| 前言
太陽能電池的發(fā)展始于上世紀五十年代，最初應(yīng)用于宇宙開發(fā)，航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度、技術(shù)成熟性，還是從應(yīng)用領(lǐng)域來看，太陽能電池都是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點，比如：安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨處可得、不受地域限制、無須消耗燃料、可以無人值守、建站周期短、規(guī)模大小隨意、可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點都是其他發(fā)電方式所不及的。但是，太陽能電池并不是一個理想的電源，其輸出特性受光照強度和光線頻譜等影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲在電池中，然后通過電池為用電裝置供電。
目前，人們常以蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置，但是，蓄電池的維護較復(fù)雜，需專門的電池間，有腐蝕性氣體排出，必須現(xiàn)場初充電50-90小時，需專人維護，而且，不及時恢復(fù)性充電會損害電池，蓄電池對溫度也很敏感，壽命較短。
鋰電池作為二次電池之一，具有能量密度高、工作電壓高、自放電小，可快速充放電、壽命長、允許溫度范圍寬、體積小、輸出功率大、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。雖然鋰電池也存在缺點，但同其優(yōu)點相比，那些缺點不應(yīng)成為主要問題，特別是用于一些高科技，高附加值的產(chǎn)品中。目前，鋰電池在市場中成長快速、利潤高、已成為許多先進國家競相發(fā)展的研究項目，其未來需求及發(fā)展前景是相當好的。
鑒于上述原因，可以用鋰電池代替蓄電池作為太陽能電池的儲電裝置。隨即帶來的鋰電充電問題便成了鋰電應(yīng)用中的重要課題。市場上現(xiàn)有的鋰電池充電器，要么通用性不夠強，要么精度達不到要求，而且，隨著太陽能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不可再生資源的逐漸減少，現(xiàn)有的交流電供電式充電器必有被取代之勢。
為了實現(xiàn)在太陽能供電下對鋰電池充放電的高精度控制，提升鋰電池工作性能，延長鋰電池壽命，本文設(shè)計了一款基于AVR單片機的追光智能鋰電池充電系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能追光，并確保鋰電池不會過充、過熱而損壞，大大提高安全性能，延長鋰電池的使用壽命。該系統(tǒng)還通過與上位機通信，將鋰電池的狀態(tài)實時顯示在上位機界面上，便于實現(xiàn)對鋰電池的智能化管理。系統(tǒng)也具有電路穩(wěn)定性強、可靠性高、控制精度高、操作簡便、易于軟件升級等特點。
追光、鋰電池充電基本原理
追光原理
單軸跟蹤追光
單軸跟蹤追光的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與主光軸平行，收集太陽能的效果并不理想。
圖1是單軸跟蹤追光的一個實例。
圖1 單軸跟蹤
雙軸跟蹤追光
雙軸跟蹤追光可以通過跟蹤太陽高度和赤緯角的變化，獲得最多的太陽能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高。
雙軸跟蹤追光的原理圖如圖2所示。
圖2 雙軸跟蹤
光電跟蹤追光
光電檢測就是檢測太陽高度角和方位角的變化，可以使用3個光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，組建橋式電路，分別通過如圖3電路接通單片機的A/D通道，微處理器根據(jù)得到的電壓數(shù)據(jù),控制電機動作。
圖3光電跟蹤
視日運動軌跡跟蹤追光
由于太陽的高度角和方位角決定了太陽的位置，故可以根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度確定太陽的位置，然后調(diào)節(jié)太陽能將電池板與地面的角度，實現(xiàn)追光。
太陽位置計算幾何數(shù)學(xué)模型如圖4所示。
圖4視日運動軌跡跟蹤
光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合追光
光電跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合的設(shè)計方法能夠加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的跟蹤精度，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對太陽的跟蹤。
鋰電池充電原理
（1）鋰電池充電要求
鋰電池的充電要求有：
① 終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。
② 充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時，因充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，所以有一定的能量損失。
