崑 崑
崑 崑 山 山 山 山 科 科 科 技 科 技 技 技 大 大 大 大 學 學 學 學
電子工程系四技部 電子工程系四技部 電子工程系四技部 電子工程系四技部
專 專
專 專 題 題 題 研 題 研 研 研 究 究 究 究 報 報 報 報 告 告 告 告
太陽能露營燈 太陽能露營燈 太陽能露營燈 太陽能露營燈
學生 學生 學生
學生： ： ： ： 49 49 49
494 44 40 00 0K KK K0 00 09 99 99 99 9 周弘恩 周弘恩 周弘恩 周弘恩 4940K103
4940K103 4940K103
4940K103 方景平 方景平 方景平 方景平 4951K009
4951K009 4951K009
4951K009 黃惠卿 黃惠卿 黃惠卿 黃惠卿 指導教授
指導教授 指導教授
指導教授： ： ： ： 王文壽 王文壽 王文壽 王文壽 老師 老師 老師 老師
中華民國九十八年五月
中華民國九十八年五月
中華民國九十八年五月
中華民國九十八年五月
摘要
本專題研究方向和一般常見之研究之方向主要差異點為，本成品 之研究以可導入量產為出發點。因此，低價多核心之 FPPA 單晶 片、輕便、價廉、環保之鎳氫電池及環保節能 LED 燈源，為產品 使用之零件。另配合近似三階段充電技術、數位調光技術，使產 品的電源使用效率達到最佳狀態。
目 錄
第一章 簡介……… 1
第二章 系統架構……… 2
2.1 穩壓電路……… 3
2.2 電池充電電路……… 3
2.3 電池狀態回授電路……… 5
2.4 數位調光……… 7
2.5 調光器………. 9
2.6 FPPA……… 10
2.7 FPPA硬體組織架構圖介紹……… 13
第三章 產品實作與量測………. 15
3.1 FPPA 程式設計……… 16
3.2 電池充電電路整合實作……… 25
第四章 結論……… 30
圖表目錄
圖一、系統架構………2
圖二、電池充電電路 本產品之切換……….4
圖三、、、 輸出電壓量測模擬………. 4 、
圖四、、、 輸出電壓量測模擬………..5 、
圖 五、、、 電池狀態回授電路………. 6 、
圖 六、、、 duty cycle 為 10us，電壓均方根為 7.28V……….7 、
圖 七、、、 duty cycle 為 30us，電壓均方根為 6.38V………8 、
圖八、、、 數位調光電路圖………..9 、
圖 九、、、 FPPA 電路圖………..11 、
圖 十、、、 周邊功能之使用示意圖………..12 、
圖 十一、、、、 FPPA 組織架構圖……….13
圖 十二、、、、 FPPA 組織架構圖……….14
圖十三、、、、 實接電路板……….15
圖 十四、、、、 輸入之 PWM 控制訊號……….25
圖 十五、、、、 電池充電電流……….25
圖 十六、、、、 跨接電池電壓……….26
圖 十七、、、、 輸入之 PWM 控制訊號……….26
圖 十八、、、、 電池充電電流……….27
圖 十九、、、、 跨接電池電壓……….……… 27
圖 二十、、、、 輸入之 PWM 控制訊號……….. 28
圖 二十一、、、 電池充電電流……… 28 、
圖 二十二 、 電池充電電壓……… 29
圖二十三、露營燈成品……… 30
表一：電池狀態回授狀態表………. 7
表二：FPPA 比較常用的一些指令介紹……… 15
參考資料 ………31
第一章 簡介：
由於生活水準與知識水平不斷的上升，人們出門旅遊露營的機會 變多及環保意識之抬頭，設計一個可攜帶、可大量生產及一般價位的 智慧型太陽能露營燈，變成為本論文之發展動機。本論文中露營燈由 低價多核心之單晶片微控器 FPPA 做為系統之控制核心，利用降壓
（BUCK）電路將太陽能充電至可回覆式之鎳-氫電池，而照明燈源捨 棄一般之 T5 燈管改用 LED 燈，使得能源使用效率大大的提升。
