孙冬娇，王勋涛，毕 丞，厉开勇

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2. 南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044）

具有GPS功能的户外便携式太阳能充电器的设计

孙冬娇1，2，王勋涛1，毕 丞1，厉开勇1

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044；2. 南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044）

针对人们的户外作业和生活充电需求，设计了一种可以实时定位的户外便携式太阳能智能充电器。该系统以MSP430单片机、CN3063、S-8261为核心，自动在涓流充电、恒流充电及恒压充电间切换充电方式，集成GPS功能，可实时显示用户方位信息、当前时间及充电进度。经实际软硬件测试，该系统可以为锂电池安全充电，有智能安全、低功耗、光线影响小、户外便携、高实用性等特点。

太阳能；充电；MSP430；CN3063；S-8261；GPS

手机、笔记本电脑等便携式电子产品正逐步成为人们生活的必需品，而户外作业或生活时，经常遭遇电子产品没电、电量不足，如得不到及时充电，将给用户带来不必要的麻烦和经济损失。而太阳能作为一种绿色清洁能源，可以满足人们不受地域限制、随时为便携式电子产品充电的需求。目前，市场上存在的太阳能充电器大多只有基本充电功能，且充电器体积大、功耗高，易于损坏充电电池，光线不足则无法继续为电子产品充电。针对这些不足，本文设计了一种新型太阳能智能充电器。

该充电器采用超低功耗控制核心，利用蓄电池储存电能，以供阴雨天等光线不足条件下继续为锂电池充电。采用CN3063、S-8261实现对锂电池充电的智能管理，自动在涓流充电、恒流充电、恒压充电等充电方式间切换，保护电池，延长其使用寿命。该系统还集成有GPS功能，液晶屏可实时显示经纬度、时间和充电进度等信息，本系统体积小便于携带，更利于户外出行使用。

1 系统总体设计及工作原理

本系统以超低功耗MSP430单片机为主控制器、CN3063（电池充电管理芯片）、S-8261（电池充电保护芯片）为核心，加以光电转换模块、电源模块、GPS模块及液晶显示模块组成。当光线条件适宜时，太阳能接收板进行光电转换，蓄电池储存电能，经升压电路后给各模块供电。当光线不充足时，系统进入低功耗，蓄电池继续为锂离子电池充电。单片机和CN3063管理电池充电，在电池电压较低时，采用涓流充电；当电池电压升至预充电阈值时，采用恒流充电；当电压升至稳压电压时，采用恒压充电，充电电流逐渐减小。另外，GPS模块实时提供用户方位，液晶显示模块默认处于低功耗模式，触发后可显示用户方位、当前时间和充电进度等信息。

该充电系统的硬件框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of system

2 系统的硬件设计

2.1 主控芯片简介

考虑到系统低功耗及功能的实现，主控芯片选用MSP430F149单片机。该芯片是美国德州仪器（TI）推出的16位系列超低功耗单片机，工作电压在1.8 ～3.6 V范围之间，正常工作时功耗可控制在200 μA左右，有5种低功耗模式（LPM0～LPM4）可供选择，唤醒只需6 μs，可实现2 μA甚至0.1 μA的低功耗。适于采用电池长时间供电的工作场合，且在8 MHZ晶体下运算能力达到1 MPS。自带有ADC12模块，能够实现12位模数转换精度[1]。多用于智能仪表、智能家电、电池供电便携式设备中。

本设计采用MSP430F149单片机为主控芯片，不仅可以直接应用其内部集成的12位A/D，还可使单片机进入低功耗模式，有效减少系统功耗，节约电能。

2.2 电源模块

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。只要被光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。目前太阳能电池主要分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。其中单晶硅太阳能电池板的光电转换率为15%一20%,甚至可达到24%,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,使用寿命一般可达15年,最高可达25年。多晶硅电池板的转化率约为12%左右,非晶硅约为10%左右,在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面,单晶硅优于多晶硅和非晶硅电池[2],故本系统的太阳能电池板采用单晶硅电池。

本设计的太阳能接收模块选用的是两片规格为5 V/25 0mA，尺寸为15 cm*5 cm的太阳能单晶硅电池板，体积小可折叠，便于户外携带。将其放在光照条件下，经过光电转换给蓄电池充电，经过升压电路后，可为各个模块提供电源。