③ 鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會使溫度過高。不僅會損壞電池，而且可能引起爆炸。
④ 鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴重過放電可能造成鋰離子電池失效。對過放電的電池充電可以通過預(yù)處理進行補救，當鋰離子電池電壓大于2.5V，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。
鋰電池在使用過程中，為保證使用安全，延長鋰電池壽命，還需添加鋰電池保護板，鋰電池保護板詳細資料請參見附錄一。
（2）恒流充電
采用恒流充電式，可使電池具有較高的充電效率，該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖5所示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯(lián)的電池組進行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍然不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。
圖5 恒流充電
（3）恒壓充電
在恒壓充電法中，電池兩端電壓決定了充電電流，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電電流隨著電壓波動而變化，因此充電電流的最大值應(yīng)設(shè)置在充電電壓最高時，以免使電池過充電。實際上，恒壓充電曲線如圖6所示，從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命會造成很大影響。另外，在此種充電方式中，充電末期電池溫度會升高，很有可能造成電池的熱失控，損害電池的性能，因此不推薦采用恒壓充電方式。
圖6恒壓充電
（4）恒流恒壓充電
在上述兩種充電方式的基礎(chǔ)上，充電通過恒定電流開始。在恒流充電周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當電壓達到設(shè)定的端電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在恒流充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約85%的容量，電壓以較高的斜率增長，在充電過程中斜率逐漸降低。在恒壓周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池的1/10容量時，充電周期完成，又稱為二階段式充電法。恒流恒壓充電曲線如圖7所示。
圖7 恒流恒壓充電
三、系統(tǒng)設(shè)計及方案論證
1、總體設(shè)計
系統(tǒng)框圖如圖8所示。
圖8系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)設(shè)計主要有追光控制、電壓轉(zhuǎn)換、光耦開關(guān)控制、充電控制、照明燈控制和上位機界面控制六個部分組成，以追光及充電作為本系統(tǒng)的核心。追光控制采用光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤配合的方法。充電部分采用可用太陽能電池供電的CN3063充電管理芯片，并結(jié)合溫度檢測，光耦等控制，實現(xiàn)了智能充電的功能，并能有效的保護鋰電池，活化鋰電池，提升鋰電池的性能�；谔柲茈姵匕遢敵鲭妷旱淖兓紤]選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電調(diào)節(jié)。在照明燈狀態(tài)控制部分，使用光敏電阻來檢測外界光線強弱，以控制照明燈的亮滅，并使用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)節(jié)照明燈的亮度。上位機控制臺用于觀察太陽能電池輸出電壓，鋰電池端電壓，鋰電池溫度，并提供了人工控制功能，智能化的同時實現(xiàn)了人工管理。
2、詳細設(shè)計
（1）鋰電池及太陽能電池選擇
①鋰電池選擇
基于安全、輕薄和容量的考慮，我們采用的是4000mAh的聚合物鋰電池、鋁塑包裝，有別于液態(tài)鋰電池的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，不會爆炸，只會鼓脹；重量輕，比鋼殼液鋰輕40％，比鋁殼液鋰輕20％；容量大，內(nèi)阻小，比常規(guī)電池內(nèi)阻要小，使得有效放電容量要比其它電池高；形狀可定制，采用膠態(tài)電解質(zhì)，具有更平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺；工作電壓高；能量密度高；循環(huán)壽命長；無記憶效應(yīng)，自放電小，無污染。
適用范圍：通訊設(shè)備（移動電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對講機、藍牙耳機），移動辦公設(shè)備（筆記本計算機、PDA、便攜式傳真機、打印機），影像設(shè)備（數(shù)碼相機、攝像機、移動DVD、移動電視、MP3、MP4），其它（手電筒、礦燈、玩具、航模）。
