隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)越來(lái)越多投入到實(shí)際應用中， 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般分布范圍較廣，架設供電線(xiàn)路，投資大，維護成本高。 如采取干電池方式供電，則每個(gè)節點(diǎn)的電源供電能力有限，對每個(gè)節點(diǎn)更換電池不僅費時(shí)、費力，增加成本，而且影響工作效率。 能否穩定持續的供電，成為制約油田無(wú)線(xiàn)示功儀及其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的一個(gè)重要因素，太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展使供電方式產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，已經(jīng)成為油田無(wú)線(xiàn)示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電方式的發(fā)展方向。 本文擬對油田監測示功儀及中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計一種智能化、免維護型的太陽(yáng)能充電電路，為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電。 該設計電路具有以下特點(diǎn)： ①基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設計的充電網(wǎng)絡(luò )具有自動(dòng)調節占空比的功能， 具有很寬的輸入電壓范圍。 ②采用線(xiàn)性電源管理芯片，用先預充2恒流2恒壓的充電方式完成整個(gè)充電過(guò)程。 ③采用低噪聲、高速度的CMOS 型電壓調節器，具有高精度的恒壓、恒流輸出。 ④充電過(guò)壓保護、鋰電池過(guò)放電保護功能，使鋰電池充、放電安全可靠。 ⑤自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能，太陽(yáng)能采集板始終保持對準太陽(yáng)，充分利用太陽(yáng)能。
1 系統設計
現有的光伏電池，單體的輸出電壓都很低（在1V 以下） ，本設計中，將多個(gè)光伏電池相串聯(lián)，組成太陽(yáng)能組件。 通過(guò)可以自動(dòng)調節占空比的供電網(wǎng)絡(luò )保證在光照強度變化和負載變化時(shí)，輸出電壓基本穩定，為充電管理芯片提供穩定的電壓輸入。 通過(guò)對供電網(wǎng)絡(luò )的副邊電壓監測，保護充電管理芯片不因電壓過(guò)高而損壞。 通過(guò)對電池兩端的電壓監測，保證鋰電池不會(huì )因過(guò)放電而損壞。 由于無(wú)線(xiàn)示功儀及其中繼網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的供電要求是313V，采用低噪聲、高速度的CMOS型電壓調節器。 在自動(dòng)跟蹤控制器作用下，始終保持全天候跟蹤太陽(yáng)。為了防止因連續陰雨天而導致的太陽(yáng)能供電不足，設計應急充電電路，充電期間，無(wú)線(xiàn)示功儀及其節點(diǎn)正常運行。 具體系統設計模塊如圖1所示。
圖1 系統設計示意圖
2 硬件電路設計
2.1 太陽(yáng)能組件及充電電路設計
本文設計中采用16個(gè)光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽(yáng)能組件，通過(guò)采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿(mǎn)電。供電網(wǎng)絡(luò )設計電路采用正激式拓撲結構［ 1 ］ 。 具體電路如圖2所示。
圖2 智能型太陽(yáng)能充電電路設計主電路
