一款廣播發(fā)射機(jī)房太陽能無線充電器的設(shè)計(jì)

摘? 要：檢修工具在廣播發(fā)射機(jī)房的檢修工作中意義非凡，其中因單次使用前需充電的檢修手燈數(shù)量較多，原裝充電器與固定的充電插座位置局限直接導(dǎo)致檢修工作效率的下降，同時(shí)為響應(yīng)節(jié)約型電臺(tái)的新模式，充分發(fā)揮太陽能電池的優(yōu)勢(shì)，將太陽能發(fā)電技術(shù)和無線充電技術(shù)相結(jié)合，基于89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩者之間的控制與協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)給設(shè)備充電的目的。結(jié)果證明該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)檢修手燈太陽能無線充電功能，但充電效率仍需提高，需要日后進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：太陽能;單片機(jī);無線充電;檢修手燈

中圖分類號(hào)：TM910.6;TP368.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）22-0058-04

Design of a Solar Wireless Charger for Radio Transmitter Room

MA Kerong

（State Administration of Radio and Television 2022，Kashgar? 844000，China）

Abstract：Maintenance tools are of great significance in the maintenance work of the radio transmitter room. Because of the large number of maintenance hand lamps that need to be charged before a single use，the original charger and the fixed charging socket location directly lead to the decline of the maintenance efficiency. At the same time，in order to respond to the new model of economical radio，give full play to the advantages of solar cells，combine solar power technology and wireless charging technology，based on 89C51 single-chip microcomputer to achieve control and coordination between the two，to achieve the purpose of charging equipment. The results show that the design can realize the function of solar wireless charging for maintenance hand lamp，but the charging efficiency still needs to be improved，which needs to be better in the future.

Keywords：solar energy;single-chip microcomputer;wireless charging;maintenance hand lamp

0? 引? 言

太陽能作為一種新興的能源，越來越多地被人們所熟知。利用太陽能發(fā)展的產(chǎn)業(yè)目前已成為最具潛力的產(chǎn)業(yè)，而太陽能光伏發(fā)電是太陽能應(yīng)用的主要產(chǎn)業(yè)之一[1]。無線電能傳輸技術(shù)被認(rèn)為是未來最便捷的電能傳輸方式，無線電能傳輸因不需要外設(shè)充電的電源接口和充電器接口，所以沒有導(dǎo)電接點(diǎn)外露，提高了充電的安全性以及便捷性。在目前的廣播發(fā)射機(jī)房檢修工作中，檢修手燈的使用可將狹隘操作空間內(nèi)亮度提升，方便檢修人員快速定位故障修理點(diǎn)，現(xiàn)單位仍使用傳統(tǒng)的有線適配器對(duì)檢修手燈進(jìn)行充電，若單次需充電手燈數(shù)量較多，現(xiàn)有的充電排插口位置、數(shù)量無法滿足需求，長(zhǎng)距離的充電線更容易發(fā)生纏繞，存在誤觸碰隱患，嚴(yán)重影響工作效率與空間利用率，同時(shí)為響應(yīng)單位“節(jié)約型電臺(tái)”的新模式，考慮將近距離的無線電能傳輸與清潔能源太陽能相結(jié)合，并擺脫電源接口與充電位置的約束，經(jīng)作者構(gòu)思、調(diào)研、測(cè)試、設(shè)計(jì)，利用89C51單片機(jī)作為中樞調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)成功制作出一款廣播發(fā)射機(jī)房太陽能無線充電器，目前該設(shè)計(jì)樣品經(jīng)作者本人測(cè)試可以實(shí)現(xiàn)無線充電的功能，為廣播發(fā)射機(jī)檢修工作中針對(duì)各類電源設(shè)備的太陽能充電方法拓寬了新的思路。

