林正昊，朱峪君，蔡婧瑤

1 設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景與意義

目前太陽能無線充電寶所用的控制方式與產(chǎn)品所展現(xiàn)的性能等方面逐漸不能滿足科學(xué)需求，其中控制方式繁瑣，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)往往出現(xiàn)卡頓或者“死機(jī)”現(xiàn)象以及反映時(shí)間緩慢，并且目前的太陽能無線充電寶產(chǎn)品的功能單一而且此系統(tǒng)無法擴(kuò)展，因此把嵌入式系統(tǒng)方案引入到太陽能無線充電寶系統(tǒng)中很有必要，從而可以推動(dòng)了此產(chǎn)品和相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展。

2 太陽能充電寶系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 太陽能無線充電寶功能設(shè)計(jì)

本太陽能無線充電寶實(shí)現(xiàn)功能如上:

（1）通過無線充電器并接給鋰電池供電，同時(shí)給檢測是否再給鋰電池進(jìn)行充電。

（2）鋰電池經(jīng)過升壓模塊，給整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)及顯示進(jìn)行供電。

（3）顯示充電式累計(jì)時(shí)間:達(dá)到進(jìn)行充電計(jì)時(shí)，達(dá)不到自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)格式時(shí)/分/秒/0.1秒。液晶顯示是否在充電狀態(tài)。無線充電器模塊分兩部分，一部分接系統(tǒng)經(jīng)升壓模塊12V供電輸出感應(yīng)，另一部分接收感應(yīng)，經(jīng)降壓模塊輸出5V給設(shè)備充電。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)主要有信號采集處理模塊，控制中樞系統(tǒng)模塊與外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，太陽能無線充電寶系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)如上圖1所示。

圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

太陽能無線充電寶系統(tǒng)主要由信號外界環(huán)境輸入模塊、單片機(jī)控制中樞、信號輸出模塊和通訊部分四個(gè)部分組成。其中信號采集模塊是電壓信號，MCU控制中心有STC89C52最小系統(tǒng)（晶振電路:提供系統(tǒng)運(yùn)行頻率、復(fù)位電路:初始化系統(tǒng)運(yùn)行、程序燒寫電路）和電源轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有升壓模塊和無線充電模塊。

3 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 主要輸入與輸出信號電路設(shè)計(jì)

3.1.1 太陽能供電電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中選擇9V多晶硅太陽能電池板作為發(fā)電元件，太陽能發(fā)電后經(jīng)過TP4056模塊給鋰電池進(jìn)行充電，同時(shí)因?yàn)殇囯姵氐碾妷簽?.7V-4.2V，而本設(shè)計(jì)的單片機(jī)等電路均為5V供電，所以用升壓模塊將3.7V的電壓升到5V來給設(shè)備供電。太陽能電池板輸出串接一個(gè)二極管，單向?qū)щ娮饔?，保護(hù)太陽能電池板。

3.1.2 無線充電模塊電路設(shè)計(jì)

選用XKT412-01無線充電模塊，由一個(gè)發(fā)射模塊和一個(gè)接受模塊組成，無線充電原理是通過電磁波感應(yīng)原理進(jìn)行能量傳輸?shù)?。在能量發(fā)射端和能量接收端各有一個(gè)電磁線圈，其中發(fā)射端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號從而產(chǎn)生電流給電池充電。發(fā)送和接收的有效距離是1-20mm。為了防止無線模塊對系統(tǒng)電源的干擾，在電路中串聯(lián)二極管。

3.1.3 鋰電池充電升壓電路

鋰電池充電時(shí)，需增加充電管理電路，防止電池長期處于過飽和狀態(tài)和饋電狀態(tài)，本系統(tǒng)采用TP4056充電管理模塊，TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，底部帶有散熱片的SOP8/MSOP8封裝與外部元件數(shù)目少。鋰電池輸出電壓是3.7V，而整個(gè)系統(tǒng)需要電壓是5V，所以需升壓，本系統(tǒng)采用是DC-DC升壓模塊0.9V~5V升5V 600MA。模塊的輸入電壓寬廣，一般為1V～5V之間任何直流電壓值，輸出都是5V電壓。

3.1.4 LCD1602液晶屏顯示電路設(shè)計(jì)

LCD1602由數(shù)字量控制，控制準(zhǔn)確度高。LCD1602主要有顯示晶元、處理單元和存儲(chǔ)器組成。三類存儲(chǔ)分別存儲(chǔ)不同的內(nèi)容:DDRAM存儲(chǔ)控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)；CGROM存儲(chǔ)處理單元輸出數(shù)據(jù)；CDROM存儲(chǔ)液晶屏底層顯示程序。

