基于单片机的太阳能充电器本科毕业设计Word文档格式.docx
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酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
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彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
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謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
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便携式太阳能充电器
摘要
16到20世纪,随着工业革命的兴起,科学技术的不断发展,人们对自然界中化石能源的索取速度越来越快、数量越来越多。
与此同时,化石能源的燃烧对于自然界的生态环境造成了难以弥补的破坏。
作为可再生能源,太阳能有着广阔的应用前景,可以成为移动设备供电的有吸引力的能源。
当我们外出或旅游时,常常因为手机没电所带来的麻烦而苦恼,但又不能及时找到可以充电的场所,影响了手机的正常使用。
为了解决这一问题,本毕业设计介绍一种便携式的太阳能手机充电器,利用单片机控制,实现对移动设备充放电的自由与智能控制。
与常规的充电器相比,太阳能充电器必将因为便携式而得到长远的发展。
厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
关键词:
能源;
太阳能;
电池;
单片机;
便携式
PortableSolarChargerbasedonMicrocontroller
Abstract
From16to20century,withtheriseofindustrialrevolutionandcontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,peopledemandalargequantityoffossilenergywithincreasingspeed.Atthesametime,theburningoffossilenergyhascausedirreparabledamagetotheenvironment.Asarenewableenergy,solarenergyenjoysbroadapplicationprospect.Solarpowerisattractive,becauseitsuppliespowerforportabledevices.Whenwegooutortravel,weareoftenbotheredbythefailingpowerofcellphone.Andwecan’tfindplacestochargeintime,whichaffectsthenormaluseofmobilephone.Inordertosolvethisproblem,thisthesiswillintroduceatypeofportablesolarmobilecharger,usingsingle-chipmicrocomputersothatthechargeanddischargeofmobiledevicescanbefreelyandintelligentlycontrolled.Comparedwiththeconventionalcharger,solarenergychargerwilldefinitlyhavealong-termdevelopmentforitsportabletype.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
Keywords:
energy;
solarenergy;
battery;
intelligent;
portable鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
1.绪论
1.1太阳能充电器的研究背景
人口的增长与能源的短缺之间的矛盾一直都是现代社会面临的难题,在一些发展中国家尤为突出,当然,对于我们中国这个人口最多的发展中国家尤为突出。
一些能源专家认为,在众多可再生能源中,太阳能不但取之不尽,而且清洁安全,是理想的可再生能源。
我国的太阳能资源比较丰富,而且国家近年来在太阳能的研利用上投入了较多的精力,在未来的几十年里,太阳能光伏发电的发展潜力巨大。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
太阳能的利用主要有两大方向,一是把太阳能转化为热能,另一个就是将太阳能转化为电能,其中重点是后者。
理论上,只要需要电源的场合都可以用得到光伏发电技术,大到航天器,小到玩具。
目前,光伏发电产品主要用于三大方面:
一是为无电场合提供电源,主要为新疆西藏等一些无电地区生活生产提供电力;
二是日用电子产品,如各类太阳能充电器、太阳能路灯等;
三是并网发电。
专家预测,到本世纪后期,太阳能发电将在世界电能结构中占据80%的位置。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
一段时间以来,太阳能一直被广泛地用于高新科技产业。
然而随着光伏发电技术的成熟,太阳能的利用已经走进了千家万户。
近段时间,人们正考虑把太阳能用于范围更宽广的消费电子应用。
太阳能充电器便应运而生了。
纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
1.2太阳能充电器的优点
