太阳能充电器的设计设计.docx

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太阳能充电器的设计设计

学号0709121086

毕业论文（设计）

课题太阳能充电器的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

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指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

插图清单

图1-1系统总体结构设计................................................................................…………………………-3-

图2-1太阳能光伏电池工作原理............................................................................................................-6-

图2-2太阳能电池I-V特性…………………………………………………………………………….-6-

-

图2-3太阳能电池输出特性.....................................................................................................-7-

图2-4蓄电池充电时端电压变化曲线………………………………………………………..-8-

图2-5蓄电池放电时端电压变化曲线………………………………………………………..-9-

图2-6电源模块电路…………………………………………………………………………-10-

图2-7AT89C51单片机系统结构图………………………………………………………….-11-

图2-8ADC0809内部结构及管脚图………………………………………………………….-12-

图2-989C51与ADC0809的设计电路……………………………………………………….-13-

图2-10BUCK变换器设计电路……………………………………………………………….-15-

图2-11数码管显示电路……………………………………………………………………..-15-

图3-1程序整体框架流程……………………………………………………………………-17-

图3-2数据采集子程序框图…………………………………………………………………-19-

图3-3充电子程序框图………………………………………………………………………-20-

图3-4电源子程序框图………………………………………………………………………-21-

摘要

在污染和能源口趋紧张的背景下，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。

因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视。

本文试图设计一种切实可行的太阳能充电控制器，通过对蓄电池充电，满足小功率的用户需求。

本文重点研究了用AT89C51实现太阳能充电控制技术。

电池充电的太阳能控制器硬件系统，包括系统的硬件电路设计、各部分电路的功能、工作原理和电子元器件型号的选取。

硬件系统由直流稳压电源电路，A/D实现对蓄电池端电压的动态监测及转换、AT89C51控制电路三个部分组成，完成了整个太阳能充电控制器电路原理图的设计和制作。

但是由于时间关系，没能完成实物的实验测试。

本文还对太阳能电池的结构原理、太阳能电池板的伏安特性、常用的铅酸蓄电池原理及工作情况作了详细介绍，并在此基础上介绍常用的蓄电池充电方法。

关键词：

太阳能；蓄电池；充电控制；AT89C51；ADC0809

ABSTRACT

Againstthebackgroundofenergyshortageanditspollution,solarenergyasanewkindofenergyhasalotofadvantagessuchaslargereserves,economic,cleanlinessandsoon.So,peoplebegintopaymoreattentiontotheuseofsolarenergy.Thepaperdesignsafeasiblesolarenergychargingcontrollerandstoragebatteriesarechargedtomeettheneedsoflow-powerusers.

Thisarticlefocusesontheuseofsingle-chiprealizationofsolarchargecontroltechnology.100-wattsolarpanelsto12-voltsolarbatterychargecontrollerhardwaresystemisdetailed,includingsystemhardwarecircuitdesign,thevariouspartsofthecircuitfunctions,workingprinciplesandmodelsofselectedelectroniccomponents.Hardwaresystemiscomposedoffourparts,whichareDCregulatedpowersupplycircuit,A/Dtoachieveonthebatteryterminalvoltageofthedynamicmonitoringandconversion,AT89C51controlandoutputswitchingcircuit.Andfinishtheentiresolarchargecontrollercircuitschematicdesignandproduction.PROTEUSsimulationwithcircuitsimulationsoftwarewasaccomplished,andacorrespondingcircuitboardwasproduced.However,duetotimeconstraints,Ifailedtocompletethekindofexperimentaltest.

Inthispaper,alsothestructureoftheprincipleofsolarcells,solarpanelsoftheVoltametriccharacteristicsoflead-acidbatteriescommonlyusedintheworkofprinciplewasdetailed,andthebasisofmethodscommonlyusedonrechargeablebatterieswasintroduced.

