一种无线监测终端太阳能供电系统设计

一种无线监测终端太阳能供电系统设计
王志华;陈高锋
【摘要】太阳能是一种绿色、无污染、技术成熟、取用方便的能源.文章基于设计一套简单、稳定、可靠的无线监测终端太阳能供电系统为目的,采用模块化的设计方法,介绍无线监测终端太阳能供电系统的设计过程,包括系统的需求分析与设计、锂电池和太阳能电池板的选取、充电管理电路设计、放电管理电路设计、系统测试与分析.通过测试结果分析,该系统工作稳定可靠,完全能够满足系统设计要求.
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2019(027)010
【总页数】5页(P6-9,14)
【关键词】监测终端;太阳能供电;锂电池;电源
【作者】王志华;陈高锋
【作者单位】杨凌职业技术学院陕西杨凌712100;杨凌职业技术学院陕西杨凌712100
【正文语种】中文
【中图分类】TN710
太阳能是大自然赐予的一种取之不尽、用之不竭、无污染的绿色节能环保能源。

自国家“十二五”规划明确提出大力发展光伏等新能源产业以来，太阳能的研究已受到越来越多的重视[1]，技术日益成熟，在工农业生产中的应用越来越广泛。

利用
太阳能可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失，而且安装简单，维护方便[2]。

ZigBee是一种新兴的短距离无线网络技术，具有低成本、低功耗、体积小等特点，兼具经济、可靠、易于部署等优势，其通过布设大量的无线传输模块构建一个庞大的无线数据传输平台，模块之间可以相互通信，在工业控制、环境监测、智能家居、医疗护理、安全预警、目标追踪等场合应用广泛[3]。

在以ZigBee无线传感器网络为基础的环境信息监测方面，通常监测范围较广，监测终端功率较小，布设随机性强，布线不便，在这种情况下，监测端可以采用太阳能供电的方式，充分发挥太阳能供电的优势。

1 系统需求
现有一基于ZigBee无线传感器网络的环境控制系统，该系统从结构上由数据采集部分、主控中心、数据传输部分、执行机构等组成，采集部分连接有温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器，实现环境数据的采集和传送[4]。

原先该采集部分是通过市电经变压整流后供电，由于监测范围地形复杂，布线较为困难，干扰较大，现改由太阳能系统供电。

采集部分功能框图如图1所示。

图1 采集部分功能框图
采集部分在工作时，需要提供电源的有CC2530核心模块、温湿度传感器、CO2
传感器、光照传感器，其中温湿度传感器采用广州奥松公司生产的DHT11数字式传感器，光照传感器采用BH1750FVI数字型光强度传感器集成电路，CO2传感
器采用通用智能小型二氧化碳气体传感器MH-Z14A。

CC2530核心模块工作时，需要3.3 V的电压供电，有多种工作模式，不同的模式工作电流不同，其最大工作电流约为30 mA。

DHT11温湿度传感器工作在5 V，工作电流不超过0.5 mA。

BH1750FVI数字型光强度传感器工作在3.3 V，工作电流约为80 mA。

MH-
Z14A传感器工作在5 V，工作电流通常不超过60 mA。

通过分析可知，采集部分在工作时，需要3.3 V和5 V两种规格的电压，约不超过170 mA的工作电流，每隔30分钟采集一次传感器数据，其余时间处于休眠状态。

在休眠状态，采集部分需要的工作电流是μA级，故忽略不计。

我国幅员辽阔，据统计，我国平均连续阴雨天数的最大值是6.7天，最小值1.3天，平均值为2.6天[5]。

综合考虑没有太阳的阴雨天和冬季太阳光较弱的情况，本次按照连续阴雨没
有太阳不能充电的天数为20天进行设计。

2 太阳能供电系统设计
2.1 总体结构设计
在该无线监测终端太阳能供电系统设计中，能量来自于两个方面，一方面是太阳能电池板，另一方面是电源适配器或USB接口输出，太阳能电池板优先，适配器或USB接口充电只是一种备用选项，在特殊情况下使用。

充电管理电路管理外来的
能量并向锂电池充电，实现充电保护，防止过充，其核心为可自动调整充电电流的单节锂电池充电管理芯片ZS6075。

放电管理电路实现对放电过程的管理，放电电压的监测，避免过度放电，通过DC-DC转换电路，输出3.3 V和5 V的直流电，提供给相关的负载使用。

图2为太阳能供电系统总体结构示意图。

图2 总体结构示意图
2.2 锂电池的选取
根据系统需求，选用3 000 mA.h的聚合物锂电池，该电池正常放电电压为3.7 V，充满电后电压为4.2 V，正常工作电压为3.6到4.2 V。

