2019年第2期
43方案与应用
信息技术与信息化
戴寅松* 徐长帅 马思宇
DAI Yin-song XU Chang-shuai MA Si-yu
摘 要 文章介绍了一款基于单片机控制的太阳能充电系统，主要包括温度监控传感器、太阳能收集模块，电池 充电管理模块，显示模块和单片机控制电路。通过软件逻辑处理和硬件设计及制作，此太阳能充电系统可以实现，在太阳能充足的时候使用太阳能收集模块收集太阳能通过智能芯片转换为电能以供使用，同时支持利用电网为电池供电保证续航。除此之外，系统还可以实时显示电池的容量信息和电池温度信息。 该太阳能充电系统实现了对太阳能的有效收集，并将电能储存在锂电池中。提高了户外设备长时间自主供电能力，成本低，应用前景广。
关键词 太阳能；充电系统；STM32；锂电池；电池温度
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2019.02.010
* 南京邮电大学通达学院 江苏扬州 225127
[基金项目]江苏省大学生创新创业计划（NYTDA2018006Y），基于单片机的太阳能手机移动电源设计
1 绪论
目前，中国已成为太阳能光伏发电的重要生产基地，并逐步形成了各项环节的成熟产业链，光伏产品普及是必然趋势。同时随着随身电子产品的广泛应用，随身携带的充电设备已经是出行必备的物品，但是一旦电量耗尽，不便之处尽显。所以，利用光伏这一易于获得的特性，本设计能够很好得解决这个问题，利用太阳光为电池进行电量的补充，作为设备没有电的应急措施。此系统采用太阳能电池板采集太阳能，并利用锂电池充电管理芯片实现对能量的收集和对充电过程的实时监控，实现OLED 显示屏实时显示当前电池容量以及温度传感器监测的电池温度。论文主要从STM23F103C8T6单片机如何检测传感器信号，如何控制OLED 显示充电状态出发详细介绍了各个部分工作原理。 2 概述
太阳能充电系统
[1-3]
的工作原理是采用太阳能充电板
采集太阳辐射光的能量，电池充电管理芯片实现将采集和转换而成的电能存储在锂电池或其它储能设备中，该系统一般包括单片机控制器、太阳能电池板，锂电池充电管理电路、OLED 低功耗显示器，用户控制按键和电池温度监测模块部分。如图1所示，当太阳光照射到太阳能电池板后，充电管理芯片开始工作将电能稳压后存储在电池中，同时电压测量模块和温度测量模块实时监测电池健康状况和充电状况。
图1 太阳能充电系统原理图
太阳能电池板 [4]
一般安装在朝向太阳且无遮挡的地方，
可以接收太阳辐射能量。目前的太阳能电池板一般采用制作好的模块，如本系统采用的太阳能电池板具有双引脚，大大
简化了对太阳能接收和能量转换电路和信号处理的工作量，具有较强的可靠性。太阳能电池板根据不同的制作工艺，不同大小的受光面积有着不同电能输出能力的电池板。
电能监测电路和电池温度监测电路[5-10]具有实时监测能量转换状况和电池温度等电池健康信息，本系统采用较为常见的AD7705模块和18B20温度测量传感器组成。在实际的工业应用中应当采用更加全面，精度更高的传感器。
3 总体设计
投币饮水机
图2 系统总体结构框图
方案与应用信息技术与信息化
太阳能充电系统结构的组成框图如图2所示。该系统包括温度和电压传感器、STM32单片机工作电路、太阳能电池板、电池充电管理芯片，18650电池，OLED显示器等几部分。
3.1 太阳能能量接收模块
通过吸收光线，太阳能电池板将光照辐射能通过光电效应转换成电能。同时，考虑到多晶太阳能电池板成本较低，性价比较高，所以本设计采用多片多晶太阳能电池板设计，达到较好的收益。
3.2 电池充电储能模块
电池储能模块[3]通常由锂电池构成，通常按照规格可以分为若干种型号的锂电池，常见的为18650锂电池。太阳能电池板直接出来的电能并不能直接给电池充电，若直接充电将会损毁电池或导致充电效率低下。通常使用锂电池管理芯片给18650电池充电管理。
3.3 电压测量模块
电压测量模块的存在则避免了电池的过放电，通常锂电池正常工作电压为3.7V-4.2V，如果低于3.7V工作将会对电池产生损伤，如果放电过多，将会给18650锂电池造成永久的损伤导致电池充不进电。
3.4 温度测量模块
