具有GPS功能的戶外便攜式太陽能充電器的設計

孫冬嬌，王勛濤，畢 丞，厲開勇

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

具有GPS功能的戶外便攜式太陽能充電器的設計

孫冬嬌1，2，王勛濤1，畢 丞1，厲開勇1

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2. 南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

針對人們的戶外作業和生活充電需求，設計了一種可以實時定位的戶外便攜式太陽能智能充電器。該系統以MSP430單片機、CN3063、S-8261為核心，自動在涓流充電、恒流充電及恒壓充電間切換充電方式，集成GPS功能，可實時顯示用戶方位信息、當前時間及充電進度。經實際軟硬件測試，該系統可以為鋰電池安全充電，有智能安全、低功耗、光線影響小、戶外便攜、高實用性等特點。

太陽能；充電；MSP430；CN3063；S-8261；GPS

手機、筆記本電腦等便攜式電子產品正逐步成為人們生活的必需品，而戶外作業或生活時，經常遭遇電子產品沒電、電量不足，如得不到及時充電，將給用戶帶來不必要的麻煩和經濟損失。而太陽能作為一種綠色清潔能源，可以滿足人們不受地域限制、隨時為便攜式電子產品充電的需求。目前，市場上存在的太陽能充電器大多只有基本充電功能，且充電器體積大、功耗高，易于損壞充電電池，光線不足則無法繼續為電子產品充電。針對這些不足，本文設計了一種新型太陽能智能充電器。

該充電器采用超低功耗控制核心，利用蓄電池儲存電能，以供陰雨天等光線不足條件下繼續為鋰電池充電。采用CN3063、S-8261實現對鋰電池充電的智能管理，自動在涓流充電、恒流充電、恒壓充電等充電方式間切換，保護電池，延長其使用壽命。該系統還集成有GPS功能，液晶屏可實時顯示經緯度、時間和充電進度等信息，本系統體積小便于攜帶，更利于戶外出行使用。

1 系統總體設計及工作原理

本系統以超低功耗MSP430單片機為主控制器、CN3063（電池充電管理芯片）、S-8261（電池充電保護芯片）為核心，加以光電轉換模塊、電源模塊、GPS模塊及液晶顯示模塊組成。當光線條件適宜時，太陽能接收板進行光電轉換，蓄電池儲存電能，經升壓電路后給各模塊供電。當光線不充足時，系統進入低功耗，蓄電池繼續為鋰離子電池充電。單片機和CN3063管理電池充電，在電池電壓較低時，采用涓流充電；當電池電壓升至預充電閾值時，采用恒流充電；當電壓升至穩壓電壓時，采用恒壓充電，充電電流逐漸減小。另外，GPS模塊實時提供用戶方位，液晶顯示模塊默認處于低功耗模式，觸發后可顯示用戶方位、當前時間和充電進度等信息。

該充電系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

2 系統的硬件設計

2.1 主控芯片簡介

考慮到系統低功耗及功能的實現，主控芯片選用MSP430F149單片機。該芯片是美國德州儀器（TI）推出的16位系列超低功耗單片機，工作電壓在1.8 ～3.6 V范圍之間，正常工作時功耗可控制在200 μA左右，有5種低功耗模式（LPM0～LPM4）可供選擇，喚醒只需6 μs，可實現2 μA甚至0.1 μA的低功耗。適于采用電池長時間供電的工作場合，且在8 MHZ晶體下運算能力達到1 MPS。自帶有ADC12模塊，能夠實現12位模數轉換精度[1]。多用于智能儀表、智能家電、電池供電便攜式設備中。

本設計采用MSP430F149單片機為主控芯片，不僅可以直接應用其內部集成的12位A/D，還可使單片機進入低功耗模式，有效減少系統功耗，節約電能。

2.2 電源模塊

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。目前太陽能電池主要分為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池。其中單晶硅太陽能電池板的光電轉換率為15%一20%,甚至可達到24%,這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的,使用壽命一般可達15年,最高可達25年。多晶硅電池板的轉化率約為12%左右,非晶硅約為10%左右,在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面,單晶硅優于多晶硅和非晶硅電池[2],故本系統的太陽能電池板采用單晶硅電池。

本設計的太陽能接收模塊選用的是兩片規格為5 V/25 0mA，尺寸為15 cm*5 cm的太陽能單晶硅電池板，體積小可折疊，便于戶外攜帶。將其放在光照條件下，經過光電轉換給蓄電池充電，經過升壓電路后，可為各個模塊提供電源。