2.3 电池管理模块

锂电池的特性较为活泼，对充电的电压电流要求较高，所以需要管理芯片来管理充电，延长其使用寿命。本系统采用CN3063锂电池充电管理芯片，该芯片可以用太阳能电池直接供电，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，内含功率晶体管、8位AD转换电路以及热调制电路，只需要极少的外围元器件，便可以对电池进行充电管理，自动在涓流充电、恒流充电及恒压充电间切换充电方式。

电池充电管理电路如图2所示，其中引脚8所接电阻的计算公式为 RX= ( Vbat- 4 . 2 ) / ( 3 . 0 4 * 1 0 - 6 ) ，其中 Vbat为电池恒压充电的电压，根据计算公式及重复试验得出，电阻取3.6K较合适。引脚2所接电阻的计算公式为RISET=(VISET* 9 00)/ICH其中ICH为恒流充电电流，约为560 mA,计算可得电阻为3.2 kΩ。接在引脚6和引脚7的两个不同颜色的二极管，是用来指示充电状态的。当充电结束时，引脚6被内部开关拉到低电平，对应的绿色二极管被点亮，单片机根据P3.2端口电平得知充电是否结束。当正在充电时，引脚7被内部开关拉到低电平，对应的红色二极管被点亮，单片机根据P3.1端口电平得知是否正在充电[3]。通过给P3.0端口传送高/低电平，可手动关闭/开启锂电池充电。

图2 电池管理电路Fig.2 Circuit of battery management

2.4 电池保护模块

锂电池的特性决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，为了防止电池被损坏，保护用户的安全，锂电池充电需要采用电池保护电路。本系统采用的电池保护芯片为S-8261，该芯片内置高精度电压检测电路和延迟电路，最适合对1节锂电池或锂聚合物可充电电池组的过充电、过放电和过电流的保护。

班主任要有强烈的责任心，尽可能减少工作失误，一旦出现教育方法不当，及时对学生做思想工作和心理补偿，促使矛盾化解。

电池充电保护电路如图3所示，DO为放电控制用FET门极连接端子（CMOS输出）；CO为充电控制用FET门极连接端子（CMOS输出）；VM为VM-VSS间的电压检测端子（过流检测端子）；DP为延迟时间测定用测试端子；VDD、VCC分别为电源正负极；C1、R2组成RC电源输入电路；MOSFET1、MOSFET2分别为充电、放电控制场效应管；R1为电压检测电阻。当负载发生过流或短路故障，电流经MOSFET1在内阻上产生压降，然后VM端子通过R1检测该点电压或电流超过阈值时，DO端子发出控制信号，关闭放电控制用MOSFET1停止放电[4]。当电池发生过充故障，电流经MOSFET2在内阻上产生压降，然后VM端子通过R1检测该点电压或电流超过阈值时，CO端子发出控制信号，关闭充电控制用MOSFET2停止充电。如果充、放电的电压、电流均正常，则该充电保护电路正常工作。

2.5 GPS模块

具有户外充电需求的用户基本都是户外工作者或出行者，该部分用户大多需要及时了解自己的地理方位，出于方便用户的考虑，在新一代锂电池充电器中增加了GPS功能。本系统的GPS模块选用的是HOLUX M-87 GPS接收芯片， M-87系统内存4 MB，对于导航应用提供高达-159 dBm的绝佳灵敏度与快速的第一次定位时间，可搜寻多达32个卫星频道，定位精度＜3 m，具有快速位置修正、在恶劣环境下持续工作的优点[5]。

图3 电池充电保护电路Fig.3 Circuit of charging protection

GPS模块遵循GPS导航设备标准通信协议NMEA-0183，默认波特率是4800，无奇偶校验，一个停止位。M-87通过RXA引脚(串行数据输入端)、TXA引脚(串行数据输出端)与MSP430单片机的串行通信接口USART1进行数据通信，单片机读取M-87所接收的数据,并将处理后得到的经纬度和时间显示在液晶屏上。

2.6 升压电路

该系统中各模块需要的供电电压为5 V，而提供电源的蓄电池的输出电压为4.2 V，所以需要一个升压电路将电压升至5 V。升压电路采用的芯片是LTC1700，该芯片是一款电流模式同步升压DC/DC控制器，可以将3.3～4.2 V范围的电压转换为5 V，转换效率高达95%。升压电路如图4所示。