温度测量模块由18B20温度传感器组成，温度测量模块主要监测电池表面的温度，通常锂电池在超过额定的放电电流大小放电或超过额定充电电流大小的电流充电时会导致电池的温度升高，温度升高或带来电池的爆炸危险或带来电池的容量衰减不良后果，因此监测电池温度是有其实际意义的。
3.5 其他说明
系统分为硬件部分和软件部分。本论文主要设计制作硬件部分以及STM32F103C8T6单片机程序。对于STM-32F103C8T6的硬件部分则涉及到单片机最小系统的制作。一个单片机最小系统通常包括供电电路，晶振电路，IO输入输出电路，下载电路组成。
4 硬件设计
4.1 CPU控制系统
在太阳能充电系统中，单片机工作电路主要实现逻辑控制，检测按键与红外热释电传感器输入，驱动
蜂鸣器声音报警电路和驱动发光LED报警电路。单片机采用STM-32F103C8T6微控制器，通常STM32的IO口是可以根据需要配置成上拉输入，下拉输入，推挽输出，开漏输出等模式。外接不同的传感器或与OLED显示器通信的引脚需要配置成不同的模式。
4.1.1 晶振工作电路
晶振指的是STM32F103C8T6系单片机上常见的用于外接晶振（晶体振荡器，Crystal Resonator）的两个引脚。从原理上分析，这两个引脚直连STM32F103C8T6内部一个反相器。这个反相器与外部的晶振组成一个构成一个皮尔斯振荡器（Pierce oscillator）。
4.1.2 JTAG接口
JTAG是一种仿真和下载接口。JTAG的基本原理是芯片设计厂商在芯片内部集成一个硬件测试访问接口口（Test Access Port），一般通过通用JTAG测试软硬件工具（如keil自带的在线仿真调试模块，ARM公司的JLINK-V8硬件仿真下载器）对内部节点进行测试。
4.1.3 电源指示灯
分布式kvm电源指示灯用于指示电源是否接通，采用电源串联一颗510欧姆电阻和发光二极管构成。其中电阻的阻值选取可根据实际场景需要的亮度和不同颜的发光二极管来计算。
4.2 锂电池管理模块
锂电池充电管理模块[11]负责将太阳能电池板送入的电能适当调理后给18650电池充电。如图3所示：“SUN+”和“SUN-”外接太阳能电池板的2根引脚，作为电能输入线；“VCC”和“GND”为芯片工作所需要的直流电源正极和负极；“BET+”和“BET-”则接18650电池的正极和负极。同时电池的正极接入到ADC
模块的测量输入端用于监测电压。
涤绒
图3 锂电池充电管理模块
4.3 OLED
显示电路
图4 OLED12864显示模块
2019年第2期44
以车代磨方案与应用信息技术与信息化
有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)，是一种低功耗，高对比度，极高反应速度的高端显示器，其低功耗特性非常适合于太阳能供电系统中的显示输出部分。如图4为OLED12864的接口部分，从图中我们可以看到OLED采用IIC协议和STM32单片机通信。
4.3.1 IIC协议
本系统用到的OLED12864需要用到IIC协议通讯。IIC 协议主要由SDA和SCL两根数据总线组成。SDA负责传输数据，SCL则负责同步时钟（同步的作用是两台机器之间需要工作在一个步调进行数据传输）。图5为IIC通信的数据时序变化图。通常在SCL在高电压转台时（数据1）时读取SDA 总线上的数据，在低电压则不读取SDA数据，此时不论SDA 如何变化都是无效的。一般IIC通信的时钟不会高于400K，自古以来通信速率和误码率就是一个鱼与熊掌不可兼得的东西，通信速率过快则误码率容易高，速率太低则传输效率大打折扣。
图5 IIC通信的数据时序变化图
4.4 电压测量电路
为了在电池充电和放电过程中实时监测电压(锂电池电压和电能具有对应关系，通过电压可以换算成电池当前的电容量)，通过外接AD7705电压测量芯片实时监测18650电池两端的电压。如图6所示，AD7705模块也采用IIC协议和STM32
通信。
止血带压力图6 ADC电压测量模块5 软件设计
5.1 总体方案
该系统的的软件编写部分主要涉及STM32单片机IIC通信的寄存器读写，单片机IO口读写灯。软件的业务流程主要涉及IIC总线读电压和温度传感器状态，驱动OLED显示电容量，电池温度信息。单片机软件编写采用keil for ARM，语言是标准C语言。