②太陽能電池選擇
選擇太陽能電池時，要綜合考慮其材質(zhì)，工藝，重量，光電轉(zhuǎn)換效率，功率等。本系統(tǒng)采用的太陽能電池板參數(shù)如表1所示。
表1 所選太陽能電池參數(shù)
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規(guī)格
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110*134mm
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開路電壓
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9V
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短路電流
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170mA
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功率
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1.5W
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工藝
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單晶硅層壓工藝
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考慮到太陽能電池實際輸出功率和系統(tǒng)本身功耗，我們將4塊參數(shù)如上表1所示的太陽能電池板并聯(lián)使用，并聯(lián)方式如圖9所示。
（2）電壓轉(zhuǎn)換部分
①降壓電路
方案一：采用LM7805芯片，將太陽能輸出電壓轉(zhuǎn)換為5V，此芯片價格便宜，但缺點是功耗大，效率低，不利于太陽能供電的充電系統(tǒng)。
方案二：采用LM1117芯片，LM1117是一款正電壓輸出的低壓降三代線性穩(wěn)壓芯片，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，功耗低，并且內(nèi)部限制了最大功耗，適合電池充電器。對于固定電壓的輸出，可采用更小的電容。
以上兩種方案，外圍電路復(fù)雜度基本相同，雖然LM1117的價格高出LM7805許多，但是考慮到整流功耗，我們選用LM1117作為降壓芯片。應(yīng)用電路如圖10所示。
圖10降壓電路
②升壓電路
方案一：采用MC34063作為升壓芯片。MC34063專用于直流--直流變換器控制部分，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。
方案二：利用三極管、電容、電感、電阻搭建升壓電路，此方案較麻煩，在輸入電壓波動時，無法得到穩(wěn)定的電壓。
通過比較，我們選擇方案一，該方案的優(yōu)點是，在太陽能電池板輸出電壓波動時，能得到穩(wěn)定的輸出電壓。其應(yīng)用電路如圖11所示。
圖11升壓電路
（3）充電開關(guān)電路
方案一:采用普通繼電器作為充電開關(guān)。由于有機械運動，可能會帶來電火花，且開關(guān)時間長。
方案二:采用TLP521光耦作為充電開關(guān)。TLP521是一種全部由固態(tài)電子元器件組成的無觸點開關(guān)元件，它利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應(yīng)管，單向可控硅等器件的開關(guān)特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路�；谝陨蟽�(yōu)點，我們采用光耦作為開關(guān)器件，其應(yīng)用電路如圖12所示。
圖12光耦開關(guān)
單片機突然掉電時，會因I/O的低電平誤開通充電電路，因此，外加反相器7SLS04，采用高電平控制，能防止誤開通充電電路。
（4）充電控制部分
方案一：使用充電管理芯片MAX1898。MAX1898和外部晶體管PNP或PMOS
組成充電器，可以精確地恒流/恒壓充電，電池電壓精度可達±0.75%，充電電流可控，帶自動輸入電源監(jiān)視器，自啟動充電等功能，但MAX1898需要有穩(wěn)定的電壓輸入，不使用于太陽能供電的系統(tǒng)。
方案二：使用可太陽能電池供電的充電管理芯片CN3063。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管；內(nèi)部具有8位模擬--數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地使用輸入電壓源的電流輸出能力；輸入電壓范圍是4.35V-6V之間；在鋰電池電壓較低時，采用涓流充電模式，激活鋰電池；電源電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式，充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出；自動再充電功能，電池溫度監(jiān)測功能。
上述兩種方案，因CN3063可用太陽能電池供電，且價格低于MAX1898,又考慮MAX1898不易手工焊接等問題，我們采用CN3063作為本系統(tǒng)的充電管理芯片。
