靳峰川,朱成杰

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232000)

0 引言

戶外設(shè)備的能源供電問題是否得到很好的解決,關(guān)系到傳感器網(wǎng)絡(luò)能否正常的運(yùn)行。 太陽(yáng)能作為一種可再生無污染易獲得的清潔能源,越來越受到青睞[1]。 已有相關(guān)學(xué)者提出基于太陽(yáng)能的供電系統(tǒng),具有良好的輸出特性和較高的效率[2]。 但是,控制較為復(fù)雜,成本較高,無法大規(guī)模靈活地應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。 本文針對(duì)具體的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款基于太陽(yáng)能的智能充電和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以STM32L0 為系統(tǒng)主控芯片,CN3791 為鋰電池充電管理芯片,通過讀取光照傳感器數(shù)值,判斷選擇鋰電池供電還是太陽(yáng)能電池板供電,STM32L0 通過ADC 采集系統(tǒng)電路的重要節(jié)點(diǎn)電壓數(shù)值,并通過NBIoT 將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)[3-4],供監(jiān)測(cè)人員查看。

1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32L0 單片機(jī)為控制核心,通過A/D 轉(zhuǎn)換讀取太陽(yáng)能電池板和鋰電池的電壓,并由通信模組將數(shù)據(jù)上傳到云端。 CN3791 電源管理芯片是一款可使用太陽(yáng)能板供電的PWM 降壓模式單節(jié)鋰電池充電管理集成電路,獨(dú)立對(duì)單節(jié)鋰電池充電進(jìn)行管理,具有外圍元器件少、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 芯片自帶MPPT(最大功率追蹤技術(shù))功能,十分符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,系統(tǒng)終端框架如圖1 所示。

圖1 終端框架

2 主體硬件電路設(shè)計(jì)

主體電路設(shè)計(jì)主要由電源管理芯片的外圍電路,如圖2 所示,LDO 電路以及DC-DC 電路組成。

圖2 外圍電路

2.1 電源管理芯片外圍電路

芯片的MPPT 引腳為太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)跟蹤端口,端口電壓被調(diào)制為1.205 V,配合電阻R1 和R3 組成分壓網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤。 最大功率點(diǎn)的追蹤方法為恒定電壓法,最大功率點(diǎn)的電壓Vmppt(單位:V)由下式(1)決定。

其中,R1 和R3 為電阻阻值,單位為Ω(歐姆)。

恒流充電電流ICH(單位:A)的計(jì)算公式為:

其中,R5 和R4 為電阻阻值,單位為Ω(歐姆)。

IC 對(duì)鋰電池的充電模式分為涓流模式、恒壓模式和恒流模式。 對(duì)于過度放電的鋰電池,檢測(cè)其電壓低于恒壓的電壓66.5%時(shí),IC 使用恒定充電電流值的17.5%對(duì)電池涓流充電,當(dāng)電壓達(dá)到2.8 V 時(shí),轉(zhuǎn)入恒流充電模式,最后進(jìn)入恒壓充電模式,當(dāng)充電電流下降到恒流充電電流的16%時(shí)結(jié)束充電,完成一個(gè)周期。充電過程如圖3 所示。

圖3 充電過程

2.2 DC-DC 電路

DC-DC 電路將太陽(yáng)能電池板的12 V 電壓降為3.3 V 供給單片機(jī)使用。 當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí),系統(tǒng)使用該電路向單片機(jī)系統(tǒng)提供電能,電路原理如圖4 所示。 LDO電路將鋰電池的3.7 V 降低為3.3 V,該電路具有紋波小、反應(yīng)快的特點(diǎn)。

圖4 DC-DC 電路

2.3 轉(zhuǎn)換電路

電路供電的轉(zhuǎn)換電路,由N 溝道MOS 管組成開關(guān)電路,由單片機(jī)的引腳控制MOS 管的開斷,實(shí)現(xiàn)切換電路的目的,如圖5 所示。

圖5 電路切換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32L0 為主控芯片,控制系統(tǒng)的電源供給方式和數(shù)據(jù)的處理。 當(dāng)主控讀取光照強(qiáng)度傳感器,數(shù)值低于設(shè)定的閾值時(shí),系統(tǒng)由鋰電池供電;數(shù)值超出閾值時(shí),系統(tǒng)將電源切換為太陽(yáng)能電池板,同時(shí)向鋰電池充電。 為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),主芯片通過ADC 模塊讀取太陽(yáng)能電池板端口電壓、鋰電池端口電壓以及向單片機(jī)端口供電的電壓,并通過NB-IoT 將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái),供維護(hù)人員監(jiān)測(cè)掌控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),軟件流程如圖6 所示。

圖6 軟件流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

完成軟硬件設(shè)計(jì)后,將設(shè)備接入云平臺(tái),便可以在手機(jī)端實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),接收的數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 App 監(jiān)控界面

在不同光照條件下,分別測(cè)量4.2 V/3 400 mAh 鋰電池電壓、太陽(yáng)能電池板電壓以及單片機(jī)VCC 電壓在30 min 內(nèi)的數(shù)據(jù)變化范圍,如表1 所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

系統(tǒng)完成軟硬件的設(shè)計(jì),通過光照強(qiáng)度判斷使用鋰電池供電還是太陽(yáng)能電池供電。 在不同光照條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)試,太陽(yáng)能電池板的電壓輸出值在6.1 V 到11.9 V 之間波動(dòng),晴朗天氣下,輸出電壓峰值達(dá)到11.9 V,此時(shí)由太陽(yáng)能電池板通過DC-DC 電路向系統(tǒng)電路供電,并向鋰電池提供充電電源,當(dāng)太陽(yáng)能電池板無法向系統(tǒng)提供所需的電壓時(shí),系統(tǒng)由鋰電池供電。 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到,單片機(jī)的VCC 電壓一直穩(wěn)定在3.3 V左右,在正常工作電壓范圍內(nèi)。 實(shí)驗(yàn)表明,系統(tǒng)可以穩(wěn)定地向獨(dú)立的傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)提供電源,具有成本低、性價(jià)比高等特點(diǎn)。