便携式太阳能充电器相对于其他的能源,在便利性、节能、智能、安全方面,太阳能充电器与常规充电器相比,有以下优点:
颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
(1)、适用于各种户外场合。
当您在户外作业、旅游时,只需要把便携式太阳能充电器放置在一个有阳光的地方,即可以为手机等移动设备提供电源,从而保证与外界的信息畅通,是喜爱旅游、经常出差、野外作业的人士的不二选择;
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
(2)、能源的供应来自太阳能。
不仅以绿色能源作为供应源,而且光伏发电设备极为精炼,可靠稳定,安装维护简便;
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
(3)、拥有单片机充分的智能性。
不仅具有完善的电压电流检测保护电路,并通过显示电路显示出电路状态,而且可以通过六个功能键灵活的选择电路的电压电流输出,可以为不同的电子产品提供电源;
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
(4)、使用方便。
无论何时何地,您都可以极为方便的对您的移动设备进行充电。
当然,在太阳能充电器的能源采集的利用也存在分散、不稳定、效率低以及成本高的不利条件,但是,随着科技的发展以及人们理念问题的变化,太阳能的完美发展将呈现在我们面前。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
1.3本课题研究的主要内容
便携式太阳能充电器在阳光下,通过光能转换为电能并通过控制电路把光能产生的电能对移动电子产品进行充电。
本毕业设计所研究的便携式太阳能充电器工作原理为:
首先将太阳能转化为电能,之后经过DC/DC变换电路处理后,由充电电路为负载供电。
作为安全性的电池,目前聚合物锂电池的充电方式一般为恒流恒压充电:
首先以稳定电流充电,当电池电压升高至一定值时,电路状态改为稳定电压充电,之后电流逐渐降低至零,充电完成。
利用单片机进行智能控制,采用模块式结构以及USB接口,通过对输出电流电压的调节,可对手机等电子产品进行充电,并能在电池充电完成后自动停止充电。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
2.硬件设计
2.1总体方案的设计
考虑整体因素,一方面太阳光因时间问题参数变化较大,另一方面太阳能电池在使用时内阻高,导致输出电压不稳定和输出电流较小等问题。
因此,需要一个能起到稳定电压电流的元件作为充电电路的中介—7805。
如今的电子产品的研发和生产已经进入了智能化时代,理所当然的,本设计的便携式移动太阳能充电器也要做到智能化。
本设计中将采用AT89C51单片机做为充电电路的控制器,从而实现充电过程的智能化。
并由ADC0809实现数据的采集及转换,由AT89C51单片机进行处理,实现电路的智能输出与控制。
而且,在电路中加入按键以及显示电路,将电路的整体性能提升到一个较高的等级。
图2-1为系统设计总体方案示意图。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
7805稳压中介
图2-1系统设计总体方案示意图
2.2太阳能光伏发电系统简介
太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的发电形式。
在太阳的光照下,单元太阳能电池组件能产生一定的电动势,通过单元组件的串并联构成太阳能电池方阵,以达到系统输入电压的要求。
通过智能控制器对移动设备进行直接充电或者对蓄电池进行充电以备不时之需。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
目前,太阳能光伏发电技术的应用已从军事、航天等高新科技领域走进平民百姓的视野。
而且在西藏等地区对于电能的传输较内地更为麻烦,对于太阳能的采集有更高的优势,因此能够得到更好的应用。
从长远的目光来看,随着太阳能电池制造技术的发展以及光伏发电装置性能的不断完善,必将为人类大规模地利用太阳能提供广阔的市场,太阳能的利用也一定会占据越来越重要的地位。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
2.3太阳能电池参数及选用标准
根据太阳能电池板所用材料的不同可分为:
(1)硅太阳能电池;
(2)无机盐多元化合物为材料的太阳能电池,如砷化镓III-V,硫化镉,铜铟硒等;
(3)功能高分子材料(有机半导体)太阳能阳能电池;
(4)纳米晶太阳能电池。
在此设计中,我们采用的是硅太阳能电池。
表2-1为硅太阳能电池分类与简介:
表2-1硅太阳能电池分类与简介
电池类型
实验室转换效率
生产转换效率
性能
单晶硅太阳能电池
24.7%
15%
效率高于非晶硅薄膜电池
多晶硅薄膜太阳能电池
18%
10%
非晶硅薄膜太阳能电池
8%
成本低重量轻,稳定性不高,转换效率较高
太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础,其功能是将太阳光的能量转化为电能以满足人们的各项要求。
该设计采用模块组合,将太阳能板进行串、并联以达到具有一定要求的输出电流和输出电压的一组光伏电池。
考虑市面上各种移动设备的需求不等,采用八块相同参数太阳能电池板进行串、并联,所选用的太阳能电池板技术参数指标如表2-2所示:
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
表2-2太阳能电池板技术参数指标
项目
参数
实测max
尺寸
120mm×
45mm
峰值电压
6V
10.8V
峰值电流
100mA
450mA
标称功率
0.6W
5W