CN3063的管腳排列如圖所示。
圖13 CN3060管腳排列
各管腳功能如表2所述。
表2CN3063管腳功能
其典型的應(yīng)用電路如圖14所示。
圖14 CN3063應(yīng)用電路
CN3063的應(yīng)用信息：
電源低電壓鎖存
CN3063內(nèi)部有電源電壓檢測電路，當電源電壓低于電源電壓過低閥值時芯片處于關(guān)斷狀態(tài)，充電也被禁止。
睡眠模式
內(nèi)部有睡眠狀態(tài)比較器，當輸入電壓低于電池端電壓加20mv時，充電器處于睡眠模式，只有當輸入電壓上升到電池端電壓50mv以上時，充電器才離開睡眠模式，進入正常工作狀態(tài)。
輸入電壓源限流模式
當CN3063輸入電壓源的電流輸出能力小于所設(shè)置的充電電流時，器件內(nèi)部的8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動控制充電電流，此時實際充電電流可能小于所設(shè)置的充電電流，但是在滿足施加在CN3063的第4管腳VIN的電壓不低于最小工作電壓4.35的前提下，能夠使得充電電流最大化。在這種模式下用戶不需要考慮最壞情況，只要根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流就可以了，非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對電池進行充電。
充電結(jié)束
在恒壓充電狀態(tài)，當施加在CN3063的第4管腳VIN的電壓大于4.45V，并且當充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10時，充電周期結(jié)束。在輸入電壓源限流模式，即使充電電流小于所設(shè)置的恒流充電電流的1/10，充電也將繼續(xù)，不會結(jié)束。這樣可以保證即使在輸入電壓源的電流輸出能力很微弱的情況下，也能為電池充電。
預(yù)充電狀態(tài)
在充電周期的開始，如果電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB）的電壓低于3V，充電器處于預(yù)充電狀態(tài)，充電器以恒流充電模式充電電流的10%對電池進行充電。
電池電壓Kelvin檢測
CN3063有一個電池電壓Kelvin檢測輸入端（FB），此管腳通過對芯片內(nèi)部的精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)連接到恒壓充電的誤差放大器。FB管腳可以直接連接到電池的正極，這樣可以有效避免電池正極和CN3063的第5管腳之間的寄生電阻（包括導(dǎo)線電阻，接觸電阻等）對充電的影響。這些寄生電阻的存在會使充電器過早的進入恒壓充電狀態(tài)，延長充電時間，甚至使電池充不滿，通過使用電池電壓Kelvin檢測可以解決這些問題。如果將此管腳懸空，那么CN3063一直處于預(yù)充電狀態(tài)，充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的1/10。
設(shè)定恒流充電電流
在恒流模式，計算充電電流的公式為
其中， 表示充電電流，單位為A。 表示ISET管腳到地的電阻，單位為歐姆。
在本系統(tǒng)中，設(shè)置500mA的充電電流，因此， =1800V/0.5A=3.6KΩ。
電池溫度監(jiān)測
為了防止電池溫度過高或者過低對電池造成的損害，CN3063內(nèi)部集成有電池溫度監(jiān)測電路。電池溫度監(jiān)測時通過測量TEMP管腳的電壓實現(xiàn)的，當TEMP管腳的電壓大于46%*VIN超過0.15秒時，芯片正常工作；如果TEMP管腳的電壓小于46%*VIN超過0.15秒時，則CN3063認為電池的溫度超出范圍，充電將暫時停止，當TEMP管腳的電壓又重新大于46%*VIN超過0.15秒時，充電會繼續(xù)。
本系統(tǒng)中將TEMP管腳接到地，禁用電池溫度監(jiān)測功能，并以DS18B20作為替代，實時監(jiān)測鋰電池電壓，方便觀察。
再充電
當一個充電周期結(jié)束時，如果電池電壓Kelvin檢測輸入端的電壓低于再充電閥值時，CN3063自動開始一個新的充電周期。
恒流/恒壓/恒溫充電
采用恒流/恒壓/恒溫模式對電池充電，在恒流模式中，如果CN3063功耗過大，器件的結(jié)溫接近115°C，放大器Tamp開始共工作，自動調(diào)整充電電流，使器件的結(jié)溫保持在大約115°C。
漏極開路狀態(tài)指示輸出端
有兩個漏極開路狀態(tài)指示端 和 ，這兩個狀態(tài)指示端可以驅(qū)動發(fā)光二極管或單片機端口。用來指示充電狀態(tài)，在充電時，為低電平；用來指示充電結(jié)束狀態(tài)，當充電結(jié)束時，為低電平。當電池的溫度處于正常溫度范圍之外超過0.15秒時，和管腳都輸出高阻態(tài)。當電池沒有接到充電器時，充電器很快將輸出電容充電到恒壓充電電壓值，由于電池電壓Kelvin檢測輸入端FB管腳的漏電流，F(xiàn)B管腳和BAT管腳的電壓將慢慢下降到再充電閥值，這樣在FB管腳和BAT管腳形成一個紋波電壓為100mv的波形，同時輸出脈沖信號表示沒有安裝電池。當電池連接端BAT管腳的外接電容4.7uF時，脈沖的周期大約為10Hz。系統(tǒng)中管腳接紅色LED, 管腳接綠色LED。
