專利名稱：環(huán)保能源收集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于單片機(jī)控制電路工作收集能源領(lǐng)域，特別是提供一種環(huán)保能源電能收集充電器使其以最大的功率對能源進(jìn)行收集。
背景技術(shù)：
當(dāng)輸入電壓處于0. 7V 3. 6V系統(tǒng)啟動泵升電路提升電壓使AVR單片機(jī)自動啟動，單片機(jī)啟動后輸出PWM信號驅(qū)動升壓電路升壓后輸出充電，而當(dāng)輸入電壓處于IOV 20V時，系統(tǒng)啟動降壓電路進(jìn)行降壓輸出充電。在系統(tǒng)正常啟動后，單片機(jī)系統(tǒng)首先對系統(tǒng)各個部份進(jìn)行初始化，包括IO 口的設(shè)置，看門狗設(shè)置，中斷系統(tǒng)的初始化，AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)置，定時器的設(shè)置，硬件PWM控制器的初始化等等，使系統(tǒng)能正確地進(jìn)入工作模式。接著檢 測輸入端電壓，判斷當(dāng)前是工作在升壓模式還是降壓模式，輸出控制電平并選擇相應(yīng)的控制通道。在輸出驅(qū)動信號之前根據(jù)之前檢測的軟入端電壓值計算出相就的最大輸出功率期望值，并以此來調(diào)節(jié)控制信號占空比。輸出控制信號，驅(qū)動升(降)壓電路。接著調(diào)用功率匹配函數(shù)，使系統(tǒng)功率輸出達(dá)到最大值。在系統(tǒng)功率達(dá)到最大值之后，單片機(jī)會讀取間歇時間設(shè)定值，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最小功耗運行系統(tǒng)，并等待定時喚醒或是按鍵喚醒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID(比例、積分、微分)算法控制，縮短對直流電源匕的采集時間，減小超調(diào)量，高效地對能源進(jìn)行收集。當(dāng)輸入電壓低于單片機(jī)啟動電壓時，系統(tǒng)采用泵升技術(shù)驅(qū)動單片機(jī)啟動進(jìn)行升壓充電，而當(dāng)電壓達(dá)到比較高的電壓一定值時，啟動降壓充電功能。利用單片機(jī)控制電路。通過AD采樣阻抗匹配值給單片機(jī)，結(jié)合模糊PID參數(shù)自整定算法，可以隨時跟蹤電壓的變化，最后輸出控制量，調(diào)節(jié)電壓的PWM占空比，當(dāng)電壓過低時，啟動泵升電路啟動的功能，使整個系統(tǒng)又循環(huán)工作，同時單片機(jī)使用的功耗比較低，在處理時的運算能力強和處理速度很快升降壓斬波電路。本發(fā)明包括由三部分組成降壓電路、升壓電路、啟動電路，如圖I。I降壓電路的基本工作原理當(dāng)單片機(jī)檢測到Es在10 20V之間，立即啟用降壓電路，通過發(fā)出PWM信號來控制Q1MOS管的通斷。當(dāng)t = 0時刻驅(qū)動Q1導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓Uo = E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升；t = 時控制Q1關(guān)斷,二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓1 近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。如圖2(a)。2升壓電路基本原理當(dāng)Es小于單片機(jī)啟動電壓時，通過泵升電路啟用單片機(jī)，單片機(jī)檢測到Es在I. 2 3. 6V之間，發(fā)出PWM信號啟用升壓電路，輸出電壓直接給單片機(jī)供電，并輸出高電平關(guān)閉泵升電路。假設(shè)L2和C3值很大；Q2處于通態(tài)時，電源E向電感L2充電，電流恒定I1，電容C3向負(fù)載供電，輸出電壓Uo恒定；Q2處于斷態(tài)時，電源E和電感L2同時向電容C3充電，并向負(fù)載提供能量。如圖3(a)。3當(dāng)輸入電壓升到0. 7V時，電荷泵IC開始啟動進(jìn)行升壓，輸出電壓經(jīng)主電路的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓輸出4. 7V啟動單片機(jī)，單片機(jī)開始工作后輸出PWM信號驅(qū)動升壓電路進(jìn)行升壓充電。如圖4(a)。本發(fā)明包括系統(tǒng)通過按鍵設(shè)置間歇時間，通過LED燈閃爍來表示間歇間隔，當(dāng)然為了省電，也可以把LED燈關(guān)掉。在系統(tǒng)作休眠時通過按鍵中斷來讀取按鍵，并調(diào)整間歇時間。 本發(fā)明包括后次調(diào)整完功率輸出后系統(tǒng)馬上采集輸出級的電壓值，如果電壓超過保護(hù)電壓，系統(tǒng)將停止功率輸出，重新調(diào)節(jié)控制信號。本發(fā)明包括從子函數(shù)參數(shù)中得到輸入ES的數(shù)值。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到功率匹配時就有輸出電壓為ES/2.由此我們可得到最大功率匹配時的前級電壓值應(yīng)為ES/2.輸出一定占空比的PWM控制信號，驅(qū)動系統(tǒng)工作，然后再次檢測前級電壓值。計算與期望值的誤差，然后通過自適應(yīng)模糊PID控制器輸出控制量，得出新的控制信號。在極其短的時間內(nèi)使輸出功率達(dá)到最大值，當(dāng)誤差小是1%時退出子函數(shù)。由于ES變化相當(dāng)緩慢，故當(dāng)功率匹配后很長一段時間內(nèi)誤差不會出現(xiàn)大的變化。本發(fā)明有點在于代替了傳統(tǒng)比較復(fù)雜的充電電路，具有高效率、高電流、高穩(wěn)壓、低功耗等優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器系統(tǒng)的示意圖。圖2為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的降壓電路示意圖，其中圖2 (a)為整體降壓電路，圖2(b)為降壓斬波電路。圖3為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的升壓電路示意圖，其中圖3 (a)為整體升壓電路，圖3(b)為升壓斬波電路。圖4為本發(fā)明的環(huán)保能源電能收集器的啟動電路示意圖，其中圖4 (a)為整體啟動電路，圖4(b)為自啟動電路。