实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。
2.451系列单片机处理器
51系列单片机作为当今使用最为广泛的处理器具有明显的优势,综合各方面因素,本设计采用采用51系列单片机AT89C51。
图2-2为AT89C51的引脚排列图。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
图2-2单片机引脚排列
本设计中单片机的主要任务是通过计算,对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。
因此所要做的工作有两个,一是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流,二是将采集到的数据经过分析处理后,生成PWM脉宽调制信号并与预设置的信号进行对比,以此控制开关管的导通与关断用来调节脉宽的增大获减小,从而实现智能控制输出电压以及电流的大小。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
单片机最大的好处是可以重复使用以及修改电路工作状态方便,而且简化了硬件电路设计。
2.5稳压器件的选择
在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引出端子,具有外接元件少,性能稳定,使用方便等优点,因而得到广泛应用。
由于本电路设计需要5V的输出电压,故选择三端稳压器7805.栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
7805是常用的三端稳压器,一般使用的是TO-220封装,能提供5V的直流输出电压,内置电源保护电路。
当使用外围器件时,可以提供不同的输出电压和电流。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
图2-3三端稳压集成电路7805的引脚及封装图
单片机电源电路的设计以三端集成稳压器7805为核心,属于串联稳压电路,图2-3是三端稳压集成电路7805的引脚及封装图。
7805具有输入电压范围宽、工作电流大、输出精度高、工作及其稳定以及外围电路简单等特点,即使太阳能电池电压有较大的波动,也能稳定的输出5V电压,从而为整个电路的正常运行提供了保障。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
2.6电压电流的A/D采集
电路中设计了多功能电压电流输出,并且配带显示器,故应在电路中加入数模转换元件。
一方面需要对数据采集以调节合适的输出电压和电流,另一方面进行完整的电压电流输出显示。
ADC0809是一个比较具有代表性的数模转换元件,在现实生活生产中使用较为广泛。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
ADC0808是ADC0809的简化版本,功能基本相同。
由于在Proteus中ADC0809没有仿真模块,故不能使用ADC0809进行仿真,所以一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换,但在实际工业生产时采用ADC0809进行A/D转换。
故在此设计中选择ADC0808进行仿真。
图2-4为ADC0808的引脚图。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
图2-4ADC0808的引脚结构
ADC0808各脚功能如下:
IN0-IN7:
8位模拟量输入引脚。
GND:
地。
VREF(+):
参考电压正端。
VREF(-):
参考电压负端。
START:
A/D转换启动信号输入端。
ALE:
地址锁存允许信号输入端。
EOC:
转换结束信号输出引脚胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
OE:
输出允许控制端,用以打开三态数据输出锁存器。
CLK:
时钟信号输入端。
A、B、C:
地址输入线。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
通道选择表如下表所示。
表2-3通道选择表
C
B
A
选择的通道
IN0
1
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
在设计中,START和EOC两个信号的作用是启动A/D转换。
ADC0808转换完成的数据发送至AT89C51的P2口,然后由AT89C51进行处理以便电路的各项参数进行调节。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
2.7ACS712的选用
在大多数的电子产品电路中,直交流的电流精准测量一直是个难题,为此各类测量元件蜂拥而出。
设计初期,本人选择的是MAX471测量元件,由于在使用的仿真软件Proteus中没有元件模板,而且进行封装的话,各项参数不好设置,故使用另外一个测量元件ACS712,而且ACS712可以为大多数情况下的直交流测量提供一个很好的解决方案。
图2-5为ACS712的引脚图。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
图2-5ACS712引脚图
如图2-5为ACS712引脚图,ACS712具有以下优点:
(1)、封装轻便,在各种电路上使用方便。
可以应用在电动机控制等电路上;
(2)、具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路,在电路的应用中便于控制盒检测;
(3)、具有较低的功率损耗(内电阻一般情况下为1.2mΩ);
(4)、接线端与传感器引脚之间电气绝缘。
适用于一些对电气绝缘要求较高的设备。