表3列出了兩個狀態(tài)指示燈及其對應(yīng)的充電狀態(tài)。
表3狀態(tài)指示燈與充電狀態(tài)關(guān)系
（5）溫度監(jiān)測
方案一：采用熱敏電阻做傳感器件。熱敏電阻與溫度的變化是非線性的，而8位單片機的計算能力有限，在使用時，需摒棄復(fù)雜的計算公式，改用查表法算取溫度。溫度的精度值取決于AD采樣精度，溫度表格精度和熱敏電阻精度。
方案二：采用DS18B20溫度傳感器。使用時，只需編寫嚴格的時序，即可直接讀出溫度值，低四位進行小數(shù)近似化處理，可以得到較為準確的溫度值。
由于熱敏電阻與溫度的變化是非線性的，而且無法使用復(fù)雜的計算公式得出精準的溫度值，我們采用方案二，當鋰電池溫度大于60°C時，停止充電。
DS18B20的應(yīng)用電路如圖15所示。
圖15溫度監(jiān)測
（6）照明燈控制
方案一：通過檢測光敏電阻阻值的大小，判斷白天黑夜，并根劇光敏電阻阻值調(diào)節(jié)照明燈亮度。
方案二：通過檢測太陽能電池板輸出電壓，來判斷白天黑夜，并進一步調(diào)節(jié)照明燈亮度。
比較兩種方案，方案二中太陽能電池板輸出電壓不僅會受到外界光強的影響，還跟溫度高低等其他因素有關(guān)系，為避免誤判斷，我們采用方案一，且方案一中，根據(jù)光敏電阻阻值大小，更易于使用脈寬調(diào)制（PWM）模擬DA功能。
應(yīng)用電路如圖16所示。
圖16照明燈
當檢測到外界光強低于閥值時，打開照明燈，并使用STC12C5A60S2單片機的一路PCA輸出PWM波，模擬DA功能，程序如下：
void SetLed(uchar PWM_LOW)
{
CCON=0; //PCA控制寄存器初始化
CL=0; //PCA計數(shù)器低8位清零
CH=0; //PCA計數(shù)器高8位清零
CMOD=0X02; //模式設(shè)置
CCAP0H=CCAP0L=PWM_LOW; //將光敏電阻值送給PCA捕捉/比較寄存器
CCAPM0=0X42; //設(shè)置PCA工作模式
CR=1; //啟動PCA計數(shù)器
}
rg0=GetADCResult(2); //光敏電阻值采集
if(rg0>=0xa0) //電阻值大于閥值時，調(diào)光
SetLed(rg0-0xa0);
else
SetLed(0); //否則，發(fā)送0，即關(guān)閉照明燈
（7）追光控制
方案一：采用雙舵機，搭建舵機云臺。此方法可以全方位的追光，但是在實際使用中，舵機存在“搶電”的現(xiàn)象，會給供電電壓帶來較大的波動，甚至?xí)a(chǎn)生較強的抖動，不利于控制，也不利于電能的收集。
方案二：只采用一個舵機，并結(jié)合機械追光。經(jīng)查閱資料，當太陽能電池板與地平面的角度和當?shù)氐木S度相同時，光能利用率最大。本方案中利用的機械部件，可人為的調(diào)節(jié)太陽能電池板與地平面的角度，再通過控制伺服舵機實現(xiàn)追光。
通過比較，我們選用方案二。方案二更節(jié)約電能，同時，在太陽能電池板的不同位置放置三個光敏電阻，利用光敏電阻對環(huán)境亮暗的敏感性設(shè)計尋找光源傳感器，即光敏電阻和已知電阻的分壓電路，采集光敏電阻端和已知電阻端電壓，通過模擬量的電壓分析，即可模糊地判斷光線的強弱。與另兩路尋光傳感器電路中得到的電壓值相比較，即可判斷出光源的位置。利用單舵機機械結(jié)構(gòu)實時把光源位置方向鎖在正中間光敏電阻所對的方向。
圖17光敏電阻檢測
由于光敏電阻對環(huán)境的敏感性，導(dǎo)致環(huán)境中的散光造成的同一規(guī)格的光敏電阻在相同照度下電阻值不同。為此，在每個光敏電阻前加黑色筒狀遮體，使光敏電阻的基準電阻值基本相同，為檢測光源時三者電阻值的比較有統(tǒng)一標準，提高光源檢測的精確度。
采集的電壓值為模擬量，提高了光源檢測的空間精度，模擬量亦可以作比較，賦相應(yīng)的比例系數(shù)、微分系數(shù)代入舵機控制軟件模塊。光敏電阻檢測光源電路圖如圖17所示。
在實際使用中發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)外界干擾信號，供電電源的電壓不足等情況時，會造成舵機抖動，所以我們采用獨立的單片機和獨立的電源完成追
光，避免了信號干擾和電壓不足產(chǎn)生的抖動，同時，也避免了因舵機“搶電”造成的其他模塊電壓不穩(wěn)定的問題。
獨立電源來自鋰電池，通過PT1301 IC芯片升壓后供舵機使用，并且添加負載指示燈（藍色）和鋰電池電壓過低報警指示燈（黃色）。詳細資料請參見附錄二。
其中，主要程序如下：
#define steer_center 60
#define right_limit 100
#define left_limit 20
#define KP 10 //比例系數(shù)
sbit pwm=P3^7;
uchar rg1,rg2,rg3;
uchar last_pwm_value_init; //上一次舵機輸出值初始化
uchar control_pwm; //舵機PWM輸出值
uchar last_control_pwm; //上一次舵機PWM輸出值
void get_analog() //采集三路光敏電阻采光系統(tǒng)中的電壓值
{
rg1=GetADCResult(0);
rg2=GetADCResult(1);
rg3=GetADCResult(2);
}