图4 升压电路Fig.4 Circuit of booster

3 系统的软件设计

3.1 充电控制部分软件

CN3063可智能切换锂电池充电方式，其完成初始化后即可工作。CN3063启动后，MSP430通过P3.1和P3.2读取当前充电状态和采集充电电压和电流[3]，计算充电进度并在液晶屏上显示。该系统提供外部开关，可用于手动关闭和开启CN3063。

充电控制程序流程图如图5所示。

图5 充电控制流程图Fig.5 Flow chart of charing control

3.2 GPS模块软件

要得到用户位置，只需测得三颗及以上卫星的位置 Xn,Yn,Zn及用户和各个卫星的距离r1，r2，r3。距离测量方法：通过测量信号从卫星发射到GPS模块接收所用的时间，乘以信号传播速度，就可以求得距离：r=C×ΔT。然后根据

GPS接收程序流程图如图6所示。

图6 GPS接收流程图Fig.6 The flow chart of GPS receiving

采用中断方式接收GPS发送的信号，避免不断查询带来的资源浪费，降低系统功耗。GPS接收机输出数据格式是NMEA-0183，这是一套用来定义GPS接收机输出数据的标准协议，主要包含以下几种类型的数据：$GPGGA（全球定位数据）、$GPRMC(运输定位数据)、$GPZDA（UTC时间和日期）、$GPGSV（卫星PRN数据）、$GPGSA(卫星状态信息)、$GPGLL（大地坐标信息）、GPVTG（地面速度信息）等。考虑到系统实际需求，本系统中我们选用的是$GPRMC，即GPS推荐定位信息，其数据包含有经纬度和时间等信息。当处理器接收到GPS的定位信息后，首先对接收的数据进行判断，如若是$GPRMC类型，则进行提取、处理，然后将具体定位信息和时间显示在屏幕上，如若不是则会继续接收、判断[6]。

接收GPS定位信息程序如下：

将格林时间转换为北京时间函数：void Gelin_beijing(uchar table[16])

4 系统测试

本系统的测试主要包括经纬度、时间、充电电压、电流的测试。当前测试结果为：经度为32o12′15″，纬度为118o42′26″，时间为17:38:36，充电进度为51%，如图7所示。

图7 系统测试图Fig.7 Figure of system test

充电控制部分的测试选用的是3.7 V/ 1500 mA的锂电池。测试过程记录如表1所示。

表1 充电测试结果Tab.1 Result of charging test

由测试结果可知，该智能充电器在预充电阶段采用涓流充电；在充电电压大约升至3 V即达到20%进度时，进行恒流充电；在充电电压大约升至4.2 V即达到90%进度时进行恒压充电，直至充电结束。整个充电过程没有出现过流或过压充电，采用涓流充电、恒流充电、恒压充电等智能充电方式以保护电池，延长其寿命，避免出现过充等危险。

5 结束语

针对目前市场上太阳能充电器体积大、功耗高，易损坏锂电池，易受光线影响等问题，设计了一种可以实时定位的户外便携式太阳能智能充电器。该系统不但具有市场上现有产品的功能，还集成了蓄电池、电池管理保护及GPS功能。本系统内置蓄电池能够为各模块供电并储存电能，以满足夜晚、阴雨天等光线不充足情况下的充电需要；采用CN3063电池管理芯片、S-8261电池保护芯片，延长电池使用寿命和保护用户安全；GPS能够实时定位，满足出行用户及时了解自己方位的需求。通过样机实验得到：对完全放电的手机锂

电池充电至饱和状态约需4小时，温度在25～30 ℃，完全符合锂电池充电的安全要求。从整体上来看，电路的控制精度高、体积小、重量轻，适合为各类采用锂电池供电的电子产品充电，具有很强的扩展性和推广价值。

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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 稿件编号：201404269

国家自然科学基金(61307061);江苏省高校自然科学研究计划项目(13KJB510017); 南京信息工程大学教改课题(N1885013232)

孙冬娇（1976—），女，青海西宁人，硕士，实验师。研究方向：嵌入式系统设计。