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經查閱國內外相關文獻，在基于ZigBee技術的太陽能光伏電池組件遠程監控系統中，數據的采集電路通常由獨立的DC－DC電源模塊供電．DC－DC電源模塊負責把光伏電池組件輸出的電能轉化為數據采集電路需要的電源［1－3］．但是采用獨立的DC/DC模塊進行供電具有一定的弊端，首先它會增大了電路板的尺寸，其次會增加研發成本，最后諧波的干擾也會增大很多［4］．鑒于上述問題，本文研究了基于太陽能光伏電池模塊的微芯片電源電路．該電路巧妙利用CC2530芯片中A/D變換采集的電壓、電流數據，通過芯片中MCU分析比較產生PWM波，通過PWM控制電路中的VMOS調整管，使其輸出為5V左右的電壓，然后再通過AMS1117穩壓芯片得到3．3V穩定工作電壓．本文提出的供電電路設計有自適應和寬動態特性．因為太陽能光伏組件輸出的直流電壓在一天中變化很大，如果用多級穩壓模塊級聯，則電源電路的效率低、能耗大，該電源電路通過脈寬調制和模擬穩壓混合模式實現了對寬動態范圍輸入電壓的自適應穩壓，并具有能耗低、效率高的優點［5－6］．

1硬件部分

1．1CC2530參數CC2530集ZigBeeRF前端、微控制器和內存為一體，CC2530采用8位MCU(8051)，256kB可編程閃存和8kBRAM，并包括A/D轉換器，AES－128協同處理器，定時器，32kHz晶振的睡眠模式定時器，掉電檢測電路，上電復位電路和21個I/O端口，功能可以滿足大部分的研發需求［7］．CC2530框圖如圖1所示．CC2530芯片用0．18μmCMOS的制作工藝，CC2530在接收以及發送模式時，電流消耗都小于30mA和40mA，工作電流為20mA，是一款功耗低、集成度非常大的芯片［8］．1．2電路結構及工作原理基于光伏太陽能電池組件的微芯片電源電路結構，如圖2所示，電源電路大體用微處理器CC2530，光電耦合器，VMOS開關管T1，電阻R1、R2組成的電壓采樣電路，電阻R3以及電容C1構成的延時電路，3．3V穩壓模塊AMS1117等部分構成．額定輸出電壓24V的太陽能光伏電池組件，在太陽輻射能量最小可以接近0V輸出，最大可以高于24V．由于AMS1117穩壓模塊的輸入電壓不能超過15V，承受不住超過15V的太陽能光伏組件直接供電．為了保證電路板的安全，在此設計中通過使用VMOS管(T1)來調整太高的直流電壓，以確保AMS1117穩壓模塊的輸入電壓可以在設定范圍內改變，保證AMS1117穩壓模塊安全穩定的工作．本設計中VMOS管T1一定要在開關狀態下工作［9］．同時為了提高電路的效率，通過設置VMOS管T1的輸出電壓為5V，從而最大限度地降低了AMS1117穩壓模塊的輸入電壓，從而減少了全部電源電路的直流能耗，使整個裝置的發熱也減少了很多．如圖2，由R1和R2組成的分壓電路連接著太陽能光伏組件輸出端，用于電壓采樣．假設太陽能光伏組件的輸出電壓為US，由R1、R2組成的分壓電路的輸入電壓設為Ui．由于Ui=US，則分壓電路的輸出電壓Uof為:Uof=R2R1+R2Ui=R2R1+R2US(1)考慮到CC2530的A/D變換器，它的輸入電壓為0～1V，此設計中取樣電路分壓比設置為:Uof=US/30(2)由CC2530的A/D通道采集電壓數據后，發送至網絡協調器，該數據同時也是控制PWM占空比的依據．CC2530通過內部定時器生成PWM波然后由P0．4輸出信號驅動光耦器件．因為在電路中T1的三個電極工作時的電壓都高于CC2530的安全電壓，所以CC2530的P0．4端口與VMOS管T1的柵極直接相連．如圖2，本電路中CC2530通過光耦隔離連接到T1柵極．PWM信號通過光耦驅動VMOS管T1，在太陽能電源輸出電壓發生波動時，PWM信號占空比會發生變化，可以通過這個變化來調整AMS1117輸入電壓，包括調整VMOS管T1的輸出電壓，以確保AMS1117輸入電壓在設定的范圍內變化［10］．太陽能光伏電池組件突然對電路供電時，考慮到CC2530初始化要一定時間，不能立即產生PWM信號，AMS1117穩壓模塊突然通過太高的電壓，有可能發生危險，所以增加設計了RC延時電路，以及電源電路輸入端加裝保險絲來減少芯片發生故障時的損失，同時CC2530在獨自復位時，可能會有危險，所以在此設計中采用CC2530與RC延時電路聯動復位機制．