根据前面分析，采集部分
工作电流是170 mA时，3 000 mA.h锂电池可以连续工作约17小时。

按照系统要求，采用定时采集，每隔30分钟采集一次数据，每次工作50 s，其余时间处于休眠状态，休眠状态能耗较低，忽略不计，则3 000 mA.h的电池大概可以连续工作26.4天，完全可以满足系统设计要求。

2.3 太阳能板的选取
太阳能电池板选取时主要考虑其输出电压和输出电流，通常输出电压要大于锂电池工作电压的最大值，输出电流主要决定充电时间。

本系统选用3 000 mA.h的锂电池，工作电压为3.7 V，充满后电压为4.2 V。

根据需要，这里选用输出工作电压
为5.5 V，输出工作电流为360 mA的太阳能电池板，尺寸为194×77 mm。

理论上，在完全没有电的情况下，8.3个小时可以充满锂电池，实际上，由于电池不是在完全没有电时才充电，故实际充电时间会小于8.3个小时，在一年内的大多数天数，可以实现1天内充满。

2.4 充电管理电路设计
充电管理电路是系统的核心部分，其前面连接太阳能电池板，后面连接锂电池，实现对电池充电过程的过压、过流保护，同时防止由于过度充电对电池造成损伤。

充电管理电路的控制核心采用充电管理芯片ZS6075，该芯片是一款专门用于单节锂电池可自动调整充电电流的充电管理芯片，其内部包括功率晶体管、8位模拟到数字转换电路、热调制电路等，使用时不需要外部的限流二极管和电流检测电阻，其能够自动调整充电电流。

ZS6075电压输入范围为4.4 V到6 V，内部设定的恒压
充电电压为4.2 V，也可以通过一个外部的电阻调节充电电压。

ZS6075具有恒流、恒压、恒温3种充电模式，能够自动调整，实现充电电流的最大化，具有热保护
功能，防止芯片过热。

热调制电路能够实现在环境温度比较高或功耗比较大的时候将芯片温度控制在安全范围内。

另外，ZS6075还具有其他功能，包括自动再充电，电池温度监控，输入电压过低锁存以及充电状态、充电结束状态指示等。

充电管理电路如图3所示，其有2路输入电源可选择对锂电池进行充电，第一输
入为太阳能电池板，第二输入为电源适配器或USB接口，当二者共同存在时，第
一输入具有优先权，第二输入只是一种备用选项，在特殊情况下使用。

当太阳能电池板的第一输入电压高于第二输入电压时，P沟道的功率场效应管Q1（2SJ48）
截止，防止电流从第一输入源流向第二输入源，D1为肖特基二极管，防止第二输
入通过电阻R1形成回路消耗能量。

VIN为电源电压输入端，工作电压为4.4 V到
6 V，CHRG为正在充电状态指示端，DONE为充电结束状态指示端，FB为电池
电压检测输入端，BAT为电池连接端，TEMP为电池温度检测输入端，ISET为充
电电流监测及恒流充电电池设置端。

图3 充电管理电路
ZS6075芯片内部设有睡眠状态比较器，当VIN端输入电压低于电池端电压20 mV时，ZS6075进入睡眠状态；当VIN端输入电压上升到超过电池端电压50
mV以上时，ZS6075结束睡眠状态，进入正常工作状态。

当输入电压大于电池端电压和低电压检测阈值时，ZS6075开始对电池充电，此时CHRG输出低电平，
发光二极管D3点亮，表示充电正在进行。

当输入端FB的电压低于3 V时，
ZS6075将用小电流对电池进行预充电，充电电流被设定为恒流充电模式充电电流的10%。

当输入端FB的电压超过3 V时，ZS6075转而采用恒流模式对电池进行充电，此时充电电流由ISET和GND之间的电阻R3来确定，其计算公式为
ICH=1 800V/R3。

在本设计中，R3电阻选用1.8 kΩ，恒流充电电流可达到1
000 mA。

但在实际电路中，由于受到太阳能电池板最大输出电流限制和负载大小变化影响，ZS6075的电流输出能力往往小于所计算的恒流充电电流，其内部的模拟到数字转换电路能够根据电流输出能力调整充电电流，使得充电电流最大化，提高充电效率。