在本设计中,使用ACS712来检测充电电流,通过D/C转换通道精确测出充电电流,完成预充电到正常充电再到浮充的全自动智能充电过程。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
2.8按键电路的选择及设计
由于本电路设计实现功能较多,故在电路中加入了六个按键,分别实现电路的输出功能选择键(为移动设备充电和作为直流电源)、数字加减键、确定键和过电流保护指示灯功能,在本电路中,将按键接在P1口。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
图2-6按键接线图
在单片机应用系统中,按键主要有两种形式:
(1)、独立按键:
每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上;
(2)、矩阵编码键盘:
通过行列交叉按键编码进行识别。
在本设计中由于按键不是太多,故采用独立按键法,这样可以减小编程的难度,图2-6为本设计的按键接线图。
由P0口的硬件构成可知,如果P0口做输出的话则需要接上拉电阻,之后再与按键连接起来。
在实际工作中还需考虑按键的抖动问题,所以在电路的软件编程中按键部分必须加入延时程序以保证电路的准确性。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
2.9数码管显示电路的设计
综合各种因素,本设计采用LED数码管静态显示电路,每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。
单片机只需要把要显示的字形代码发送到接口电路,直到有新的数据要显示时,再发送新的字形码可以了。
这样可以是cpu的负荷减少到最小。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
图2-7数码管驱动电路
在实际电路需要一个中介作为LED显示器的静态显示接口以便连接在AT89C51上。
在经过考虑之后,可以选用74HC164实现此功能。
图2-7为数码管驱动电路。
数码管在单片机内0-9所对应的字型码分别是:
01H,4FH,12H,06H,4CH,24H,20H,0FH,00H,04H。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
3.软件设计
3.1系统整体程序框架
设计电路整体工作主要由单片机程序控制实现。
其工作过程为:
电路初始化,输出功能选择,选择确定输出电流电压,为移动设备充电直至完成,程序整体框架如图3-1所示。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
图3-1程序整体框架流程
3.2电路初始化程序
初始化是每个具有单片机电路开始工作的必需的工作,主要完成以下工作:
(1)、清片内ram,进行上电复位操作;
(2)、置初始参数设定,以利系统的工作;
(3)、设置系统运行所需的各个参数;
(4)、返回执行充电任务。
3.3键盘子程序
键盘子程序主要作用是检测开关是否处在有效的开关状态,而且在确定程序运行后判断应执行那个充电状态。
通常所用的按键为轻触机械开关,因机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,一般为5ms~20ms,所以读取端口后要做一定的延时以排除键抖引起的误动作。
图3-2为按键子程序结构流程图。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
图3-2按键子程序结构流程图
3.4数码管显示子程序
开机时,需要先进行初始化数码管。
如图3-3为数码管显示子程序。
图3-3数码管显示子程序结构流程图
当要显示某字符时,片内工作为:
把首先把起始地址送入DPTR中作为基址,然后将缓冲区内的数据作为偏移量送入变址寄存器A,执行查表指令“MOVCA,@A+DPTR”,则累加器A中得到的结果即对应数字的字形码。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
3.5数据采集及模数转换程序
数据采集及数模的转换主要ADC0808完成,然后传递给AT89C51进行数据的处理后产生预期的效果。
程序流程如图3-4所示。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
图3-4数据采集子程序结构流程图
3.6充电子程序的设计
如今的电子产品电池规格不一,但是大多数都是采用锂离子聚合物电池作为新一代安全性电池。
这种设备都是采用恒压恒流充电,首先是恒流充电,当充电电压达到4.2V时转入第二阶段,即恒压充电方式,此时充电电流逐渐降低到零,则表示电池完全充满。
充电子程序流程图如图3-5所示。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
图3-5充电子程序结构流程图
3.7电源子程序的设计
本设计的便携式太阳能充电器与传统充电器相比较,具有完善的过电流智能保护,而且可以选择输出为充电电源还是直流电源。
充电子程序流程图如图3-6所示。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
图3-6电源子程序结构流程图
参考文献
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结束语
忙碌了两个月,我的毕业设计课题也终将告一段落。
点击运行,也基本达到预期的效果。
但由于能力和时间的关系,也还是有很多不尽人意的地方,比如功能不全、底层代码的不合理等。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
本设计的基于单片机的便携式太阳能充电器大部分