近一年來國際油價已飆至 107 美元，全世界石油之蘊藏量日漸枯 竭、以及由石化能源燃燒過程所產生之二氧化碳造成地球之溫室效 應，這些因素加重清潔、乾淨替代能源之需求。常見替代能源有：太 陽能、風力、生質能、燃料電池等，其中太陽能又因其普遍性、取之 不盡之特性是現行最熱門之能源主題。近年來太陽能之充電模式已被 廣泛之探討如：[1]利用 DSP 晶片設計一太陽能最大功率追蹤器，[2]
亦利用 DSP 晶片搭配隔離型升壓電路研製一市電型之 POWER INVERETR，而蓄電池大部集中於鉛酸電池[3,4]或鋰電池[5,6]之研 究。
本論文研究方向有別於上述論文之研究之範圍，本產品之研究 以可導入量產為出發點，其主要之差異計有下列幾點。一、捨棄高價 之 DSP 控制晶片，以微控器為主要之考量點。多核心之 FPPA 單晶片
為本產品之開發重心[7]。二、產品以實用為原則，笨重之鉛酸電池 及現階段昂貴之鋰電池將由輕便、價廉、環保之鎳氫電池取代。三、
LED 燈源於本產品採用配合數位調光技術，使電源使用效率達到最 佳狀態。
第二章 系統架構：
本產品之電路架構如圖一所示，其中包含：穩壓電路、FPPA 微 控器、電池充電電路、電池狀態回授、LED 數位調光、調光器等六 部份。其各方塊圖之功能說明如圖一所示。
圖一、系統架構
2.1 穩壓電路：
因為太陽能板所提供的電壓不穩定，藉由穩壓電路提供一穩定電 壓給予 FPPA 及比較器。本專題之太陽能板為一串聯架構，以減少輸 入能量之耗損。若太陽能板之電壓大於 6V 的時，電壓進入穩壓電路 會被穩壓在 5V，並提供給 FPPA 一個穩定 5V 的工作電壓。
2.2 電池充電電路：
鎳氫電池【Ni-MH】與鎳鎘電池所使用的陽極材料與電解液相同，
都是以氫氧化鎳為陽極活性材料，電解液是以水及電解質 KOH 組 成。但鎳氫電池的陰極活性物質則是儲氫合金。所能提供的電壓約為 1.2 V，有良好的循環壽命。因為所使用的陰極活性物質不含鎘，所 以不會像鎳鎘電池有鎘污染的問題。但鎳氫電池在高溫下效能較差，
且在一般使用上有自放電率高及記憶效應的問題。
本充電電路(圖二)為一個 buck 降壓電路，輸出電壓分為三階段以 便對電池現有狀態做最佳之輸出。FPPA 針對電池之充電狀態將適當 地 PWM 控制訊號送至開關 9013(Q1)電晶體，藉以控制開關之導通，
以得到電池充電的最佳之充電模式。
圖 二二二、二、、 電池充電電路本產品之切換 、
本產品之切換頻率為 25KHz，在不同 duty 時其輸出電壓以 ISpice 模擬如圖三，圖四所示。
圖三、輸出電壓量測模擬
切換頻率 25KHz，責任週期 D=0.05，輸出電壓與 pwm訊號波形。
圖四、 輸出電壓量測模擬
切換頻率 25KHz，責任週期 D=0.9，輸出電壓與 pwm訊號波形。
2.3 電池狀態回授電路：
由於現行FPPA微控器之內建A/D轉換尚未完整，本電路將藉由兩組 比較器電路如圖五所示，以檢測電池現有之充電狀態。電池電壓經 分壓比較後，可產生下列3種狀態，分別為”11”—最大電流充電，”
10”—定電壓充電，”00”—滴充充電，等3種狀態，其中”11”，”
10”，”00”分別說明如下。
1、 “11”狀態：此時電池處於無電狀態，電池電壓低於8.5V時，經 兩組比較器後產生為”11”之結果，FPPA之責任週期為90%，以維持 最大充電電流。
2、 “10”狀態：此時電池能量已接近70％，電池電壓介於8.5V~8.7V
時，經比較器後產生為”10”之結果，FPPA的輸出 duty cycle 將固 定，使電池做定電壓充電。
3、 “00”狀態：此時電池能量已接近90％，電池低壓高於8.7V時，
經比較器後，產生為”00”之結果，FPPA將Duty cycle減少7％，使 電池做低充充電。
圖 五五五五、、、、 電池狀態回授電路
電壓 VA 點是指充電電路中之電池電壓，而電壓 VB 點則是指穩 壓電路經過穩壓後的電壓，其中電壓 VA 點則分別設定 8.4V、8.6V、
8.8V 等 3 種電壓，而電壓 VB 點則固定 5V 電壓來用 ISpice 做比較器 電路模擬後可歸納如表一所示。
表一：電池狀態回授狀態表
設定電壓 Y2 點電壓 Y1 點電位 Y0 點電位
V1=8.4V V2=5V
1.40755V H H