uchar analog_analyse()
{
get_analog();
if(last_pwm_value_init==0)
{
last_control_pwm=steer_center;
last_pwm_value_init=1; //初始化完成
}
if(rg2-rg1>0&&rg3>=rg2)
control_pwm=last_control_pwm-(rg2-rg1)*KP/80;
else if(rg2-rg3>0&&rg1>=rg2)
control_pwm=last_control_pwm+(rg2-rg3)*KP/80;
else if(rg1-rg2>0&&rg3-rg2>0)
{
if(rg2<80)
{
control_pwm=last_control_pwm;
}
//else //control_pwm=last_control_pwm+(rg1-rg2)*8/80-(rg3-rg2)*8/80; //也進行角度調(diào)節(jié)
}
else
control_pwm=steer_center;
if(control_pwm<=left_limit)
control_pwm=left_limit;
else if(control_pwm>=right_limit)
control_pwm=right_limit;
last_control_pwm=control_pwm; //保存上一次舵機輸出值
return control_pwm;}
void main()
{
uchar PWM;
InitADC(); //AD初始化
Init_PCA(); //PCA擴展定時器初始化
while(1)
{
PWM=analog_analyse();
jd=PWM;
Delay(12);
}
}
void PCA_ISR()interrupt 7
{
CCF1=0;
CCAP1L=value;
CCAP1H=value>>8;
value+=25;
if(cnt <= jd) //判斷0.025ms次數(shù)是否小于角度標識jd=20-100
pwm=1; //小于，PWM輸出高電平
else
pwm=0; //大于則輸出低電平
if (cnt>=800)
cnt=0;
else
cnt++; //0.025ms次數(shù)加1 ,次數(shù)始終保持為800 即保持周期為20ms
}
（8）主控單元
方案一：采用AVR 單片機 ，AVR單片機的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)10～40 mA,可直接驅(qū)動可控硅SCR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件。
AVR單片機內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作A/D轉(zhuǎn)換，可組成廉價的A/D轉(zhuǎn)換器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。
部分AVR單片機可組成零外設(shè)元件單片機系統(tǒng)，使該類單片機無外加元器件即可工作，簡單方便，成本又低。
圖18 AVR MCU管腳分布
AVR單片機可重設(shè)啟動復(fù)位,以提高單片機工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程序走亂(飛),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。AVR MCU管腳分布如圖18所示。
方案二：采用新一代增強型8051單片機STC12C5A60S2，此單片機具有兩路PWM/PCA功能；8路10位A/D采集，轉(zhuǎn)換速度25萬次/秒；雙串口；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路；具有60K的用戶程序空間；內(nèi)部集成掉電檢測電路；可擴展為4個16位定時器；7路外部中斷；工作頻率范圍為0-35MHZ，相當于普通8051的0-420MHZ；指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機。
綜上兩種方案，因所需的A/D檢測通道較多，我們選用方案二中的STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。
其管腳排列如圖19所示。
圖19 STC12C5A60S2管腳排列
單片機的時鐘電路和復(fù)位電路分別如圖20和圖21所示。
時鐘電路：
圖20 時鐘電路
復(fù)位電路：
圖21復(fù)位電路
此外，系統(tǒng)需要與上位機進行通信，采用MAX232做電平轉(zhuǎn)換，以使單片機的TTL電平和RS232協(xié)議的電平相同。
具體電路如圖22所示。
 
圖22 MAX232轉(zhuǎn)串口 圖23 RC濾波
在使用A/D功能時，為消除信號干擾，在P1口設(shè)計RC濾波電路，如圖23所示。
4、軟件流程
（1）充電管理
在此段程序中，首先連續(xù)三次檢測鋰電的電壓是否大于1V，判斷放入的鋰電池是否有效。待判斷成功后，檢測太陽電池的輸出電壓，若電壓大于6V,采用降壓充電通道，并打開此通道的充電門控，關(guān)閉降壓充電通道；若電壓小于6V，采用升壓充電通道，并打開降壓充電通道的充電門控，關(guān)閉升壓充電通道門控。當檢測到鋰電池電壓大于等于4.2V時或鋰電池溫度大于60°C時，關(guān)閉所有充電通道。程序一直對鋰電池電壓進行檢測，直到鋰電池電壓降到4V且溫度小于60°C時，根據(jù)相應(yīng)情況打開相應(yīng)的充電通道。