当输入端FB的电压接近电池端调制电压时，充电电流将逐渐减小，ZS6075进入恒压充电模式。

输入端FB所接的可调电位器RX可以调整充电电压，其计算公式为Vbat=4.2+3.04×10-6×RX，其中 RX的单位为欧姆。

当VIN端输
入电压大于4.45 V，充电电流小于恒流充电电流的10%时，充电周期结束，CHRG输出高阻态，DONE输出低电平，发光二极管D2点亮。

如果要开始新一轮的充电周期，可以将输入电压断开，然后再重新上电。

当输入端FB的电压降到再充电阈值以下时，将自动开始新一轮的充电周期。

当输入电压
VIN低于电池电压时，ZS6075再次进入低功耗睡眠模式，消耗的电流小于3 μA，增加待机时间。

充电过程如图4所示。

图4 充电过程示意图
ZS6075内部有电池温度监测电路，是为了防止电池温度过低或过高对电池造成损伤。

通过测量TEMP管脚的电压来实现电池温度的监测，当TEMP管脚的电压大
于46%×VIN且超过0.15 s时，芯片正常工作；当TEMP管脚的电压小于
46%×VIN且超过0.15 s，ZS6075将认为电池的温度超出范围，充电将被暂时停止，当TEMP管脚的电压重新大于46%×VIN且超过0.15 s时，充电又将会继续。

2.5 放电管理电路设计
放电管理电路主要由3部分组成，分别为电池端电压检测芯片CN301，三端稳压芯片LD1117V33，同步整流升压芯片PS7516。

其电路图如图5所示。

CN301是一款低功耗的电池电压检测芯片，输入端LBI通过外部电阻R4和R5构成的分压网络检测锂电池电压，当锂电池电压低于过度放电低电压检测阈值时，输出端LBO输出低电平，N沟道场效应管Q2（2SK135）栅极为低电平，Q2截止，其漏极（也就是P沟道场效应管Q3的栅极）为高电平，场效应管Q3（2SJ49）
截止，进而使得锂电池放电回路被切断，升压模块PS7516的电源端VCC和降压模块LD1117V33输入端IN没有输入电压，两个芯片均不工作；反之，若LBI输
入端电压高于经R4、R5分压后的锂电池过度放电低电压，LBO输出高电平，场
效应管Q2（2SK135）栅极为高电平而导通，其漏极（也就是P沟道场效应管Q3的栅极）为高电平，场效应管Q3（2SJ49）导通，锂电池输出电压分别输入到升
压模块PS7516的电源端VCC和降压模块LD1117V33输入端IN。

图5 放电管理电路
当输出电压加到三端稳压芯片LD1117V33的输入端IN时，LD1117V33芯片工作，并输出稳定的直流3.3 V电压。

在该部分，电容C3的作用是抑制输入纹波，
以保证输入端电压变化时，输给LD1117V33的电压恒定；电容C4的作用是抑制转化后电压产生的纹波，保证输出的电压平滑。

PS7516是一款高效的同步整流升压DC—DC转换器，输入电压范围为2.0～5.5 V，输出5 V电压，转换效率高达96%。

当输出电压加到电源端VCC时，
PS7516工作并输出稳定的直流5 V电压，在该部分电路中，电容C5和C6用来
抑制输入文波，确保输入电源电压稳定；电阻R7上端接电源端，下端接PS7516的允许工作端En以确保只要有锂电池电压输入，其一直保持在高电平的工作状态；LX端与VCC端所连接的电感L1用于减小电流的纹波；电位器RV1和电阻R8构成的串联网络用来调节电压输出Vout，其中输出电压 Vout=0.8 V+
（1+RV1/R8），电容 C7和 C8抑制电压转化后的文波变化，确保升压后的输出
电压稳定。

3 测试结果与分析
在系统设计并制作完毕后，在陕西某地进行了测试，在测试区域内布设4个无线
测试终端，安装太阳能板采用太阳能供电，每天观察测试终端工作情况，记录充电和放电电压及时间。

人为的消耗完锂电池电能，观察在不同天气情况下的充电情况。

在电池充满电后，人为的遮盖其中2个测试终端的太阳能电池板，观察电池的工
作时间。

经过对观察数据分析，可以得出以下结论：在正常的晴天，锂电池通常5～8小时就可以充满电，充电过程中，充电电压稳定，当电池充满后，能够自动
停止充电。

在正常工作时，经放电管理电路，输出稳定的3.3 V和5 V直流电压，电池充满后，可以连续工作30-40天，当电池达到最低放电电压时，能够自动停
止放电。

4 结束语
电源是各类系统中重要和必须的组成部分，太阳能是清洁无污染的能源，其供电技术成熟，机动灵活性强，特别适用于布设供电线路不便的地方。

文中以ZigBee无
线传感器网络监测终端太阳能供电系统设计为例，阐述了各部分的设计过程，特别是充电管理电路和放电管理电路的设计，对小功率太阳能供电系统的设计和应用具有一定的借鉴作用。

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