2.3 電池管理模塊

鋰電池的特性較為活潑，對充電的電壓電流要求較高，所以需要管理芯片來管理充電，延長其使用壽命。本系統采用CN3063鋰電池充電管理芯片，該芯片可以用太陽能電池直接供電，能夠根據輸入電壓源的電流輸出能力自動調整充電電流，內含功率晶體管、8位AD轉換電路以及熱調制電路，只需要極少的外圍元器件，便可以對電池進行充電管理，自動在涓流充電、恒流充電及恒壓充電間切換充電方式。

電池充電管理電路如圖2所示，其中引腳8所接電阻的計算公式為 RX= ( Vbat- 4 . 2 ) / ( 3 . 0 4 * 1 0 - 6 ) ，其中 Vbat為電池恒壓充電的電壓，根據計算公式及重復試驗得出，電阻取3.6K較合適。引腳2所接電阻的計算公式為RISET=(VISET* 9 00)/ICH其中ICH為恒流充電電流，約為560 mA,計算可得電阻為3.2 kΩ。接在引腳6和引腳7的兩個不同顏色的二極管，是用來指示充電狀態的。當充電結束時，引腳6被內部開關拉到低電平，對應的綠色二極管被點亮，單片機根據P3.2端口電平得知充電是否結束。當正在充電時，引腳7被內部開關拉到低電平，對應的紅色二極管被點亮，單片機根據P3.1端口電平得知是否正在充電[3]。通過給P3.0端口傳送高/低電平，可手動關閉/開啟鋰電池充電。

圖2 電池管理電路Fig.2 Circuit of battery management

2.4 電池保護模塊

鋰電池的特性決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，為了防止電池被損壞，保護用戶的安全，鋰電池充電需要采用電池保護電路。本系統采用的電池保護芯片為S-8261，該芯片內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，最適合對1節鋰電池或鋰聚合物可充電電池組的過充電、過放電和過電流的保護。

班主任要有強烈的責任心，盡可能減少工作失誤，一旦出現教育方法不當，及時對學生做思想工作和心理補償，促使矛盾化解。

電池充電保護電路如圖3所示，DO為放電控制用FET門極連接端子（CMOS輸出）；CO為充電控制用FET門極連接端子（CMOS輸出）；VM為VM-VSS間的電壓檢測端子（過流檢測端子）；DP為延遲時間測定用測試端子；VDD、VCC分別為電源正負極；C1、R2組成RC電源輸入電路；MOSFET1、MOSFET2分別為充電、放電控制場效應管；R1為電壓檢測電阻。當負載發生過流或短路故障，電流經MOSFET1在內阻上產生壓降，然后VM端子通過R1檢測該點電壓或電流超過閾值時，DO端子發出控制信號，關閉放電控制用MOSFET1停止放電[4]。當電池發生過充故障，電流經MOSFET2在內阻上產生壓降，然后VM端子通過R1檢測該點電壓或電流超過閾值時，CO端子發出控制信號，關閉充電控制用MOSFET2停止充電。如果充、放電的電壓、電流均正常，則該充電保護電路正常工作。

2.5 GPS模塊

具有戶外充電需求的用戶基本都是戶外工作者或出行者，該部分用戶大多需要及時了解自己的地理方位，出于方便用戶的考慮，在新一代鋰電池充電器中增加了GPS功能。本系統的GPS模塊選用的是HOLUX M-87 GPS接收芯片， M-87系統內存4 MB，對于導航應用提供高達-159 dBm的絕佳靈敏度與快速的第一次定位時間，可搜尋多達32個衛星頻道，定位精度＜3 m，具有快速位置修正、在惡劣環境下持續工作的優點[5]。

圖3 電池充電保護電路Fig.3 Circuit of charging protection

GPS模塊遵循GPS導航設備標準通信協議NMEA-0183，默認波特率是4800，無奇偶校驗，一個停止位。M-87通過RXA引腳(串行數據輸入端)、TXA引腳(串行數據輸出端)與MSP430單片機的串行通信接口USART1進行數據通信，單片機讀取M-87所接收的數據,并將處理后得到的經緯度和時間顯示在液晶屏上。

2.6 升壓電路

該系統中各模塊需要的供電電壓為5 V，而提供電源的蓄電池的輸出電壓為4.2 V，所以需要一個升壓電路將電壓升至5 V。升壓電路采用的芯片是LTC1700，該芯片是一款電流模式同步升壓DC/DC控制器，可以將3.3～4.2 V范圍的電壓轉換為5 V，轉換效率高達95%。升壓電路如圖4所示。

圖4 升壓電路Fig.4 Circuit of booster

3 系統的軟件設計

3.1 充電控制部分軟件

CN3063可智能切換鋰電池充電方式，其完成初始化后即可工作。CN3063啟動后，MSP430通過P3.1和P3.2讀取當前充電狀態和采集充電電壓和電流[3]，計算充電進度并在液晶屏上顯示。該系統提供外部開關，可用于手動關閉和開啟CN3063。