Keywords:

solar;battery;chargecontrol;AT89C51ADC0809

引言

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。

这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。

目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。

但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

而由于太阳能发电有如安全可靠，无污染，不受地域限制，无需消耗燃料，维护简便，建设周期短，建设的规模大小随意，不需要架设输线路，可以方便地与建筑物结合等等一系列的优点，这些优点是常规发电以及其它发电方式不能比拟的，因而太阳能发电成为目前各国研究得最多，发展也是最快的技术之一，从2002年至2007年，全球光伏电池产量年平均增长率几乎达到了49.5%。

根据欧盟的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中将占到30%，而利用太阳能发电将占到总能耗的10%以上，到2050年，可再生能源在总能源结构中占50%以上，而太阳能发电将占总能耗20%;到2100年，可再生能源将占86%，而太阳能的占有比率则将高达70%，其中利用太阳能来进行的发电将占64%。

第一章绪论

1.1设计目的

众所周知，化石能源由于日益消耗而面临枯竭的现象，加上人们对环保越来越重视，寻找各种清洁能源来代替化石能源变得极为重要。

太阳能作为一种可再生能源有取之不尽用之不竭并且清洁安全的优点，因此太阳能有着广泛的应用前景。

如今是信息化大爆炸的时代，手机已经走进千家万户。

然而当人们出门旅行时，手机充电不方便始终困扰着大家。

因此设计一种太阳能充电器对于用户来说既方便又节能。

人们可以随时随地对手机充电啦！

本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路转换为直流电源给手机充电，与常规的充电器相比有着明显的优势

1.2设计思路和分析

太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。

系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。

本设计采用太阳能电池板对51单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制。

1.3硅太阳能电池与参数

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

硅太阳能电池片常用的为单晶125大倒角，其尺寸为125mm*125mm，对角线150mm，功率Pmax2.60W，工作电压Vm0.523V，工作电流Im4.934A，开路电压Voc0.629V，短路电流Isc5.285A。

太阳能电池可根据电压大小需要，由不同数量的太阳能电池片组成，其转换效率受光照、温度、太阳电池晶体类型及制造工艺等影响，2010年中国平均效率为17.2%。

常见的太阳能电池电压有3V、6V、9V、12V、18V、32V、48V等，更大的用于太阳能电厂发电项目。

1.4系统总体框图设计

图1-1系统的总体结构

太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。

当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。

由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。

这就需要一个复杂的控制系统，51系列单片机时当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，是51系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。

本系统将采用89C51做为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂的充电智能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。

本系统总体设计方案如图1．1所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现PWM波控制开关管从而实现输出电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由ADC0809实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路的智能输出与控制。

总电路原理图

第二章太阳能充电器硬件电路设计

2.1太阳能电池板部分

太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。

因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。

本文以手机、MP3等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。

所选用的太阳能电池板技术参数指标如下：

尺寸120mm×45mm，峰值电压6V，峰值电流100mA，标称功率0.6W。

考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，采用八块相同参数电池板进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为10.8V,电流最大可达450mA，总标称功率为5W左右,实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。

太阳能光伏电池的工作原理如图2.1所示，当光波照射到半导体表面时，半导体内部N区和P区中的价带电子由于受到太阳光子的冲击，吸收太阳能量发生能级跃迁被激发导带，从而产生了许多处于非平衡状态的电子一空穴对。

由于PN结电场的存在，这些电子一空穴对运动到PN结区产生分离，其中正电荷和负电荷分别聚集从而产生了与PN结势电场相反的光生电场，当接通外部电路环路时，电子一空穴对的运动产生直流电流，从而对外出电能因为单个PN结产生的光生电势比较小（约0.7V左右），在实际应用中，多将许多个小的太阳能光伏电池单元通过串联或者并联组合在一起构成光伏电池组件，从而可以输出更大的电能。

图2.2显示了太阳能电池的输出特性。

太阳能电池的输出随着二极管的I-V特性不同而略有变化，且串联电阻（RS）也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。

不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。

最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。

这种电流称作太阳能电池的短路电流（ISC），它与VOC都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。

当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。

图2-1太阳能光伏电池工作原理

图2-2太阳能电池I-V特性

在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。

由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点（MPP）。

在一种极端情况下，输出电压为最大值（VOC），但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值（ISC），但输出电压为零。