1? 原理分析

1.1? 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電是根據(jù)硅的光生伏特效應(yīng)原理，利用硅晶體太陽電池將太陽光能直接或間接地轉(zhuǎn)化為電能[2]，具體原理圖如圖1所示。不論是獨(dú)立使用還是并網(wǎng)發(fā)電，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板、逆變器和控制器三部分構(gòu)成，利用光伏半導(dǎo)體材料的光伏打效應(yīng)而將太陽的輻射熱能轉(zhuǎn)化為直流電的設(shè)備。太陽能電池板的直接輸出為直流電，且基本上都是12 V、24 V、48 V。

1.2? 無線充電原理

無線充電技術(shù)源于無線電力傳輸技術(shù)。是通過近場(chǎng)感應(yīng)，由無線充電設(shè)備的一級(jí)發(fā)射線圈將電能以電磁能的形式傳導(dǎo)到次級(jí)線圈經(jīng)過充電終端設(shè)備感應(yīng)產(chǎn)生電能，類似于分離式的變壓器[3]。由于電能的傳遞采用的是電感耦合的原理，供電裝置與充電器是以磁場(chǎng)的形式進(jìn)行電能傳遞，所以無外露的導(dǎo)電接口。本設(shè)計(jì)選擇采用實(shí)現(xiàn)起來較簡(jiǎn)單并且傳輸效率較高的電磁感應(yīng)式的無線充電方式，原理圖如圖2所示。電磁感應(yīng)式的無線充電，通過在一級(jí)線圈上加一個(gè)交變電壓，產(chǎn)生一個(gè)高頻交變的磁場(chǎng)，從而在次級(jí)線圈上感應(yīng)一個(gè)相同頻率的交流電壓，就這樣將電能從輸入電路傳輸至輸出電路，之間無導(dǎo)電點(diǎn)的接觸，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無線充電。

2? 太陽能無線充電器的設(shè)計(jì)

2.1? 整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)結(jié)合太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和電能無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)給低壓設(shè)備充電。設(shè)計(jì)中包含軟件和硬件兩部分，硬件部分包括了太陽能發(fā)電電路、中樞系統(tǒng)電路、電壓測(cè)量電路、顯示單元、降壓穩(wěn)壓模塊等;軟件主要應(yīng)用89C51單片機(jī)作為載體，編寫程序以達(dá)到對(duì)各電路的協(xié)調(diào)控制。電路中使用單片機(jī)作為中樞控制系統(tǒng)，在對(duì)檢修手燈進(jìn)行充電的過程中，單片機(jī)用轉(zhuǎn)換器將太陽能電池板的輸出電壓和單片機(jī)的供電電壓以及實(shí)時(shí)充電情況以數(shù)據(jù)的形式展示出來，太陽能被太陽能電池板轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)系統(tǒng)中，讓這些電路按照規(guī)劃好的運(yùn)轉(zhuǎn)路線運(yùn)行，無線電能傳輸部分使用電磁感應(yīng)式的無線充電技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修手燈進(jìn)行太陽能無線充電的目的，設(shè)計(jì)完成后，對(duì)實(shí)物進(jìn)行程序的調(diào)試以及數(shù)據(jù)的測(cè)試，最終完成太陽能無線充電器設(shè)計(jì)研究。

2.2? 主體框架

本設(shè)計(jì)是制作一套基于單片機(jī)的太陽能電磁感應(yīng)式無線充電器，所以需要對(duì)無線充電技術(shù)進(jìn)行研究，采用目前最高效的無線電路傳輸技術(shù)來進(jìn)行整體電路功能設(shè)計(jì)。并根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，選取合適的元件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。為此，項(xiàng)目首先進(jìn)行了主體框架的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主體框架如圖3所示。

89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)：在電路設(shè)計(jì)中使用單片機(jī)作為中樞控制系統(tǒng)，設(shè)備充電過程中，單片機(jī)用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電路中的測(cè)量電壓和充電情況以數(shù)據(jù)的形式表示出來，通過程序的判斷，使各部分功能電路按照規(guī)劃好的路線運(yùn)行。

電壓測(cè)量電路：測(cè)量太陽能電池板的輸出電壓和無線發(fā)射模塊的供電電壓，反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)液晶顯示屏顯示出來。