5.2 程序流图
该系统的的软件编写部分主要流程图如图
7。
图7 系统逻辑流程图
6 结论
本文实现了太阳能充电系统，电池容量监控，电池温度监控，OLED显示系统状态等功能，实现了较为完整的太阳能充电系统。优势在于将智能芯片植入到太阳能充电系统中，用单片机代替传统的电路控制，在此基础上通过可视化界面实现了系统的智能和可控。主要设计方案如下：
（1）AD7705电压传感器在采集电池两端电压后通过IIC总线向STM32单片机汇报实时电压状况。
（2）18B20温度传感器测量电池的温度，通过单总线和温度传感器通信实现温度的实时传输。
（3）OLED12864采用IIC总线和STM32通信，实现了电容量和温度的实时显示。
（4）软件编写主要用到IIC寄存器读写，单片机IO口控制。编程语言采用C语言 。
2019年第2期45
2019年第2期46
方案与应用
信息技术与信息化
基于FDM 技术工业级3D 打印机的设计与应用
Design and Application of Industrial Grade 3D Printer Based on FDM Technology
陈成军* 杜祥星 李章朋
CHEN Cheng-jun DU Xiang-xing LI Zhang-peng
摘 要 本文以FDM 3D 打印技术为研究基础，以颗粒状热塑性塑料为打印耗材，对适用于工业应用领域的中大
型FDM 3D 打印设备进行设计及应用研究，针对行业应用中遇到的技术及工艺问题，提出了自己的解决方案。
关键词 3D 打印；FDM 工业级；增材制造
短期负荷预测
Abstract Based on the research of FDM 3D printing technology,use granular thermoplastics as printing consumables, do design and apply research on the medium and large FDM 3D printing equi
pment suitable for industrial applications. Aiming at the technologies and process problem encountered in industrial applications, present this solution. Key words 3D printing；FDM industrial grade；Additive manufacturing
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2019.02.011
* 山东晨灿机械设备股份有限公司 山东德州 2511001 引言
自20世纪80年代以来，3D 打印技术逐渐进入人们视野，并在欧美等发达国家得到快速发展，现已发展出选择性激光烧结（Selecting Laser Sintering，简称SLS）、熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，简称FDM）、光固
化成型（Stereo lithography Apparatus，简称SLA）、三维粉末粘结（Three Dimensional Printing and Gluing，简称3DP）等多种形式，打印材料也趋向多样化，光敏树脂、石膏、混凝土、尼龙、ABS、PLA、碳纤维复合材料、金属粉末、树脂砂等材料均在3D 打印技术中得到应用，并在工业设计、航天航空、模具制造、医疗卫生、景观模型、建筑建材等领域得到应用。3D 打印技术（增材制造）与传统制造技术（减
材制造）形成优势互补，在复杂构件、新产品开发、协同制造、
参考文献
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（收稿日期：2019-01-26）
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