具體的程序流程圖如圖24所示。
 
圖24充電流程 圖25串行通信流程
（2）串行通信
此段程序的主要任務(wù)是實現(xiàn)與上位機之間的通信。先進行判斷是發(fā)送還是接收，若是發(fā)送，則將采集到的太陽能電池電壓、鋰電池電壓、鋰電池溫度發(fā)送至上位機并在上位機界面上顯示；若是接收，則需響應(yīng)上位機發(fā)送的指令（0XAA為開始充電，0XFF為停止充電），并做出相應(yīng)操作。
具體的程序流程圖如圖25所示。
（3）追光控制
此段程序用于實現(xiàn)太陽能電池板的實時追光。分別采集三個光敏電阻端和已知電阻端的電壓，通過模擬量的電壓分析，模糊地判斷光線的強弱，并與另兩路尋光傳感器電路中得到的電壓值相比較，判斷出光源的位置，并將新的jd值賦給PCA捕捉/比較寄存器，產(chǎn)生新的PWM，調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)動的角度，使太陽能電池始終對準光源。
具體的程序流程圖如圖26所示。
圖26 追光流程
四、系統(tǒng)特色及創(chuàng)新
本系統(tǒng)的全部能量均來自太陽能，是順應(yīng)時代潮流的積極探索。通過光電轉(zhuǎn)化后將電能存儲到鋰電池中，再給各個模塊供電，可再生能源的使用響應(yīng)了當下“和諧社會”的建設(shè)，為本系統(tǒng)提升了競爭力。
本系統(tǒng)解決了低電壓無法工作的問題。我們添加了低壓檢測中斷功能，當電壓過低時，會觸發(fā)中斷，系統(tǒng)會保存重要的數(shù)據(jù)，當電壓正常時，可恢復(fù)工作。同時，當沒有光照時，系統(tǒng)靠存儲在鋰電池中的電能工作，我們也不用擔心鋰電池突然損壞的問題，因為當鋰電池無法供電時，只要有光照，單片機仍可啟動工作。
本系統(tǒng)提高了光電轉(zhuǎn)換的效率。機械和舵機的配合追光，既考慮了舵機耗電的問題，也提高了光電轉(zhuǎn)換率。機械追光利用的是當?shù)氐乩砦恢玫奶攸c，將太陽能電池板與地平面成的角度和當?shù)氐木暥纫恢�。例如，合肥當�(shù)氐木S度在32°左右，我們就將太陽能電池板與地平面的角度調(diào)節(jié)到32°左右，再通過舵機調(diào)節(jié)，配合追光。
需要說明的是，系統(tǒng)安裝好后，此機械角度無需再次調(diào)節(jié)。
系統(tǒng)充分考慮了鋰電池的特性及其充電要求。采用可太陽能供電的CN3063智能充電管理芯片，而且為鋰電池安裝了保護板，這些措施為鋰電池的安全有效充電提供了保障；低壓涓流充電的方式，能重新激活鋰電池，正常電壓情況下，恒流/恒壓的充電方式更能安全快速的為鋰電池充電，系統(tǒng)的“再充電”功能也防止了鋰電池的過放；系統(tǒng)還設(shè)計了升/降壓兩路充電通道，以光耦器件作為開關(guān)，開關(guān)迅速而且不會產(chǎn)生電火花，通過程序的設(shè)計，自動切換充電通道；18B20溫度檢測的加入，能有效防止鋰電池溫度過高而損壞，為鋰電池的安全提供了第二重保障。
系統(tǒng)中的照明燈改變了傳統(tǒng)照明燈非開即關(guān)的特點。利用脈寬調(diào)制（PWM）模擬DA功能，實現(xiàn)了智能調(diào)光，當外界光線越弱時，照明燈越亮，當外界光線越強時，照明燈越暗，直至關(guān)閉，此方法的推廣使用，會更節(jié)能。
VB上位機界面的設(shè)計，實現(xiàn)了人工智能化管理。在上位機界面上，可以直觀的看到系統(tǒng)的運行情況，包括太陽能電池輸出電壓、鋰電池電壓、鋰電池溫度、鋰電池電壓變化曲線，如果系統(tǒng)運行出了故障，可以在上位機上加以控制，及時停止充電，避免了更大的損失。
本系統(tǒng)還有很大的提升空間。例如在經(jīng)濟許可的情況下，將有線傳輸改為無線傳輸，仍能實現(xiàn)通信；增大太陽能電池板的功率，使用鋰電池電池組，添加逆變模塊，可產(chǎn)生220V交流電，供小功率電器使用等等。
五、系統(tǒng)應(yīng)用及展望
本系統(tǒng)可用于太陽能充電器，新型路燈，手電筒、玩具、航模。應(yīng)用在通訊設(shè)備如移動電話、網(wǎng)絡(luò)電話、對講機、藍牙耳機；移動辦公設(shè)備如筆記本計算機、PDA、便攜式傳真機、打印機；影像設(shè)備如數(shù)碼相機、攝像機、移動DVD、移動電視、MP3、MP4等。
鑒于此系統(tǒng)能有效的保護鋰電池，活化鋰電池，延長鋰電池壽命，還可以考慮應(yīng)用在信號發(fā)射塔上為鋰電池組充電，能為通訊服務(wù)商節(jié)約更換鋰電池組的成本。
根據(jù)系統(tǒng)追光特性，還可以將系統(tǒng)安裝在屋頂，為家居用電提供可能；安裝在電動汽車頂部，無論車子走到哪里，只要有太陽光，都會找到最佳位置吸光儲能。
總之，該系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，只要其工作環(huán)境有光源，用到鋰電池，都可以考慮改裝后使用，發(fā)展前景相當好。
附錄一 鋰電池保護板介紹