按鍵電路：通過人為操縱啟動(dòng)或者關(guān)停按鈕，對(duì)充電器的充電時(shí)間進(jìn)行以及是否進(jìn)行充電進(jìn)行控制。

電源電路：通過太陽能電池板吸收太陽光的熱量和輻射進(jìn)行發(fā)電以及對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電。

顯示單元：顯示電路的輸出電壓和輸入電壓。

充電控制：控制充電時(shí)間以及是否進(jìn)行充電。

另外，無線充電部分采用電磁感應(yīng)式的無線充電技術(shù)。利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行無線的電能傳輸，感應(yīng)耦合電能的傳輸系統(tǒng)由一級(jí)發(fā)射線圈和次級(jí)接收線圈構(gòu)成。兩個(gè)線圈共同組成一個(gè)電磁耦合感應(yīng)器，類似于一個(gè)耦合變壓器。發(fā)射線圈流過的交流電產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，并在接收線圈感生出同頻率的磁場(chǎng)，產(chǎn)生電壓。

2.3? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用太陽能電池板為單片機(jī)以及無線發(fā)射電路等進(jìn)行電源供電，無線充電部分采用的是電磁感應(yīng)式的無線充電電路，主要由無線發(fā)射電路、無線接收電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)智能電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，即單片機(jī)電路通過多路電壓采集芯片輸出電路的電壓，如果兩者電壓都正常，則通過液晶顯示屏顯示“No problem”提示用戶可放心充電。如果電壓輸出異常，則顯示“A fault”，需進(jìn)行電路故障排查。設(shè)計(jì)總體模塊如圖4所示。

太陽能發(fā)電采用的是單晶體太陽能電池板，用一個(gè)發(fā)光二極管和電阻串聯(lián)接在電池板輸出端，指示是否有電壓輸出。太陽能電池板的輸出電壓一般高于5 V，而單片機(jī)的供電電壓為5 V，所以利用LM2575芯片對(duì)太陽能電池板的輸出電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓，為單片機(jī)等元件進(jìn)行供電。

在系統(tǒng)的硬件選型與設(shè)計(jì)完成后，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，需要經(jīng)過PCB制板檢驗(yàn)，PCB制板是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的一項(xiàng)，制板軟件選擇使用Protel99SE。將使用到的元器件載入原理圖，并擺放整齊，然后按照設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行接線，接線的目的是建立網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，凡接在一起的引腳，都將會(huì)共用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，將PCB與原理圖逐一對(duì)應(yīng)輸入。繪制好電路原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表，將網(wǎng)絡(luò)表和元器件封裝一同載入PCB圖中，布線，然后對(duì)PCB電氣規(guī)則檢查。最終PCB板實(shí)拍圖如圖5所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用89C51單片機(jī)作為中樞調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，該單片機(jī)采用KEIL軟件編寫C語言程序。程序編寫好之后，通過ISP下載器將程序下載到單片機(jī)中。經(jīng)過89C51單片機(jī)上電復(fù)位初始化狀態(tài)后，改變控制芯片和液晶屏配置。特別是PCF8591芯片上電激活后，有效信息成功被芯片授權(quán)，接著在數(shù)模轉(zhuǎn)換后，控制字符設(shè)置完成。

數(shù)模轉(zhuǎn)換后，系統(tǒng)檢測(cè)太陽能電池板和無線電力接收電路的電壓實(shí)時(shí)數(shù)值。單片機(jī)開始工作，完成數(shù)據(jù)抓取。抓取過后的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行算法優(yōu)化，具體優(yōu)化過程為：將數(shù)值按量程分配，然后經(jīng)過“1024”做除，再以五位數(shù)額做乘，得出待充電設(shè)備實(shí)際電壓值，最后傳輸至顯示單元。檢修人員可根據(jù)顯示值給出準(zhǔn)確判斷。本設(shè)計(jì)的軟件流程如圖6所示。