太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開(kāi)關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過(guò)R1 為Q1 提供基極電壓。 當基極（ b）的電壓為高電平時(shí)， Q1 開(kāi)始導通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負的電動(dòng)勢，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負的感應電動(dòng)勢，此電動(dòng)勢經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生1負2正的電動(dòng)勢。 變壓器T1 的324繞組中感應出3負4正的電動(dòng)勢，通過(guò)R5 ， C2 ，使Q1 迅速進(jìn)入截止狀態(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電， Q1 又開(kāi)始導通，進(jìn)入下一輪的開(kāi)關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。
穩壓電路由穩壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當負載減輕或太陽(yáng)能組件輸出電壓升高時(shí)， A 點(diǎn)電壓上升。 當該電壓大于511V 時(shí)， D0 擊穿， Q2 因b2e結正向偏置而迅速導通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過(guò)程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩定。 當負載過(guò)重時(shí)， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當該電壓大于017V 時(shí)， Q2 導通， Q1 截止，達到過(guò)流保護的目的。為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應出的尖峰脈沖擊穿開(kāi)關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。
2.2 過(guò)電壓保護控制
過(guò)電壓保護控制，具體電路如圖3所示：整流二極管D4 接過(guò)電壓保護繼電器JDQ1輸出。 充電控制管理芯片MCP73831最大輸入電壓為6V. 雖然供電網(wǎng)絡(luò )基本輸出電壓為5V，但當光照強度發(fā)生劇烈變化或負載變化較大時(shí)，輸出電壓仍然會(huì )有一定波動(dòng)，為保護MCP73831不因短時(shí)的電壓波動(dòng)而損壞，設計了過(guò)電壓保護控制器。 當W1 的電壓超過(guò)6V， JDQ 1會(huì )斷開(kāi)輸出電路，MCP73831因斷電而得到保護。 具體分析如下：此部分電路設計主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴展而成。 LM 2903包含兩路比較器，1， 2， 3腳為一路， 1腳為OU TPU TA， 2， 3腳為IN PU TA. 5， 6， 7腳為另一路， 7腳為OU TPU TB， 5， 6腳為IN PU TB. 其中過(guò)電壓保護控制器用5， 6， 7腳的比較器。電阻R11 ， R13分壓后接至比較器的5腳。 當電壓大于6V 即分壓值大于214V. 比較器的7腳輸出電平由低轉為高。 Q3 飽和導通，則Q5 截止，安全工作指示燈熄滅，接點(diǎn)J1為高電平，此時(shí)JDQ 1開(kāi)始工作，供電電路與后續電路斷開(kāi)，同時(shí)過(guò)電壓紅色警示燈亮起。
圖3 過(guò)電壓與過(guò)放電保護控制電路
2.3 過(guò)放電保護控制
當鋰電池電壓低于315V 時(shí)，即電池電量釋放92%以上時(shí)，認為不能繼續放電，否則鋰電池內部介質(zhì)會(huì )發(fā)生變化，致使充電特性變壞，容量降低等。為此設計過(guò)放電保護控制電路，此電路的具體設計如圖3，分析如下：采用了LM 2903的1， 2， 3腳組成的一路比較器，與外圍器件構成過(guò)放電壓比較器， R12 ， R14分壓后接至LM 2093的3腳。 當電壓值小于315V 時(shí)，分壓值小于214V， LM 2903的1腳由高電平轉變?yōu)榈碗娖剑?Q4 由導通轉變?yōu)榻刂範顟B(tài)， Q6 飽和導通， JDQ2工作，同時(shí)過(guò)放紅色指示燈亮。
2.4 自動(dòng)跟蹤控制器