V1=8.6V V2=5V
1.77406V H L
V1=8.8V V2=5V
2.14057V L L
2.4 數位調光：
FPPA針對使用者的需要，將適當的PWM控制訊號送至2302ADJ 之控制接腳，來改變 LED的亮度，PWM控制訊號改變，實測做如圖 六、圖 七。
圖 六、 duty cycle 為 10us，電壓均方根為 7.28V
圖 七、duty cycle 為 30us，電壓均方根為 6.38V
數位 調 光分為兩種 控制方 式， 一種為電 壓控 制，一種為電流 控制，本產品 LED光源 I－V具有非線性之特性，若採用電壓調光其 亮度變動較大，因此本產品採用定電流之數位調光，其電路圖如圖 八所示。
圖八、、、、 數位調光電路圖 2.5 調光器：
由於使用者對燈光亮度之需求有所不同，所以本電路提供兩個 switch，供使用者調整 LED 燈之亮度，調整狀態如下。
1、 “SW1”，被按下及產生一個 H 訊號，FPPA 判斷後，將輸出的 duty cycle 增加 1us，藉以減少 LED 之亮度。
2、 “SW2”，被按下及產生一個 H 訊號，FPPA 判斷後，將輸出的 duty cycle 減少 1us，藉以增加 LED 之亮度。
2.6 FPPA：
FPPA 是 Filed Programmable Processor Array 的縮寫，簡 單的說：它就是一個可以平行處理的多核心單晶片微控器。與一般 微控器如 8051、pic，… 等做一個比較，FPPA可以同時、同步處理多 項工作，一般微控器只能按照程式所設定之順序來一次處理一件事 項，遇到有需要立即處理的緊急事件時，就只能暫停現在正在執行 的事件，然後跳到需要立即去處理的緊急事件的地方，等到緊急事 件處理完後再跳回到原先程式被中斷的地方繼續執行原先被暫 停 的事件。這樣的架構雖然是可以滿足一般的程序控制，但是對電力 電子之產品而言，若開關時序稍微有點偏差將導至磁性元件如：電 感、變壓等趨向於飽合狀態，如此一來將使系統失效。而 FPPA 以多 核心的功能以及時同步處理功能就可以對這方面的問題進行有效 的解決，來使電力電子對獨立時序之要求的條件可以得到滿足，並 且可以兼顧系統的其它檢測保護之功能。本產品運用 FPPA 可以“同 時”並且分別去觀察電池狀態回授電路和調光器的狀態 是否有所 改變，然後再“ 同時“分別去控制電池充電電路和數位調光的狀態，
因此 FPPA 將可以說是整體的核心監控系統。圖 九為本論文 FPPA之 電路圖。
圖 九、 FPPA 電路圖
FPPA 是 Filed Programmable Processor Array 的縮寫，簡單的 說：它就是一個可以平行處理的多核心單晶片微控器。FPPA 內部之 processor unit 形成一個 Array，且每個 processor unit 都能獨立執行 程式，透過程式設計出所需要的各種功能，系統設計者可以隨時依據 規格需求而修改程式以完成系統設計。
每個 FPP unit 可以用軟體來決定所要提供的功能，每個 FPP unit 的功能可以任意隨規格的變動而變動。系統規格更動時，不需大幅度 更改硬體線路，只需根據新規格修改軟體， 即可完成新的系統設計，
所以不需更替新的微控制器晶片，也大大降低庫存備料的困擾與風 險。FPPA 在周邊功能之使用示意圖如圖十。
圖 十、 周邊功能之使用示意圖 FPPA 跟傳統 MCU 不同的特性可歸納如下:
1、WAIT IO : wait0、wait1 一個核心等待 IO trigger，其餘核心不受 影響。一般的 MCU 要等待一 IO 觸發有二種方法，一、透過不斷的 輪詢檢查 IO 的狀態，結果就是錯失反應的時機，甚至錯過觸發而不 知道，二、使用 IO 中斷的方式來達到及時反應的效果，缺點是腳位 固定且有限，中斷後主程式被 HANG 住，而且只有一個能真正獲得 中斷權(有優先順序)。
2、CPU 控制: set0 fppen.N、set1 fppen.N
所有的核心在執行時都是平等的，並且可以互相控制，隨時可以被暫 停或再開始，適合用在需要高度需要及時反應的事件處理上，譬如過