4? 測(cè)試結(jié)果

以下是對(duì)太陽能無線充電器在正常光照以及一天內(nèi)不同時(shí)間段的太陽能光伏輸出電壓、無線發(fā)射模塊的輸入電壓和無線接收模塊的輸出電壓的測(cè)量，如表1所示。

在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)下載程序后，單片機(jī)顯示的太陽能電池的輸出電壓在11.00～13.80 V之間變化，無線充電模塊的輸入電壓在5.10～5.90 V之間，這與實(shí)測(cè)電壓基本一致，并且無線充電模塊也可以正常運(yùn)行，連接待充電設(shè)備后顯示正常充電。為了更好地驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，選擇天氣晴朗一天，利用該系統(tǒng)對(duì)電池容量為3 070 mAh的待充電設(shè)備進(jìn)行充電，檢修手燈事先放電至總電池電量的1%，從上午8時(shí)開始充電，經(jīng)過6個(gè)小時(shí)充電至100%，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，但是總體來說系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率較低。

5? 今后改進(jìn)方向與展望

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確合理性，最后通過數(shù)據(jù)測(cè)試，獲取到了電路參數(shù)等信息。但是在實(shí)物進(jìn)行正常的工作中卻存在很多的問題，太陽能電池板的輸出功率隨光照強(qiáng)度波動(dòng)變化較大，有時(shí)不能夠提供足夠的電能同時(shí)供單片機(jī)和無線充電部分正常工作。無線充電部分之間的電能傳輸效率也不是很高，這樣造成了大部分電能在無線傳輸過程中被損耗，對(duì)充電的時(shí)間以及充電電量產(chǎn)生不良影響。

目前的無線充電技術(shù)主要是近磁場(chǎng)無線充電，遠(yuǎn)距離大功率無線磁電轉(zhuǎn)換設(shè)備的耗能較高。針對(duì)本設(shè)計(jì)，應(yīng)從硬件與軟件兩方面出發(fā)討論日后改進(jìn)方案：

（1）改進(jìn)硬件電路架構(gòu)，盡量使光照強(qiáng)度波動(dòng)變化引起的太陽能電池板的輸出功率變化在可控范圍內(nèi)。

（2）優(yōu)化算法算力，提升控制精確度與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（3）可增加系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)充電與充滿斷電功能。

6? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)首先按照太陽能無線充電的技術(shù)要求，查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，選擇合適的電子元件和配件，設(shè)計(jì)出了一套基于89C51單片機(jī)的太陽能無線充電的電路原理圖，然后經(jīng)過PCB電路板繪制，最后通過電路板焊接、軟件編程，最終完成了太陽能無線充電器，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)先設(shè)定的無線充電等基礎(chǔ)功能，成功擺脫了固定充電排插口的束縛，同時(shí)節(jié)約了電力資源，讓檢修工作與新興技術(shù)緊密結(jié)合。目前，該設(shè)計(jì)樣品已成功測(cè)試完畢，縮短了從測(cè)試樣品到實(shí)用工具的距離，未來的太陽能充電技術(shù)在檢修手燈上的應(yīng)用肯定能夠克服眾多不足，做到體積小、易攜帶、發(fā)電充電效率高并且制作成本低，為廣播發(fā)射機(jī)房節(jié)約能源和開發(fā)新能源設(shè)備開創(chuàng)了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚磊，梁春美.基于單片機(jī)的多能源手機(jī)充電器設(shè)計(jì) [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（13）：78.

[2] 于明軍，韓錚，紀(jì)宇，等.太陽能無線充電器的設(shè)計(jì) [J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（6）：48-50.

[3] 石丁，米國(guó)挺，王亞亞.淺析無線充電技術(shù)原理及前景分析 [J].科技風(fēng)，2019（7）：219.

作者簡(jiǎn)介：馬可蓉（1991.01—），女，漢族，甘肅會(huì)寧人，值班長(zhǎng)，助理工程師，本科，研究方向：廣播發(fā)送技術(shù)及射頻電路。