控制器的輸入端，光敏傳感器分別由兩只光敏電阻串聯(lián)交叉組合而成。 每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻。 一只檢測太陽(yáng)光照，另一只則檢測環(huán)境光照，送至比較器輸入端的比較電平始終為兩者光照之差。 具體電路如圖4所示：光敏電阻RT1 ， RT2 與電位器R27和光敏電阻RT3 ， RT4 與電位器R28分別構成光敏傳感電路。 將RT1 和RT3 安裝在垂直遮陽(yáng)板的一側， RT4 和RT2安裝在另一側。 當RT1 ， RT2 ， RT3 和RT4 同時(shí)受環(huán)境自然光線(xiàn)作用時(shí)， R27和R28的中心點(diǎn)電壓不變。 當只有RT1 ， RT3 受太陽(yáng)光照射， RT1 的內阻減小， LM 2903 的5 腳電位升高， 7 腳輸出高電平， 三極管Q7 導通，JDQ 4工作，其觸點(diǎn)3， 5閉合。 同時(shí)RT3 內阻減小， LM 2903的3腳電位下降， JDQ 5不工作，電機M 正轉；當只有RT2 ， RT4 受太陽(yáng)光照射，同理，電機M 反轉。 當轉到垂直遮陽(yáng)板兩側的光照度相同時(shí)， JDQ 4， JDQ 5都導通，電機M 才停轉。 在太陽(yáng)不停地偏移過(guò)程中，垂直遮陽(yáng)板兩側光照度的強弱不斷地交替變化，電機不停的運動(dòng)，使太陽(yáng)能接收裝置始終面朝太陽(yáng)。
圖4 自動(dòng)跟蹤控制器
2.5 充電管理電路設計
鋰電池的充電過(guò)程一般分為3個(gè)階段： ①涓流充電階段。 ②恒流充電階段。 一般可以充電到電池容量的85%左右。 ③恒壓充電階段。鋰電池過(guò)充，輕則減少電池壽命，性能變壞，重則產(chǎn)生漏液等。在本文的設計中，采用了線(xiàn)性充電管理芯片MCP73831，如圖1所示。該芯片具有輸出電壓準確，任意設定充電電流，自動(dòng)轉換充電模式，消耗電流極�。�25uA ） ，過(guò)充監測保護等功能和特點(diǎn)。 MCP73831各管腳的功能：
VDD 為輸入電壓端； VSS 為參考零電壓端； VBA T為充電控制輸出端； STA T 為充電狀態(tài)輸出端。 PROG為電流設定與充電控制使能端。 鋰電池充電時(shí)，充電管理芯片MCP73831的PROG 接口須外接電阻到VSS，具體計算公式： IREG = 1000 （V ） /RPROG其中RPROG的單位為kΩ， IREG的單位為mA. 在本文設計中RPROG = 2kΩ。
則IREG = 500mA. STA T的各接口狀態(tài)及電路設計中指示燈的邏輯關(guān)系如表1所示。充電管理芯片MCP73831通過(guò)檢測鋰電池的BA T引腳來(lái)判斷電池的各個(gè)狀態(tài)，從而對電池進(jìn)行充電管理。不發(fā)生過(guò)電壓保護時(shí)，供電網(wǎng)絡(luò )一方面對MCP73831提供5V 電壓。 一方面通過(guò)D 5傳輸到JDQ2對后續電路供電。應急充電時(shí)，外接5V 電源，一路通過(guò)D5到繼電器JDQ 2. 另一路到達MCP73831對鋰電池充電。 D5 陰極端輸出電壓5（V ） - 017 （V ） = 413 （V ） ，由于鋰電池的電壓在充滿(mǎn)或非充滿(mǎn)電狀態(tài)的時(shí)候，都低于D6 陰極輸出端電壓（D5 ， D6 共陰極） ， 所以在應急充電的過(guò)程中， RT9193正常工作。 在CMOS （ comp lem entary m etal2oxidesem iconducto r）型電壓調節器RT9193的B P端和地之間連接一個(gè)22nF的電容，可以極大的減少調節器的輸出噪聲。在常溫狀態(tài)下，充電完成時(shí)電壓412V 的鋰電池，消耗了90%的電量時(shí)候， 電壓仍然會(huì )保持315V. 本文設計中選用電壓調節器RT9193，即使314V 的時(shí)候，輸出電壓仍然可以穩定在313V。
表1MCP73831電路設計中指示燈的邏輯關(guān)系
3 試驗數據及結果分析
在調試中， 采用模塊化測試的方法， 最后進(jìn)行聯(lián)合調試。 對供電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試，選用可調電源，調節輸入電壓，輸出電壓及試驗數據如表2所示。 通過(guò)應急充電接口接入標準5V 電壓，斷開(kāi)RT9193，對進(jìn)行測試時(shí)，沒(méi)有連接二極管D5 ， D6 ，發(fā)現MCP73831的指示燈指示不正確。 分析發(fā)現， 不連接二極管D5 ， D6 ， 相當于RT9193直接連接在BA T引腳輸出，在MCP73831上電的瞬間， 要檢測BA T的狀態(tài)， RT9193的輸入引腳及支路連接到鋰電池的正極，直接影響到了MCP73831對BA T引腳的檢測狀態(tài)，致使充電進(jìn)入涓流充電階段。 