3、Program Counter 控制: pushw、popw
隨時可以透過指令將任一核心的 PC 指到你想要的位址執行。可以靈 活的控制程序的運行，讓核心間也可以有 MASTER-SLAVE 的關係，
依據不同的狀態控制 CPU 執行不同的程序。
2.7 FPPA 硬體組織架構圖介紹：
八個核心的地位是平行的，可以同時共享所有的 IO、暫存器、
ROM、SRAM 各自擁有的有程式指標 PC、堆疊 SP、累加器 ACC、
狀態旗標 FLAG。
如圖十一。
PC Stack Point ACC Flag FPP0
PC Stack Point ACC Flag FPP1
PC Stack Point ACC Flag FPP2
PC Stack Point ACC Flag FPP3
PC Stack Point ACC Flag FPP4
PC Stack Point ACC Flag FPP5
PC Stack Point ACC Flag FPP6
PC Stack Point ACC Flag FPP7
Data Memory Program Memory
IO Ports Register
Processor Array Organization Processor Array Organization
圖 十一、 FPPA 組織架構圖
FPPA 的記憶體，可以完全自由的分配。可是須注意 STACK 的 分配，由於 FPPA 的 STACK 是由程式設計者來分配位置、大小，
你可以自訂 STACK 起點，所以比較要小心的一點就是要了解自己 程式 運行所需要的 STACK大小來合理分配 STACK，以免各 CPU 的 STACK 重疊或超出 SRAM的大小。如圖 十二。
FPP0 Stack
FPP1 Stack
1FFh 000h
FPP0
FPP1
Data Memory Organization Data Memory Organization
Address SRAM
100h
index
圖 十二、 FPPA 組織架構圖
表二：FPPA 比較常用的一些指令介紹
set0 bit 位元設 0
set1 bit 位元設 1
tog iobit 位元 0/1 切換
call addr 呼叫副程式
goto addr 跳躍到標籤
delay x 延遲 x + 1 指令週期 ceqsn x,y 當 x = y 跳過下個指令 t0sn bit 當 bit = 0 跳過下個指令 t1sn bit 當 bit = 1 跳過下個指令 dzsn x x-=1,當 x = 0 跳過下個指令 wait0 iobit 等待直到 bit = 0
wait1 iobit 等待直到 bit = 1 clear x 把 x 值清除為 0 mov x,y 把 x 值設定為 y
inc x x + = 1
第三章、、、、 產品實作與量測
本產品之實測如圖 十三所示。在此實測以電源供 應器取代太陽 能板，此實測讓充電及數位調光同步 進行，以說明 FPPA 之優點。
圖十三、、、、 實接電路
3.1：：：FPPA 程式設計： 程式設計程式設計程式設計 word RAMindex;
SET_PORTA equ 0b00000000;
SET_PORTA_PH equ 0b11101011;
SW0 equ pa.6;
SW1 equ pa.1;
SW2 equ pa.2;
SW3 equ pa.3;
SET_PORTB equ 0b11111111;
SET_PORTB_PH equ 0b11111111;
OUT0 equ pb.0;
OUT1 equ pb.6;
OUT2 equ pb.1;
int counter;
int ram0;
int ram1;
int ram2;
int ram3;
int ram4;
int ramA;
int ramB;
int ramC;
int qA;
int qB;
int qc;
int qd;
int q0;
int q1;
int q2;
int pwm;
