电能收集充电器.docx
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电能收集充电器
2009年全国大学生电子设计竞赛
E题：
电能收集充电器
摘要
本系统以ATmega16单片机为核心，其自身带有8路10位可选差分输入级可编程增益的ADC，通过输出级采样电路，可实现输出电压稳定和输出电流的间歇检测，将采样信号与ATmega16单片机的设定电压进行比较，从而改变其PW占空比，并由ATmega16单片机输出PW脉宽信号，以达到稳定输出电压的目的。
直流变换电路采用典型的单端反激式DC/DC升压变换器，具有结构简单，成本等特点。
本设计基本达到所有要求，并且还扩展了监测控制工作间歇的时间设置和显示电路等功能。
关键词：
ATmega16L单片机；单片机PW控制；间歇控制
引言
近年来，节能领域出现了一种创新思路：
收集零碎能量。
收集零碎能量，实际上是将一些零碎的能量收集起来，再转化为电能。
由于这个装置收集的是零碎能量，因此它产生的电能主要是为一些微型电器供电。
本设计正是采用了收集零
碎能量的思想设计的电能收集充电器，具有能够在输入较低电压的情况下，最大限度的为负载电池提供充电电流。
电能收集充电器的市场前景是十分广阔的，不但可以用于日常生活，也可在医疗、工业等领域中大显身手。
电能收集充电器不但能大大节省能源，而且可以让我们的生活变得更安全、更舒适。
一、方案论证与比较
1.1、DC/DC主回路变换器的方案论证与选择
方案一：
采用单端反激式变换电路，如图1所示，电路仅有一个开关管，隔离变压器的磁通只能单向变化，当有正向偏压加在开关晶体管Q的基极上，Q导
通，当集电极--发射极间的电压达到饱和电压时，输入电压为加在变压器的初级绕组上的电压。
同时在变压器的次级绕组中感应出反极性的电压，次级的二极管
中没有电流流过，次级绕组处于开路状态。
D
图1单端反激式变换电路
这时变压器内部没有能量传递，电源提供给初级绕组的能量全部存储在变压器中，开关管断开时，电源停止向初级绕组提供电能，同时变压器绕组产生反向电动势，次级电路二极管导通变压器内存储容量释放出来，给负载供电。
其电路
简单，多用于小功率的设备中。
方案二、采用推挽变换电路，如图2所示，推挽变换电路相当两个正激变换器的组合。
两个变换器轮流互补工作。
变压器一次侧带中心抽头的两个绕组随各自连接的开关管导通而轮流工作，其缺点是存在直流偏磁现象。
且两个开关管需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压。
图2推挽变换电路
方案选择：
单端反激电路最主要的优点是电路简洁，成本低。
推挽变换电路
由于两开关管的特性不对称，导通压降、驱动开关时间不同等而产生直流偏磁现象，导致磁芯饱和；并且推挽式开关电源不宜负载很轻或经常开路的场合。
推挽电路适合于大功率场合，考虑到本设计功率较小，因此选用方案一。
1.2、控制方法的方案选择
方案一：
采用ATmega16l单片机产生PWM波,控制开关管的导通与截止。
根据A/D转换后的反馈电压程控改变PWM占空比，使输出电压稳定在设定值。
取样信号经取样电阻送入ATmega16L单片机A/D转换电路，并与设定值进行比较，当输出电压超过设定值，ATmega16l单片机控制PWM脉宽，使其占空比减小。
反之,当输出电压低于设定值，ATmega16l单片机控制PWM脉宽，使其占空比增大。
该方案主要由软件实现，配合简单的硬件电路就能达到要求。
方案二：
采用PWM专用芯片SG3525其专用芯片具有欠压保护和外部封锁功能，能输出两路波形一致、相位差为180的PWM信号，结合双MOSFE管斩波电路的独特设计，能有效地减少输出电流的纹波，但其外接电源电压较高。
实际
使用时，在输入电压较低和较高时，PWMi宽调制无法使输出稳定于4.3V。
方案选择：
从工作电压考虑，ATmega16L单片机的工作电压为2.5V，正常工作电流为1mA，而PWM专用芯片SG3525的最低电压不能低于8V,功耗相对较大。
因此选择方案一。
二、系统设计
基于题目的基本要求，可以采用总体框图如图3所示的方案。
系统主要由开关管、DC/DC变换器、稳压输出电路、取样电路、ATmega16单片机控制系统、
键盘电路、显示电路等电路组成。
图3电路总体框图
该电路通过ATmega16单片机控制系统输出PWM脉宽调制信号控制开关管，输入电压经过开关管、DC/DC升压电路、稳压输出电路、向负载提供4.3V稳定直流电压，取样信号经取样电路向单片机提供一个反馈信号，该反馈信号通过与
设定电压比较，控制PW啲输出脉宽占空比，从而构成一个闭环稳压系统。
键盘
电路可设定监测控制工作间歇的时间，显示电路对设定监测控制工作间歇的时间进行显示。
2.1、电路主回路的设计