增加D5 ， D6后，再進(jìn)行試驗，指示燈符合邏輯要求。 測試輸出電流為最大為485mA，充電電壓達到412V 時(shí)，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈亮起，完成對鋰電池的充電。 W1 接入0~10V 可調節電壓源（初始值設為5V ） ，M1 接入0~5V 可調節電壓源（初始值設為4V ） ，調節滑動(dòng)變阻器R13 ， R14. 使W 1輸入電壓6V 時(shí)LM 2903的7腳由低電平轉為高電平。 測量此時(shí)滑動(dòng)電阻器R13 = 3115kΩ， 固定此電阻值。 M1 輸入電壓315V 時(shí)LM 2903的1腳由高電平轉為低電平，測量此時(shí)滑動(dòng)變阻器R14 = 1kΩ，固定此電阻值。 此時(shí)發(fā)現LM 2903的1腳輸出處于臨界值，不停的在高低電平之間變換，繼電器JDQ2不停的通斷， 減少了JDQ2的使用壽命，極易損壞無(wú)線(xiàn)示功儀及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備， 對無(wú)線(xiàn)設備的壽命影響也極大。 分析發(fā)現：在過(guò)放電保護過(guò)程中，檢測值和比較值如果達到基本一致的狀態(tài)，則會(huì )產(chǎn)生臨界保護。為此在電阻R20與R′20之間接電解電容C13 ，通過(guò)對電容的充放電，延遲了Q4 的關(guān)斷時(shí)間，增加了開(kāi)啟和關(guān)斷的時(shí)間間隔，電容的大小決定了時(shí)間間隔的長(cháng)短。 該時(shí)間即為過(guò)放保護控制器的保護延時(shí)時(shí)間。設計選用212μF電容，測試發(fā)現延時(shí)15s左右。
自動(dòng)跟蹤控器調試，調試時(shí)W1 接5V 電源，用一只100W 燈泡照射RT1 與RT3 并移動(dòng)燈光，可以發(fā)現太陽(yáng)能采集板跟著(zhù)燈光運動(dòng)。 但穩定狀態(tài)時(shí)電機不停震動(dòng)， 此時(shí)通過(guò)在電阻R31與電阻R32之間增加一個(gè)417uF電容，延遲電機啟動(dòng)、停止時(shí)間。經(jīng)測試發(fā)現延時(shí)時(shí)間40s左右，相對太陽(yáng)照射時(shí)間來(lái)說(shuō)，此時(shí)間可以忽略不計，不影響跟蹤功能。同理在電阻R34與電阻R35之間增加一個(gè)417μF電容。 經(jīng)測試發(fā)現：可以完全消除電機震動(dòng)現象且跟蹤效果良好。各部分獨立調試完成后對供電網(wǎng)絡(luò )和充電管理芯片MCP73831進(jìn)行聯(lián)調，然后增加RT9193進(jìn)行調試， 最后實(shí)現整個(gè)系統的調試。經(jīng)測試證明， 實(shí)現了設計目標和功能要求。
4 結語(yǔ)
此智能型太陽(yáng)能充電電路，具有工作性能穩定，運行安全可靠、低損耗，高效率、結構簡(jiǎn)單，輸出電壓精度高等優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)調節占空比的供電網(wǎng)絡(luò )與電源管理芯片的相結合，過(guò)壓與過(guò)放電保護，自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)等功能是比較有創(chuàng )造性的設計方式，特別是將這些設計應用到油田無(wú)線(xiàn)示功儀和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中，是一種嶄新的嘗試，也是應用上的突破。目前本文所設計開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能充電及自動(dòng)跟蹤電路已經(jīng)成功應用于江蘇油田無(wú)線(xiàn)示功儀及其無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )中。 實(shí)踐證明該系統充電速度快，效率較高， 可以實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)， 工作穩定，維護量少。 具有較高的實(shí)用及推廣價(jià)值。