充電控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 充電控制流程圖Fig.5 Flow chart of charing control

3.2 GPS模塊軟件

要得到用戶位置，只需測得三顆及以上衛星的位置 Xn,Yn,Zn及用戶和各個衛星的距離r1，r2，r3。距離測量方法：通過測量信號從衛星發射到GPS模塊接收所用的時間，乘以信號傳播速度，就可以求得距離：r=C×ΔT。然后根據

GPS接收程序流程圖如圖6所示。

圖6 GPS接收流程圖Fig.6 The flow chart of GPS receiving

采用中斷方式接收GPS發送的信號，避免不斷查詢帶來的資源浪費，降低系統功耗。GPS接收機輸出數據格式是NMEA-0183，這是一套用來定義GPS接收機輸出數據的標準協議，主要包含以下幾種類型的數據：$GPGGA（全球定位數據）、$GPRMC(運輸定位數據)、$GPZDA（UTC時間和日期）、$GPGSV（衛星PRN數據）、$GPGSA(衛星狀態信息)、$GPGLL（大地坐標信息）、GPVTG（地面速度信息）等。考慮到系統實際需求，本系統中我們選用的是$GPRMC，即GPS推薦定位信息，其數據包含有經緯度和時間等信息。當處理器接收到GPS的定位信息后，首先對接收的數據進行判斷，如若是$GPRMC類型，則進行提取、處理，然后將具體定位信息和時間顯示在屏幕上，如若不是則會繼續接收、判斷[6]。

接收GPS定位信息程序如下：

將格林時間轉換為北京時間函數：void Gelin_beijing(uchar table[16])

4 系統測試

本系統的測試主要包括經緯度、時間、充電電壓、電流的測試。當前測試結果為：經度為32o12′15″，緯度為118o42′26″，時間為17:38:36，充電進度為51%，如圖7所示。

圖7 系統測試圖Fig.7 Figure of system test

充電控制部分的測試選用的是3.7 V/ 1500 mA的鋰電池。測試過程記錄如表1所示。

表1 充電測試結果Tab.1 Result of charging test

由測試結果可知，該智能充電器在預充電階段采用涓流充電；在充電電壓大約升至3 V即達到20%進度時，進行恒流充電；在充電電壓大約升至4.2 V即達到90%進度時進行恒壓充電，直至充電結束。整個充電過程沒有出現過流或過壓充電，采用涓流充電、恒流充電、恒壓充電等智能充電方式以保護電池，延長其壽命，避免出現過充等危險。

5 結束語

針對目前市場上太陽能充電器體積大、功耗高，易損壞鋰電池，易受光線影響等問題，設計了一種可以實時定位的戶外便攜式太陽能智能充電器。該系統不但具有市場上現有產品的功能，還集成了蓄電池、電池管理保護及GPS功能。本系統內置蓄電池能夠為各模塊供電并儲存電能，以滿足夜晚、陰雨天等光線不充足情況下的充電需要；采用CN3063電池管理芯片、S-8261電池保護芯片，延長電池使用壽命和保護用戶安全；GPS能夠實時定位，滿足出行用戶及時了解自己方位的需求。通過樣機實驗得到：對完全放電的手機鋰

電池充電至飽和狀態約需4小時，溫度在25～30 ℃，完全符合鋰電池充電的安全要求。從整體上來看，電路的控制精度高、體積小、重量輕，適合為各類采用鋰電池供電的電子產品充電，具有很強的擴展性和推廣價值。

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Design of GPS outdoor portable solar charger

SUN Dong-jiao1,2,WANG Xun-tao1,BI Cheng1,LI Kai-yong1
（1.School of Electronic＆Information Engineering，Nanjing University of Information＆Technology，Nanjing210044,China;2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information＆Technology ,Nanjing 210044,China）

The design of a outdoor portable solar charger with real-time intelligent positioning function was putted forward the requirements of people working and life outdoors. Using MSP430 microcontroller, CN3063, and S-8261 as the core, it can switches the charge mode among trickle charging, constant current charging and voltage charging automatically, integrating GPS, which can real-time display the location information, the current time and charging process. After the actual hardware and software debugging, the system can recharge lithium battery safely, with intelligent security, low power consumption, small light effects, outdoor portable, high practicability,and so on.

solar-powered; charging; MSP430;CN3063;S-8261;GPS

TN609

A

1674-6236(2014)14-0095-04

2014-04-30 稿件編號：201404269

國家自然科學基金(61307061);江蘇省高校自然科學研究計劃項目(13KJB510017); 南京信息工程大學教改課題(N1885013232)

孫冬嬌（1976—），女，青海西寧人，碩士，實驗師。研究方向：嵌入式系統設計。