主回路采用的是单端反激式变换电路，单端反激式变换器又称电感储能式变换器，如图4所示，当开关管83N06T导通时，将电源的能量储存在变压器中，即变压器一次侧电感储能。
当开关管截止时，将导通期间的储能传输到二次侧负载。
R1、C4D1构成的吸收电路，用于防止开关晶体管截止瞬间发射极-集电极
间电压的急剧上升，使该电压在安全工作区内，同时减小向外辐射的噪声。
由于输入电压相对较低，对吸收电路没有严格要求，本设计选择电阻R1=22K电容
C4=222和二极管1N4007构成的吸收回路。
图4单端反激式升压电路
2.2、开关变压器磁芯和线圈的选择
单端反激式高频开关变压器是开关电源的关键器件，在电路中兼有储能、限
流和隔离作用，单端反激式变压器不仅作为变压器使用，同时又作为储能电感，它的设计方法与其他类型的变压器不同。
其设计参数主要有以下3项：
（1）求出原边绕组电感量；
（2）选择规格、尺寸合适的高频变压器磁芯；
（3）计算原副边绕组匝数。
求变压器的传输功率Pt，设滤波电感压降Vlf=0，贝
PT二VoVfIo
根据计算的Pt值，选取合适的磁芯尺寸，查EC磁芯变压器设计基本参数表可得，选用合适的磁芯。
计算变压器一次侧的匝数Np,可由表查得该磁芯每伏对应的匝数N1t=0.278.假设开关管的压降Vce可以忽略不计，则加入变压器的输入直流电压，则一次绕组的匝数Np为：
Np二N1tVindc
计算变压器二次侧的匝数Ns,取Dmax=0.4
（Vo+VfpNp
Ns=
Vinmin*d
求取一、二次侧绕组每匝对应的窗口绕线面积Smp、Sma。
从表中查得Acw^KO，贝U
Acw*K0
Smp=
Np
Acw*K0
Sms=
Ns
选取一、二次侧绕组导体的线径dp、ds。
变压器工作频率50KHz考虑到高频集肤效应的影响，根据各种频率的穿透深度△,50KHz里的厶=0.25mm因此在方波脉冲电流情况下线径d乞2二0.5mm0经过理论计算和实际验证，该变压器初次级绕组采用1:
3的比例绕制，初级10
匝次级30匝，为了减小漏感，并且均采用多股线并绕的方式。
2.3、控制电路设计
控制电路为本设计的核心电路，主要用于产生PW脉宽信号，采用ATmega16L单片机实现PW信号输出。
图5为控制电路的软件流程图，其频率为50KHZ由于ATmega16单片机为高性能、低功耗的8位AVR微处理器，工作电压为2.7:
5.5V，本设计采用一块可充电锂离子电池为其提供提供正常的工作电压。
在输入电压接通情况下，一旦ATmega16单片机通电产生PW脉宽信号，输出级将有稳定的电压输出，在对负载电池充电的同时，经过肖特基二极管1N5819向ATmega16l单片机的工作电源充电，为下次正常工作提供可靠电量。
图6为控制电路原理图。
开机
图5整体软件流程图
从电阻R1和R2间得到取样电压，将此采
A/D转换，再与设定值比较，从而输出PWM
经过实际测试发现，在空载时输出电压
PWM脉冲输出
图6控制电路原理图
2.4、输出取样稳压电路设计输出级由二极管电容整流滤波后，
样电压送入ATmega16单片机先进行脉宽信号，以达到稳定输出电压的目的
较高，可判断空载时的电压为虚电压，不影响实际电路测量。
为了完善电路，采用8只1N4007串联作为假负载接入输出端使输出电压稳定。
如图7所示
D2
匚out-
接单片机40脚取样
图7输出及稳压电路
2.5、效率的分析及计算
效率作为开关稳压电源设计时的重要参数，而影响其效率的因素有：
开关晶体管驱动不佳（包括过驱动、驱动不足、反偏置电流不足）；变压器设计不佳（包括变压器饱和、变压器漏感大、绕组与磁芯的选用不适宜）；整流器特性不佳（包括整流器电压降大、整流二极管反响恢复时间长）；扼流圈的原因（包括电感不适、绕组与磁芯损耗大）；辅助电路的原因（包括辅助电路功耗大、假负载电流过大、控制电路产生异常振荡）等。
在效率测试时可借助功率表测试。
比如功率表的指示值为Wi,则开关电源的效率，按图7测量计算为
空100%
图7开关电源效率测量方法
三、系统调试
调试过程共分三部分：
硬件调试，软件调试，软硬件联调。
硬件调试：
由于该系统的闭环控制主要由ATmega16单片机自动控制，省去了PW脉宽专用芯片及外围的复杂电路，很大程度降低了硬件电路调试的难度，从而使整机电路功耗降低。
软件调试：
本设计主要由ATmega16L单片机产生PWM脉宽信号，因此软件程序在编写中略显复杂，该设计的软件程序完全由C51编写，C语言效率高。
在调试过程中采取的是自上至下的调试方法，单独调试好每一个模块，然后在联结成一个完整的系统调试。
软件流程及程序清单见附录二、附录三。
软硬联调：
由于本系统的软硬件联系不是很紧密，一般是ATmega16L单片机有PWM脉宽输出后就能直接和硬件相联进行工作，因此在软硬件通调的情况下，系统的软硬件联调的难度不大。
四、实测数据结果
4.1、测试电流Ic
4.1.1、在FS=100Q，Es在10V〜20V时，Vo=3.9V可得下表：