LCD1602液晶屏供電電壓范圍5V±0.5V，額定電壓是5V，本系統(tǒng)輸入電壓為5V。該液晶顯示模塊采用雙電源供電，一路是系統(tǒng)硬件單元供電，另一路是背光電源。共有8根數(shù)據(jù)線，總共可以顯示28種類字符，液晶屏處理單元收到控制中心發(fā)來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過字符變量對比輸出需要顯示的內(nèi)容。

3.2 原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能與元器件選型確定后進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，原理圖把系統(tǒng)需要的元器件按照功能電路進(jìn)行電氣連接（圖2）。

圖2 系統(tǒng)接線圖

4 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

主要系統(tǒng)信號采集與處理程序設(shè)計(jì):

4.1 充電管理中斷處理程序設(shè)計(jì)

為滿足監(jiān)測實(shí)時(shí)性，單片機(jī)采用定時(shí)中斷的方式訪問存儲(chǔ)器，進(jìn)行信號參數(shù)采集。首先設(shè)置單片機(jī)的計(jì)數(shù)器為定時(shí)方式，開啟計(jì)數(shù)器，定時(shí)長短可隨需要靈活設(shè)定。然后單片機(jī)運(yùn)行其它程序，等待定時(shí)中斷的到來。定時(shí)中斷發(fā)生之后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，調(diào)用內(nèi)部存儲(chǔ)器的控制操作程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后重新初始化定時(shí)中斷，返回。如圖3所示。

圖3 中斷處理流程圖

4.2 LCD1602程序設(shè)計(jì)

通過LCD1602液晶屏作為顯示模塊，LCD1602模塊在系統(tǒng)向它傳輸信號或者指令之前都會(huì)查詢運(yùn)行狀態(tài)，只能當(dāng)LCD1602模塊工作在休閑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)才能對它傳輸信號或者指令，否則傳輸?shù)男盘柣蛘咧噶畈粫?huì)被執(zhí)行。其操作時(shí)序包括讀操作時(shí)序和寫操作時(shí)序。

5 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析

5.1 太陽能無線充電寶系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要分為軟件調(diào)試、關(guān)鍵器件調(diào)試與硬件調(diào)試，其中軟件測試包括系統(tǒng)在線仿真（運(yùn)用仿真器）、功能模塊運(yùn)行參數(shù)確定和中斷優(yōu)先級判斷等方面；關(guān)鍵器件調(diào)試包括電源轉(zhuǎn)換芯片參數(shù)調(diào)試、輸入與輸出信號靈敏度調(diào)試；硬件調(diào)試主要包括系統(tǒng)功能性驗(yàn)證。

5.1.1 系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)軟件編譯沒有問題后，進(jìn)入在線仿真后，首先單步運(yùn)行查看系統(tǒng)流程是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足則需要調(diào)整軟件結(jié)構(gòu)，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求后，判斷各個(gè)功能模塊默認(rèn)參數(shù)是否正確，子函數(shù)定義是否合理，最后給程序打不同的斷點(diǎn)確認(rèn)中斷優(yōu)先級是否正確。經(jīng)實(shí)際調(diào)試后太陽能無線充電寶都滿足系統(tǒng)要求。

5.1.2 關(guān)鍵器件驗(yàn)證

單片機(jī)芯片驗(yàn)證:系統(tǒng)啟動(dòng)之前一定檢查整個(gè)系統(tǒng)的供電電源正否正常，去掉單片機(jī)芯片，把系統(tǒng)接入電源，用萬用表測量電源端口輸入電壓是否為5V，經(jīng)過萬用表測量端口電壓為4.9V，這個(gè)電壓滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，然后測量單片機(jī)兩處供電電壓是否正常，實(shí)際測量電壓為4.85V，滿足單片機(jī)工作電壓范圍，斷開系統(tǒng)電源，把單片機(jī)芯片插入到底座上。啟動(dòng)系統(tǒng)電源，再次測量系統(tǒng)各處電壓是否正常，實(shí)際測試所有電壓都正常，按鍵復(fù)位按鍵，讓系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位一次。經(jīng)過實(shí)際測試，單片機(jī)芯片可以正常工作。