在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP必须在两种极端情况之间。

我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图2-3）。

实践中的问题在于，太阳能电池MPP的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。

图2-3太阳能电池输出特性

2.2蓄电池部分

太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。

蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。

2.2.1电池的定义

在现代技术中电池有了更为精确地定义：

能够产生电能的便携、独立化学系统。

电池按转换能量方式分为两大类：

一类是物理电池，如太阳能电池；另一类是化学电池，即把化学能转变为电能的装置。

化学电池按工作性质可分为：

一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）。

其中，一次电池可分为：

盒式锌锰电池、扣式锌银电池、锌空气电池等。

二次电池可分为：

镍镉电池、氢镍电池、锂电池和铅酸蓄电池等。

一次电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。

原电池放电导致化学成分永久和不可逆的改变。

但可充电电池，又叫二次电池，可在应用中放电，也可由充电器充电。

所以二次电池储存能量，而不是产生能量。

充电和放电电流（安培）通常用电池额定容量的倍数表示，叫做充电速率（C-rate）。

例如，对于额定为1安培时的电池，C/10的放电电流等于

。

电池的额定容量（

或

）是电池在特定条件下完全放电所能储存的电能。

因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，单位为瓦时。

任何一种电池由四个基本部件组成，这四个主要部件是正负两个电极、电解质、隔膜和外壳。

2.2.2充放电特性

本系统中，采用阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA电池）。

它的充放电特性如下：

1）充电特性

（2-1）

式中

为蓄电池充电时端电压，

为蓄电池电动势，

为蓄电池充电电流，

为蓄电池内阻。

当以稳定的电流对蓄电池充电时，由于蓄电池内部的化学反应，从而蓄电池内阻发生变化，引起蓄电池端电压的变化如图2-4所示。

（实线为充电过程的变化，虚线为停充后的变化。

）

图2-4充电时端电压的变化曲线

在充电初期，蓄电池的端电压升高很快（曲线的

段）。

充电中期，电势增高渐慢（曲线的

段）。

充电后期，端电压比较缓慢地上升。

如继续充电，电池内部的化学反应使蓄电池的内阻增大，因而端电压又继续上升，如曲线中

段。

当充电达到达曲线的

段时，如再继续充电，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解。

如果在d点停止充电，端电压迅速降低（曲线的

段）。

随后端电压慢慢地下降，最后达到稳定状态（曲线的

段）。

应当指出，充电速度的快慢（充电率的大小）将影响到充电蓄电池的端电压以及充电时间。

充电率的大小是指在一定时间内将蓄电池充满所需电流的大小。

如以10小时率充电容量（C）为120Ah的蓄电池，则充电电流为120Ah/10h=12A，常用

表示10小时率。

在充电末期采用较小的充电电流有益于电池的使用寿命延长。

2）放电特性

（2-2）

式中

为蓄电池放电时端电压，E为蓄电池电动势，

为蓄电池放电电流，

为蓄电池内阻。

当以稳定的电流放电时，蓄电池端电压的变化如图所示。

（实线为放电过程的变化，虚线为停放后的变化。

）

图2-5蓄电池放电时端电压的变化曲线

由放电曲线可知，放电曲线基本由三部分组成：

放电开始（曲线的

段）短时间内电压快速下降，然后电压缓慢下降（曲线的

段）；最后端电压在极短的时间内迅速降低（曲线的

段）。

第二部分（曲线的

段）的时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。

放电至c点时，放电便告结束。

如果继续放电，使电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分的

段所示。

这种现象叫过放电，虽然能放出部分能量，如经常过放电会降低蓄电池的充电、放电反应速度，加速蓄电池的老化和降低其使用容量。

一般规定的放电截止时的电压称为放电终止电压。

如果停止放电，则铅蓄电池的端电压立即回升，如图中曲线的虚线部分

段所示。

2.2.3蓄电池作为电源模块的设计

本系统所采用的电器元件需要外部供电，如果接上外加电源，则使得电路复杂化，并且破坏了系统的独立性。

本系统设计的就是蓄电池的供电系统，所以直接从蓄电池取出电压来为单片机以及外围电路供电。

这里采用三断集成稳压器件7805设计电路的电源模块，如图2-6所示。

图2-6电源模块电路

2.3单片机部分

本系统采用AT89C51系列的单片机。

这是一种带4k字节闪烁可编程可擦除的只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压高性能的CMOS8微处理器。

该单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的I/O口，本设计采用12MHz的晶振。

单片机最小系统的核心部分包括单片机芯片、振荡电路及复位电路。

单片机主要任务是控制数据的采集过程并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。

具体工作过程是上电复位，确定输出电流大小，或作为普通电源的输出电压，然后转入相应子程序并分析计算PWM占空比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。

在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使输出趋于设定值。

在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。

通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单。

图2-7为单片机的系统结构。

图2-7AT89C51单片机系统结构图

2.4电压电流的A/D采集

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片

1）内部结构（如下图2-8左图所示）

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