Es（V）
Ic（mA
Es（V）
Ic（mA
20
210
14
103
18
150
12
85
16
130
10
70
4.1.2、在Rs=1Q,Es=1.2V〜3.6V时，Vo=3.9V可得下表:
Es（V）
Ic（mA
Es（V）
Ic（mA
3.6
18
1.5
16.5
3
17
1
16
2.5
16.5
0.7
11
2
16.5
0.6
9
4.2、在Rs=100Q时，经过实际测试，该电路能向电池充电的最低Es为5.1V
4.3、Es从0逐渐升高时，经过实际测试，该电路能自行启动充电功能的Es最低电压可达0.6V。
4.4、通过软件控制，监测和控制电路工作间歇设定范围可在0.1s〜5s任意设置，并且可通过数码管显示电路进行显示。
五、总结
经过四天三夜的努力，我们基本实现了题目的要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在一些尚未改进的地方，比如电路布局、程序编写、功能实现等还有很大的提升空间。
本次竞赛极大的锻
炼了我们各方面的能力，特别是团队协作能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但都能够团结起来克服，今后我们将继续努力争取更大的进步。
六、参考文献
[1]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届〜第五届）北京：
北京理工大学出版社,2004年，第一版
[2]李定宣开关稳压电源设计与应用北京：
中国电力出版社，2006年，第一版
[3][日]长谷川彰著•何希才译.开关稳压电源的设计与应用北京：
科学出版社.2006年，
第一版
[4]田俊杰单端反激式开关电源中变压器的设计（J）电源技术应用，2009年，
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⑸廖家平基于单片机PWM控制逆变电源的设计（J）UPS应用2006，（10）
[6]刘天羽提高开关电源效率和节能电源的研究与设计（J）上海电机学院学报2007，
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[7]郭大成单片机PWM软件生成及脉冲宽度调制（PWM）（J）广东电子1994，
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[8]陶国彬基于AT89C52单片机的SPWM变频控制器的设计与实现（J）科学技术与工程
2009，（5）
七、附件
附件1、键控和显示电路分析
本设计带有键盘控制和显示电路，使其电路更加智能化，具体分析如下：
键盘控制电路由六只按钮开关组成，其中K1为复位键，S1、S2、S3S4为监
1s、减
测控制工作间歇的时间设置，从0.1s:
5s任意设定，键控功能分别是加
1s、加0.1s、减0.1s。
S5为数码管显示开关按键，在默认情况下数码管不显示，当需要设置间歇的时间时，按下此键可显示设定时间。
附件2、整机总体电路图
D3
+3.7V
DS2
DPYa
GND
GND
E11N5i
+|
19
3.7电源
a
bgf
cde
dp
L
3
4
5
6
7
dpS
DSY_7-SEG_DP
1
l2
3
口
5
6
DPYa
a
bgf
3
4
5
6
7
e
10
11
12
13
14
15
16
17
dp-8
C3
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PA0.
PA1
PA2
PA3.
PA4.
40
39
DPY7-SEGDP
4
10K
Ir
104
K1三
7
4148
——20
C5-
Y2
Jz,
S1
0
1K
|rJRi0r1|1p
1
1K
1K
1K
12
K
18
19
20
PB5
PB6
PB7RESETVCCGNDXTAL1XTAL2
PD0
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
PD6
ATMEG16L
l2~37
36
35
34
PA5
PA6f
PA7
AVRE
GND
AVCC
PC7.
PC6-
F32
31
30
29
28
27
PC5“
PC-
PCf
PC2
PC1
PC0
PD7
26
25
23
22
21
10Lh
C
10亠
-LC8
104
D4
T2
+
C13
C10
0-2
C11
L3
1out-
4
83N06T
R13
PW脉冲
10
R5
22k
R7
22k
D64.3V出
N4007*8
104
HER207
25v
£out+
Q2
50V/220'
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