int pwm1;
STACK_BASE equ RAM_SIZE-8-8-8-8-8-8-8-8 4
FPP0_STACK equ STACK_BASE+0 FPP1_STACK equ FPP0_STACK+8 FPP2_STACK equ FPP1_STACK+8 FPP3_STACK equ FPP2_STACK+8 FPP4_STACK equ FPP3_STACK+8 FPP5_STACK equ FPP4_STACK+8 FPP6_STACK equ FPP5_STACK+8 FPP7_STACK equ FPP6_STACK+8 .romadr 0x0000
goto fpp0Boot ; goto fpp1Boot ; goto fpp2Boot ; goto fpp3Boot ; goto fpp4Boot ; goto fpp5Boot ; goto fpp6Boot ; goto fpp7Boot ; .romadr 0x0010
fpp0Boot:
set0 clkmd.1;
mov a, 0x00;
mov eoscr, a;
mov a, 0x00 ; mov ihrcrh, a;
mov a,0b1100_1010;
mov ihrcrl, a;
delay 255 ;
mov a,0b0011_0100;
mov clkmd, a;
mov a,60 ; mov sp, a ;
mov a, 0x7f;
mov lb@RAMindex, a;
mov a, 0x00;
mov hb@RAMindex, a;
ClearRAMLoop:
wdreset;
idxm RAMindex, a;
dzsn lb@RAMindex;
goto ClearRAMLoop;
mov a, SET_PORTA;
mov pac, a ;
mov a, SET_PORTA_PH;
mov paph, a;
mov a, SET_PORTB ; mov pbc, a ;
mov a, SET_PORTB_PH;
mov pbph, a;
mov a, 1;
mov pwm, a;
pmode 2;
mov a, 0b11111111;
mov fppen, a ; FPP0MainLoop:
mov a,18;
mov ram0,a;
T0:
mov a,0xff;
mov ram2,a;
mov ram3,a;
mov a,20;
mov ram4,a;
set1 OUT2;
call delay1;
t1sn SW1;
goto f2;
t0sn SW0;
goto f1;
goto f0;
f0:
call delay0;
t0sn SW0;
goto T0;
call delay1;
goto f00;
f00:
set0 OUT2;
set1 OUT0;
delay 31;
set0 OUT0;
delay 6;
dzsn ram2;
goto f00;
dzsn ram3;
goto f00;
dzsn ram4;
goto f00;
goto T0;
f1:
call delay0;
t1sn SW0;
goto T0;
call delay1;
goto f11;
f11:
set0 OUT2;
set1 OUT0;
delay 36;
set0 OUT0;
delay 1;
dzsn ram2;
goto f11;
dzsn ram3;
goto f11;
dzsn ram4;
goto f11;
goto T0;
f2:
call delay0;
t0sn SW1;
goto T0;
call delay1;
goto f22;
f22:
set0 OUT2;
set1 OUT0;
delay 1;
set0 OUT0;
delay 36;
dzsn ram2;
goto f22;
dzsn ram3;
goto f22;
dzsn ram4;
goto f22;
goto T0;
goto FPP0MainLoop;
FPP0LockLoop:
goto FPP0LockLoop;
