24650 設(shè)計(jì)的鋰電池組電路可實(shí)現(xiàn)對三節(jié)鋰電池的充電，工作電源為太陽能電池板，芯片TS 引腳監(jiān)測電池組通過分壓電阻器后的分壓值，分壓值與芯片內(nèi)部設(shè)置的電壓閾值進(jìn)行比較，以確定充電是否繼續(xù)，溫度是否正常。

BQ24650 是一種高度集成的開關(guān)模式電池充電控制器，具有可編程動(dòng)態(tài)的最大功率跟蹤點(diǎn)，適用于5 ～28 V 的太陽能電池板［9］。其中，BQ24650 對電池的充電周期包括預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電3 個(gè)階段。預(yù)充電階段在安裝電池并加上電源后且預(yù)充電時(shí)間固定為30 min，預(yù)充電電流為恒流充電電流的1/10;30 min 后進(jìn)入恒流充電階段，恒流充電階段電池兩端的電壓低于恒壓VRECH。當(dāng)充電電壓達(dá)到VRECH時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段。在整個(gè)工作溫度和工作范圍內(nèi)，恒壓的精度為±0.5%，恒流的精度為±3%。當(dāng)鋰電池電壓低于BQ24650 設(shè)定的內(nèi)部限值時(shí)，BQ24650會自動(dòng)重新啟動(dòng)充電周期;當(dāng)太陽能電池板的輸出電壓下降至鋰電池電壓以下時(shí)，BQ24650 自動(dòng)進(jìn)入地靜態(tài)電流休眠模式。

2.2 充電電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的充電電路如圖2。

1)輸入電壓調(diào)節(jié)

本設(shè)計(jì)的輸入電壓由太陽能電池板提供，太陽能電池板在V－I 或V－P 曲線上有一個(gè)獨(dú)特的點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)。整個(gè)光伏系統(tǒng)以最高效運(yùn)作產(chǎn)生其最大輸出功率。BQ24650 采用恒壓運(yùn)算法來跟蹤太陽能電池板的最大功率點(diǎn)，如果太陽能電池板的輸出功率因光強(qiáng)變?nèi)醵陆禃r(shí)，該芯片通過自動(dòng)降低充電電流來維持充電電壓的恒定，保持太陽能電池板工作在最大功率點(diǎn);如果出現(xiàn)BQ24650 的MPPSET 引腳的電壓低于1.2 V 情況，充電電流則自動(dòng)降低，若太陽能電池板確實(shí)不能提供足夠的輸出功率，充電電流可自動(dòng)降為0。最大功率點(diǎn)電壓VMPPT為

圖2 充電電路Fig 2 Charging circuit

此外，MPPSET 引腳還被用作充電使能控制端，當(dāng)VMPPT＜75 mV時(shí)，充電停止;當(dāng)VMPPT＞175 mV 時(shí)，恢復(fù)充電。

2)電池電壓調(diào)節(jié)

BQ24650 使用高精度電壓調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)充電電壓，引腳VFB 端設(shè)置一個(gè)2.1 V 的反饋參考電壓，充電電壓的范圍為2.1 ～26.0 V，調(diào)節(jié)電壓VBAT的公式為

3)電池電流調(diào)節(jié)

BQ24650 進(jìn)行恒流階段充電時(shí)的電流由連接在引腳SRP 與SRN 之間的電阻RSR確定，引腳SRP 與SRN 之間的差動(dòng)電壓固定在40 mV，因此，充電電流Icharge的計(jì)算公式為

通過RSR還可以設(shè)置預(yù)充電電流和終止充電時(shí)電流，其值均為0.1 Icharge。

BQ24650 還可以通過與引腳STAT1 和STAT2 相連的紅色LED 指示燈和綠色的LED 指示燈來直觀地反映充電狀態(tài):充電進(jìn)行時(shí)，STAT1 腳置低且STAT2 腳置高，此時(shí)紅色指示燈亮;充電完成時(shí)，STAT1 腳置高且STAT2 腳置低，此時(shí)綠色指示燈亮。若出現(xiàn)故障，則STAT1 與STAT2 腳均置高，指示燈均不亮。

3 放電控制電路

放電控制電路包括電源切換電路和鋰電池的放電電路。

電源切換電路主要是進(jìn)行太陽能板和鋰電池的切換，當(dāng)單片機(jī)檢測出太陽能光照充足且鋰電池?zé)o需充電時(shí)，可通過放電控制太陽能板直接通過DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊再向負(fù)載供電;否則，就由鋰電池供電［10］。

鋰電池在放電過程中為了避免過放而造成對鋰電池使用壽命的影響，通常對鋰電池兩端電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)兩端電壓小于放電終止電壓時(shí)，則切斷放電回路，停止為負(fù)載供電。此處放電終止電壓為9.6 V。

4 DC/DC 電路設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測MCU 的工作電壓為5V，射頻芯片CC2530 的工作電壓為3.3 V，傳感器節(jié)點(diǎn)電路中的pH 值、電導(dǎo)率信號調(diào)理電路中需要使用±12，±5 V 電壓，而三節(jié)鋰電池的工作電壓一般為11.1 ～12.6 V。由此可見，三節(jié)鋰電池的輸出電壓穩(wěn)定在12 V 左右，所以，可以直接將鋰電池輸出的電壓進(jìn)行DC/DC 變換，以滿足水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)不同工作電壓的需要。本方案選用的芯片為LT3580 是一種PWM DC/DC 的轉(zhuǎn)換器，包含一個(gè)內(nèi)部的2 A，42 V 開關(guān)，可以通過配置使LT3580 成為一個(gè)升壓SEPIC 或者反相變換器。當(dāng)輸入電壓為5 V 時(shí)，LT3580 可以產(chǎn)生12 V/500 mA 或者－12 V/350 mA［11］。本設(shè)計(jì)中采用LT3580 芯片產(chǎn)生±12，±5 V 電壓。