5.1.3 系統(tǒng)硬件調(diào)試

在本次撰寫的軟件編譯無Bug后，用上載器或者放置器燒寫到單片機(jī)芯片中，開始進(jìn)行功能與性能驗(yàn)證，主要從以上三個(gè)方面調(diào)試。

（1）控制中樞驗(yàn)證:系統(tǒng)啟動(dòng)之前一定檢查整個(gè)系統(tǒng)的供電電源正否正常，去掉單片機(jī)芯片，把系統(tǒng)接入電源，用萬用表測量電源端口輸入電壓是否為5V，經(jīng)過萬用表測量端口電壓為4.9V，這個(gè)電壓滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，然后測量單片機(jī)兩處供電電壓是否正常，實(shí)際測量電壓為4.85V，滿足單片機(jī)工作電壓范圍，斷開系統(tǒng)電源，把單片機(jī)芯片插入到底座上。啟動(dòng)系統(tǒng)電源，再次測量系統(tǒng)各處電壓是否正常，實(shí)際測試所有電壓都正常，按鍵復(fù)位按鍵，讓系統(tǒng)手動(dòng)復(fù)位一次。

（2）功能驗(yàn)證:經(jīng)過上步驗(yàn)證無誤后，進(jìn)入功能驗(yàn)證，對著系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，逐一驗(yàn)證所有功能，經(jīng)過實(shí)際功能驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)需求。

（3）可靠性驗(yàn)證:把產(chǎn)品實(shí)物放在高溫40度環(huán)境中運(yùn)行8小時(shí)，經(jīng)測試，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在高溫40度環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 系統(tǒng)整體調(diào)試結(jié)果分析

5.2.1 調(diào)試數(shù)據(jù)分析

太陽能無線充電寶系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境運(yùn)行時(shí)，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境系數(shù)（溫濕度、噪音等）參數(shù)或者人為操作不當(dāng)帶來動(dòng)作誤差或者系統(tǒng)本身特性會(huì)影響系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行，在測試設(shè)備和測試方法上造成一定的干擾因素從而影響系統(tǒng)的輸出結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，從而在某一方面會(huì)干擾到系統(tǒng)采集到的輸入?yún)?shù)與實(shí)際輸入的參數(shù)有差距。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，輸入信號經(jīng)過采集端到數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)自身原因?qū)е乱欢〞r(shí)間延時(shí)，從而造成系統(tǒng)處理的參數(shù)不精確產(chǎn)生誤差。由于誤差量的存在使系統(tǒng)輸出結(jié)果非真實(shí)值，需去除誤差，現(xiàn)代系統(tǒng)控制中主要運(yùn)用修正的策略來彌補(bǔ)誤差，本系統(tǒng)屬于智能控制簡單系統(tǒng)，對控制要求不高，查閱文獻(xiàn)資料得到修正值，從而確定系統(tǒng)的輸出結(jié)果滿足要求。

5.2.2 測試問題定位與解決

（1）電源異常:系統(tǒng)首次上電，系統(tǒng)無法啟動(dòng)，則切換電源對供電系統(tǒng)檢查。首先拔掉系統(tǒng)電源線，然后用萬用表阻抗檔位測量系統(tǒng)電源正負(fù)極有沒有短路，測試發(fā)現(xiàn)是正常的，然后單獨(dú)給電源線供電，并用萬用表直流電壓檔測量5V電源是否正常，測試同樣正常，可排除外部供電電源問題；把電源線接入系統(tǒng)并去掉單片機(jī)芯片和液晶模塊，然后接入5V電源，測得系統(tǒng)開關(guān)處5V電源正常；接上來把液晶模塊接入系統(tǒng)中，接入5V電源，同樣測得5V電源正常同時(shí)液晶屏正常顯示；但是把單片機(jī)芯片接入系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源無法工作，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)單片機(jī)芯片管腳電源正負(fù)極短路了，主要是焊接連錫造成的，當(dāng)用電烙鐵把連錫去掉，系統(tǒng)電源工作正常。

（2）系統(tǒng)頻繁死機(jī):系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)輸入連續(xù)采集信號，極易造成系統(tǒng)死機(jī)，而且系統(tǒng)也不會(huì)啟動(dòng)自復(fù)位程序。經(jīng)過程序在線仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)給定兩次輸入采集信號，造成軟件在兩種中斷出不來，進(jìn)行反復(fù)循環(huán)運(yùn)行。造成此種Bug是因?yàn)閮煞N中斷采用同一定時(shí)器原因，當(dāng)把中斷1采用定時(shí)器0，中斷2采用定時(shí)器1，此種問題就可以解決。