系統(tǒng)中使用的鋰電池保護板采用的IC芯片是DW01+。DW01+是一個鋰電池保護電路，為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被損壞而設(shè)計的。它具有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路。它的工作電流低，過充檢測4.3V，過充釋放4.05V；過放檢測2.5V，過放釋放3.0V；芯片內(nèi)部有過了保護復(fù)位電阻，廣泛應(yīng)用于單節(jié)鋰電池的保護電路DW01+的管腳排列如圖27所示。
圖27 DW01+管腳排列
DW01+是各管腳功能如表4所示。
表4DW01+管腳功能
DW01+的應(yīng)用電路如圖28所示。
圖28 DW01+應(yīng)用電路
附錄二 PT1301升壓、負載指示、低壓報警指示介紹
1、PT1301升壓
PT1301 是一款啟動電壓可低于1V的小尺寸高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。采用自適應(yīng)電流模式PWM控制環(huán)路,能在較寬的負載電流范圍內(nèi)穩(wěn)定和高效的工作，并且不需要任何外部補償電路；PT1301 內(nèi)部含有 2A 功率開關(guān)，在鋰電池供電時最大輸出電流可達 300mA，同時 PT1301 還提供用于驅(qū)動外部功率器件（NMOS 或 NPN）的驅(qū)動端口，以便在應(yīng)用需要更大負載電流時，擴展輸出電流。14μA 的低靜態(tài)電流，再加上高效率，可使電池使用更長時間，因此非常適合給舵機供電。
PT1301的管腳排列如圖29所示
圖29 PT1301管腳排列
PT1301各管腳功能如下表5所示。
表5 PT1301管腳功能
PT1301的典型應(yīng)用電路如圖30所示。
圖30 PT1301應(yīng)用電路
2、負載指示
負載指示燈的原理如圖31所示。
圖31負載指示
工作原理分析：當電源連接上負載時，指示燈就會亮，當負載所需的電流越大時，指示燈就會越亮；相反，當負載所需電流減小時，指示燈就會變暗。此電路用于觀察舵機的用電情況。
3、低壓報警指示
本系統(tǒng)具有鋰電池低壓報警指示功能，當鋰電池電壓低于3.3V時，報警指示燈就會亮，這里采用的是TP74芯片。
TP74是一款高精度、低功耗的電壓檢測器。芯片由基準電壓產(chǎn)生器、電壓取樣電路、比較器及輸出單元構(gòu)成；可提供NMOS開漏和CMOS兩種輸出，用于1.5V-3.6V的電源電壓的檢測，可為大多數(shù)微處理器及數(shù)字系統(tǒng)電源提供電壓檢測。當輸入電壓低于預(yù)先設(shè)定值Vdf）時，reset信號啟動直至輸入電壓恢復(fù)，電路重新工作。TP74的管腳排列如圖32所示。
圖32 TP74管腳排列
TP74個管腳功能如表6所示。
表6 TP74管腳功能描述
低壓報警指示的原理如圖33所示。
圖33低壓報警指示
工作原理分析：當輸入電壓Vin>3.3V時，輸出電壓Vout=Vin,此時，發(fā)光二極管兩端電壓相等，因此，當鋰電池電壓高于3.3V時，指示燈滅；若當輸入電壓Vin<3.3V時，輸出電壓Vout為零,此時，發(fā)光二極管兩端有電壓差，指示燈亮。 表7列出了使用過程中負載指示燈和低壓報警指示燈的狀態(tài)及含義。
表7 負載指示燈和低壓報警指示燈的狀態(tài)及含義
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負載指示燈（藍色）
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鋰電池低壓報警指示燈（黃色）
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鋰電池待機中
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滅
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滅
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鋰電池使用中
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亮
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滅
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鋰電池使用中且電池電壓低
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滅
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亮
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鋰電池待機中且電池電壓低
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滅
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閃爍
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附錄三 外圍充電電路原理圖
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