具體實施例方式圖3 (a)為整體升壓電路。具體實施時主要依靠升壓斬波電路圖3(b)。假設(shè)L和C值很大；V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定II，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定；V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。數(shù)量關(guān)系設(shè)V通態(tài)的時間為，此階段L上積蓄的能量為EI1U設(shè)V斷態(tài)的時間為t。#則此期間電感L釋放能量為(U。, I^off穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等= (U0-E) I^off (3-1)化簡得:U0= -on- ~^off-￡ = ^~E(3-2)
^off尤 offT/Xff > 1，輸出電壓高于電源電壓。T/Xff—升壓比；升壓比的倒數(shù)記作3，即夕
7(3-3)3和0 的關(guān)系 3 + a = l(3-4)因此，式(3-3)可表示為^=>=&(3_5)電壓升高得原因電感L儲能使電壓泵升的作用；電容C可將輸出電壓保持住。如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即EIi = U0I0輸出電流的平均值I。為7。= -^-=(3-6)電源電流的平均值I。為4 = l^-I0 - JTJ(3一7)圖2 (a)為整體降壓電路。具體實施時依靠降壓斬波電路圖2 (b) t = 0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電,負(fù)載電壓1 = E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升；t = 時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，
負(fù)載電壓％近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。數(shù)量關(guān)系V。=-々 fE = t^f-E = (XE(3-8)
tOa + tOfT1I)電流連續(xù)時的負(fù)載電壓平均值ton——V通的時間Uf——V斷的時間a—導(dǎo)通占空比負(fù)載電流平均值/。=(3-9)
K2)電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。在V處于通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為I1，可列出如下方程
T L^+Ri,+EM =E(3-10)
dt設(shè)此階段電流初值為I1Q，T =L/R，解上式得I1 = Il0e r + ———^-(1 - e T )(3-11)
R在V處于斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2，可列出如下方程
I*L^ + Ri2+EM=0(3—12)
dt設(shè)此階段電流初值為I2。，解上式得
t^tOnpt^oni2 = I2Qe T --^-(1-e 『)(3-13)圖4(a)為整體啟動電路。具體實施時依靠圖4(b)自啟動電路。當(dāng)輸入電壓升到0. 7V時，電荷泵IC開始啟動進(jìn)行升壓，輸出電壓經(jīng)主電路的穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓輸出4. 7V啟動AVR單片機(jī)，單片機(jī)開始工作后輸出PWM信號驅(qū)動升壓電路進(jìn)行升壓充電。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)保能源電能收集充電器，其特征在于采用泵升電路使輸入電壓處于0. 7V 3.6V時能啟動單片機(jī)(I)輸入PWM信號開關(guān)MOSP管(2)，使用單片機(jī)(I)有內(nèi)置的硬件PWM和AD采集輸出PWM和AD采樣，用其來控制DC-DC直流變換，通過AD采樣阻抗匹配值給單片機(jī)(I)，結(jié)合模糊PID參數(shù)自整定算法，可以隨時跟蹤電壓的變化，最后輸出控制量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種環(huán)保能源電能收集充電器，其特征在于以單片機(jī)(I)為核心，通過A/D采集輸入電壓值來調(diào)節(jié)PWM占空比，實時監(jiān)測和控制升降壓電路的工作，使其以最大的功率對能源進(jìn)行收集，采用單閉環(huán)負(fù)反饋PID(比例、積分、微分)算法控制，采用泵升技術(shù)驅(qū)動AVR單片機(jī)(I)啟動進(jìn)行升壓充電，而當(dāng)電壓達(dá)到比較高的電壓一定值時，啟動降壓充電功能，采用升降壓斬波電路使輸入電壓升高或降低致合適電壓。
全文摘要
本發(fā)明是一種環(huán)保能源收集器，屬于單片機(jī)控制電路工作收集能源領(lǐng)域。系統(tǒng)由三部分組成啟動電路、升壓電路、降壓電路。當(dāng)輸入電壓處于0.7V～3.6V系統(tǒng)啟動泵升電路提升電壓使AVR單片機(jī)自動啟動，單片機(jī)啟動后輸出PWM信號驅(qū)動升壓電路升壓后輸出充電，而當(dāng)輸入電壓處于10V～20V時，系統(tǒng)啟動降壓電路進(jìn)行降壓輸出充電接著檢測輸入端電壓，判斷當(dāng)前是工作在升壓模式還是降壓模式，輸出控制電平并選擇相應(yīng)的控制通道。接著調(diào)用功率匹配函數(shù)，使系統(tǒng)功率輸出達(dá)到最大值。在系統(tǒng)功率達(dá)到最大值之后，單片機(jī)會讀取間歇時間設(shè)定值，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最小功耗運行系統(tǒng)，并等待定時喚醒或是按鍵喚醒。替了傳統(tǒng)比較復(fù)雜的充電電路，具有高效率、高電流、高穩(wěn)壓、低功耗等優(yōu)點。
文檔編號H02J7/00GK102780238SQ201110132249
公開日2012年11月14日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者傅胤榮, 林浩岳 申請人:韓山師范學(xué)院