當(dāng)輸入電壓為2.6 ～12 V 時(shí)，LT3580 可以穩(wěn)定輸出5 V;當(dāng)輸入電壓為5 V 時(shí)，可以穩(wěn)定輸出12 V;當(dāng)輸入電壓為12 V 時(shí)，可以穩(wěn)定輸出－12 V;當(dāng)輸入電壓為12 V 時(shí)，可以穩(wěn)定輸出－5 V。

MIC5205 是一種高性能的低壓差線性穩(wěn)壓器，它包含一個(gè)可以通過CMOS 電平或者TTL 電平匹配的使能控制端，當(dāng)關(guān)閉時(shí)，芯片功耗幾乎為零［12］。當(dāng)輸入電壓保持在4.3 ～16 V 時(shí)，MIC5205 可以有穩(wěn)定的3.3 V 電壓輸出。

5 測試結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)太陽能電池板的規(guī)格最大功率為20 W，峰值電壓18.6 V，開路電壓21.8 V，短路電流1.18 A。鋰電池組使用6 節(jié)3 串2 并12.6 V，4600 mAh，考慮鋰電池的充電時(shí)間和充電方式，設(shè)置預(yù)充電電流和終止時(shí)電流為0.1 Icharge=200 mA，充電電流為Icharge=2A，充電電壓為12 V。

設(shè)太陽能電池的輸出端即BQ24650 的輸入端為BQ24650 的輸出端即鋰電池充電電壓，鋰電池初始充電電壓為6.7 V，測試結(jié)果如圖3、圖4 所示，可見充電240 min后，紅燈滅，綠燈亮，充電結(jié)束。

由圖可知，BQ24650 先對鋰電池進(jìn)行預(yù)充電，再恒流充電，最后恒壓充電。

對太陽能電池，BQ24650 和鋰電池組以及DC/DC 模塊進(jìn)行電壓監(jiān)測，以早上8 點(diǎn)，時(shí)間間隔為2 h 一周的電壓監(jiān)測，太陽能電池、鋰電池組、DC—DC 模塊的電壓變化如圖5。

圖3 充電電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig 3 Curve of relationship between charging voltage and time

圖4 充電電流與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig 4 Curve of relationship between charging current and time

圖5 測試電壓結(jié)果Fig 5 Test voltage result

由圖可知雖然鋰電池的電壓隨太陽能電池板的變化改變，但輸出的電壓是穩(wěn)定不變的。符合本設(shè)計(jì)輸出電壓為±12，±5，3.3 V 要求。鋰電池的充電時(shí)間一般為3 ～4 h，由圖可知在中午12 點(diǎn)之間鋰電池的電壓就已經(jīng)達(dá)到12 V，下午陽光充足的條件下無需鋰電池給負(fù)載供電，由太陽能電池板給負(fù)載供電，當(dāng)太陽能光照減弱太陽能電池板電壓低于5 V 以下時(shí)，斷開太陽能供電開關(guān)由鋰電池供電，鋰電池電壓低于9.6 V 時(shí)斷開供電開關(guān)。

6 結(jié) 論

本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于太陽能和鋰電池雙電源供電的水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)，將太陽能與鋰電池充分結(jié)合，運(yùn)用BQ24650 芯片和IAP15F2K612S2 微處理器，自動(dòng)控制和管理太陽能電池板和鋰電池的充放電。

由太陽能電池板與鋰電池組成的雙電源供電系統(tǒng)與原本的直接由鋰電池單電源供電系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)能穩(wěn)定輸出水質(zhì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)需要的±12，±5，±3.3 V 的電壓，且直接提高了鋰電池的使用壽命，原本由鋰電池供電的時(shí)間直接縮減為原來的50%，減少了鋰電池頻繁的充放電時(shí)間，且延長了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作使用年限。

［1］ 王 翥，郝曉強(qiáng)，魏德寶.基于WSNs 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(1):48－49，52.

［2］ 李 珂，馬 聘，熊劍平，等.室外傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的為太陽能電源系統(tǒng)電池驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(1):97－99.

［3］ 彭愛平，郭曉松，蔡 偉，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，27(8):1－5.

［4］ 尚 盈，袁慎芳，吳 鍵，等.用于應(yīng)變監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(7):86－88.

［5］ 張靜靜，趙 澤，陳海明，等.一種高效的太陽能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33(9):1952－1958.

［6］ 張東虞，曹衛(wèi)彬，李 軍.基于單片機(jī)控制的太陽能手機(jī)充電設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，22(8):38－39.

［7］ 王 濤，屈高龍，殷蘗均，等.基于單片機(jī)的智能手機(jī)充電器的設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2014(19):33－37.

［8］ 周 玲.基于單片機(jī)控制的智能充電設(shè)計(jì)［D］.南寧:廣西大學(xué)，2006.

［9］ Texas Instruments.BQ24650 synchronous switch－mode battery charge controller for solar power with maximum power point tracking［Z］.Datasheet form Texas Instruments，2010:1－32.

［10］孫清文.多參數(shù)自供電水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2012.

［11］Linear Technology.LT3580 boot/inverting DC/DC converter with 2A switch，soft－start，and synchronizzation［Z］.Datasheet form Linear Technology，2007:1－28.

［12］Micrel.MIC5205 150mA low－noise LDO regulator［Z］.Datasheet Form Micrel，2000:1－12.