2軟件設計

本電路設計中CC2530芯片既承擔了數據通信及組網的任務，還承擔了控制電源輸出電壓的任務，程序設計十分關鍵．筆者在ZigBee協議的研究基礎上，對CC2530通信應用程序模塊、組網程序模塊、電源控制模塊等進行統籌設計，使通信、組網、電源管理等程序模塊協同工作．鑒于此，在電源控制程序模塊設計中，控制PWM的時用定時器來進行中斷，就是用定時器的中斷服務來生成PWM信號，保證PWM波不受其它程序的干擾．在選擇CC2530定時器時，由于Time2是Mac定時器，Time1、Time3、Time4可以用，Time2不能用．此設計中用Time1定時器來產生PWM波，通過設置T1CTL0寄存器、T1CTL2寄存器、T1CTL寄存器、T1CC0H和T1CC0L寄存器、T1CC2H和T1CC2L寄存器，即可輸出PWM波．在T1控制寄存器里，對應選項要設定成輸出對照方式，T1CC0H和T1CC0L設定成適合的固定的數值，T1CC2L與T1CC2H的數值就由A/D變換器得出的值來確定，以上過程流程如圖3．由圖3可知，PWM波占空比是通過A/D變換得出的結果來調節的．此設計中，PWM波的周期是通過T1CC0確定的，T1CC2來確定占空比．

3實驗結果分析

基于太陽能光伏組件的微芯片電源電路，其輸入的直流電源來源于太陽能光伏電源組件，當太陽能光伏電源組件輸出直流電壓US發生變化時，這個電源電路各主要測試點的電壓波動情況從圖4可看出．當太陽能光伏電池組件輸出電壓US較大幅度變化時，電源電路VMOS管T1的源極測試點電壓Uo變化幅度明顯減小，特別是當US大于10V以上時，Uo升高的幅度較小，且US與Uo之間的電壓差會變得越來越大，而CC2530的電源正極電壓U3．3非常穩定，但是當US降低到低于8V時，Uo明顯下降，US與Uo之間的電壓差越來越小，同時CC2530正極電源電壓U3．3開始下降，低于3．3V，CC2530芯片工作狀態受到影響，工作出現不穩定．由此可見，太陽能光伏電源組件的直流輸出電壓不能低于8V．

4結語

本文中CC2530的功能被充分的使用了，外圍元器件減少了很多，使得成本大大降低，而且效率提高了．分析實驗所得的數據可知，實驗結論基本可以滿足設定的指標的和功能的需求．但是，在實驗中也發現了一些問題，PWM功能啟用會對CC2530轉換數據以及轉發數據有些許影響，但由于該設計是專采集和轉發太陽能光伏電源組件相關參數的，對芯片的工作速度需求不是很高，因此該設計的目的完全能夠達到．另外在其它領域，只要對采集數據和轉發數據的效率要求不是很高，都是可以應用的．

參考文獻:

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［3］劉鋒，徐金梧，陽建宏，等．新型無線傳感器網絡節點供電方案［J］．傳感器與微系統，2011，30(3):57－59．

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［8］王戰備．基于太陽能的無線傳感器網絡節點供電系統設計［J］．渭南師范學院學報，2013，28(12):64－68．

［9］張永梅，楊沖，馬禮，等．一種低功耗的無線傳感器網絡節點設計方法［J］．計算機工程，2012，38(3):71－73．

［10］譚建軍．基于光優電池組件的Zigbee芯片供電電路設計［J］．現代電子技術，2013，36(20):163－165．

作者:鐘萬熊 徐鵬飛 朱 黎 堯志偉 黃定懿 單位:1.湖北民族學院 2.國網利川市供電公司團堡供電所