fpp1Boot:
mov a,68;
mov sp, a;
FPP1MainLoop:
mov a, pwm;
mov pwm1,a;
mov pwm2,a;
ceqsn a, 0;
goto pwmNot0A;
goto pwmis0A;
pwmNot0A:
set1 OUT1;
call delayc;
dzsn pwm1;
goto pwmNot0A;
goto pwmis0A;
pwmis0A:
mov a,35;
sub a,pwm2;
mov pwm2,a;
ceqsn a, 0;
goto pwmNot0B;
goto pwmis0B;
pwmNot0B:
set0 OUT1;
call delayc;
dzsn pwm2;
goto pwmNot0B;
pwmis0B:
goto FPP1MainLoop;
fpp2Boot:
mov a,76;
mov sp, a;
foo2Loop:
wait1 SW2;
call delayA;
wait0 SW2;
mov a,pwm;
ceqsn a,35;
inc pwm;
goto foo2Loop ;
fpp3Boot:
mov a,84;
mov sp, a;
foo3Loop:
wait1 SW3;
call delayB;
wait0 SW3;
mov a,pwm;
ceqsn a,0;
dec pwm;
goto foo3Loop;
fpp4Boot:
goto fpp4Boot ;
fpp5Boot:
goto fpp5Boot ;
fpp6Boot:
goto fpp6Boot ;
fpp7Boot:
goto fpp7Boot ;
delayA:
mov qA,a;
delayloopA:
delay 250;
dzsn qA;
goto delayloopA;
ret;
delayB:
mov a,200;
mov qB,a;
delayloopB:
delay 250;
dzsn qB;
goto delayloopB;
ret;
delay0:
mov a,16;
mov q0,a;
delayloop0:
delay 100;
dzsn q0;
goto delayloop0;
ret;
delay1:
mov a,249;
mov q1,a;
mov q2,a;
delayloop1:
delay 6;
dzsn q1;
goto delayloop1;
dzsn q2;
goto delayloop1;
ret;
delayc:
mov a,38;
mov qc,a;
delayloopc:
delay 5;
dzsn qc;
goto delayloopc;
ret;
3.2 電池充電電路整合實作 示波器量測：
圖十四、十五、十六表示電池電壓組低於 8.5V 時，系統以最大電流 充電之波形。此時輸入電壓 11V，PWM 控制訊號 duty cycle 35.03uS，
電池充電電流均方根值 338mA，電池電壓值為 8.4V。
十四、 輸入之 PWM 控制訊號
圖 十五、 電池充電電流
圖 十六、 跨接電池電壓
圖十七、十八、十九表示電池電壓組介於 8.5V~8.7V 之間時，系統 以定電壓方式充電之波形。輸入電壓 11V，PWM 控制訊號 duty
cycle30.41us，電池充電電流均方根值 266mA，電池電壓值為 8.6v。
圖 十八、 電池充電電流
圖 十九、 跨接電池電壓
圖二十、二十一、二十二表示電池電壓組此時電池飽和度已到達 90%，
cycle2.772us，電池充電電流均方根值 12.7mA，電池電壓值為 8.8V。
圖 二十、 輸入之 PWM 控制訊號。
圖二 十、輸入之 PWM 控制訊號
圖 二十一、 電池充電電流
圖 二十二、 電池充電電壓
我們將市售的露營燈改良，裝進我們的線路做成了成品，在這個經驗 中，我們發現要真正完成一個產品真的不容易，而且空間又有所限 制，所以我們把電路分成了好幾個小板子，盡可能的把所有電路和電 池都塞進去，經過了大家的努力終於完成了。
圖二十三、露營燈成品
