mA太阳能充电宝设计光伏发电技术课程设计.docx
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mA太阳能充电宝设计光伏发电技术课程设计
2000mA太阳能充电宝设计
（光伏发电技术课程设计）
第1章前言
科学技术的发展与时代的进步给人们带来了更高的生活需求，在现今时代，可再生能源的挖掘和利用已经成为了各国持续发展的最好解决方法。
太阳能是地球上最清洁的能源之一，取之不尽、用之不竭。
在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能作为一种安全、环保新能源,越来越受重视，己成为人类使用能源的重要组成部分。
同时，随着太阳能光伏技术的发展和进步，具有环保节能的双重优势的太阳能灯具产品，在太阳能路灯照明系统中的应用发展日趋完善。
早在1839年,法国科学家贝克雷尔（BECQURAL）发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差,这种现象后来被称为“光生伏打效应”，1954年美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
基于太阳能的移动电源具有节能，环保，安全，方便，寿命长，适用广等特点，十分具有价值，它的永久性，灵活性，干净清洁等优点给新能源开发带来了无限当我创新空间，采用太阳能，无需市电，无后期运行费用，节约用电，是国家大力推广的环保节能能源，它可任意安装，不受位置限制，安装使用简单，哪里有阳光哪里就能充电，其科技含量高，技术先进，故障率低，基本面维护，维修量极少，操作简单，只要轻轻一按就有电源输出，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发展的瓶颈时，越来越多国家开始实行“阳光计划”，2006年1月1日我国《可再生能源法》正式实施,太阳能、风能等可再生能源作为十一五期间国家能源重点发展方向,将在税收等方面享有优惠政策。
同时,《可再生能源法》中明确指出,到2020年,我国可再生能源的构成比例要占到10%以上,其中的第十七条还明确要求房地产开发企业应在建筑物的设计和施工中,为太阳能的利用提供必备条件。
据悉,建设部正在起草的《太阳能使用法》,其中将规定在新建住宅中将强制使用太阳能。
未来几年,太阳能将和家用电器一样走进千家万户。
当前我国新能源企业已渐成气候,比较大的厂家有:
力诺太阳、无锡尚德、常熟阿特斯等企业。
王学斌在基于单片机的太阳能路灯的设计中进行了一项基于单片机的太阳能路灯设计；该系统主要以ATmega128L主控芯片来实现对VRLA蓄电池充放电和LED路灯照明的电流电压输出控制，同时通过Speic电路来实现对VRLA蓄电池的充电功率最大化，从而保证太阳能路灯的照明系统最大功率。
实验表明基于单片机的太阳能路灯设计系统能够有效提高太阳能电池板的输出功率，输出功率提高约为4.5W，能够对路灯照明系统进行有效能量转换[6]。
太阳能电池是利用太阳能辐射比较切实可行的方法,可谓人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔前景。
1.1太阳能电池工作原理
太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光伏特效应，所谓光伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN的两边出现电压叫做光生电压。
当光照射到PN结上时，产生电子空穴对，在半导体内部PN结附近生成载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴，它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。
光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
当把能量加到纯硅中时（比如以热的形式），它会导致几个电子脱离其共价键并离开原子。
每有一个电子离开，就会留下一个空穴。
然后，这些电子会在晶格周围四处游荡，寻找另一个空穴来安身。
这些电子被称为自由载流子，它们可以运载电流。
将纯硅与磷原子混合起来，只需很少的能量即可使磷原子（最外层五个电子）的某个“多余”的电子逸出，当利用磷原子掺杂时，得到的硅被成为N型（“n”表示负电），太阳能电池只有一部分是N型。
另一部分硅掺杂的是硼，硼的最外电子层只有三个而不是四个电子，这样可得到P型硅。
P型硅中没有自由电子。
图1.1太阳能电池工作原理图
本设计采用两块如图1.2所示太阳能电池板：
图1.2太阳能电池板
其参数如表1.1所示：
表1.1
峰值电压
5V
峰值电流
60mA
尺寸
68*36mm
效率
1000w/m2
太阳能电池的充电发展太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。
超级电容发展快速，容量超大，面积反缩小，加上价格低廉，因此有部份太阳能产品开始改采超级电容为充电对象，因而改善了太阳能充电的许多问题：
1:
充电较快速
2：
寿命长5倍以上
3：
充电温度范围较广
4：
减少太阳能电池用量（可低压充电）
1.2设计内容及思路
本充电器通过太阳能电板将太阳能转化为电能，转化来的电能主要供两部分电路使用：
通过78系列芯片将太阳能输入的高幅值电压降低为5V，从而为单片机供电。
经过DC/DC变换器电路处理后，由充电电路为负载供电。
本电路采用的是开始恒流快速充电，带电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电方式，并且这样有利于保存电池容量。
充电过程中采用发光二极管进行指示，系统中设计完备的过压保护，避免因过度充电而损坏。
由DC/DC变换器电路转换而来的信号传输给AD574A信号，进行数模转换，再将所得的数字信号传递给单片机，通过程序的控制，使液晶屏显示充电电流和电压。
另外，选用了光耦合器来控制继电器，从而很好地将单片机与外界电路隔离，避免单片机控制部分受到一定的影响，而且当用电器充电达到设定的幅值后，可以利用继电器将电路断开，从而起到保护电路和蓄电池的作用。
文中介绍的太阳能移到电源，与普通的移动电源相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电板外，还充分利用了单片机的智能性，设有完备电压电流检测保护电路。
吧太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可为一般电源提供一个方便的太阳能充电点。
这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信自由。
如图2所示，有太阳能输入的电压分为两部分使用，一部分经过单片机供电电路，将电压降至5V，从而驱动单片机，使其工作，通过单片机程序显示电路的显示：
另一部分电压通过DC/DC降压模块将降压降低，供外界电器充电使用，同时将转换成的数字信号传给单片机，通过单片机的控制，利用继电器实现光电耦合，将单片机和蓄电池。
图1.3设计原理图
第2章设备选型
2.1单片机供电电路
2.1.1稳压器
7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。
顾名思义三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定。
能够实现1A以上的输出电流。
器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛。
可以运用本地调节来消除噪声。
7805三端稳压IC在电路运用中应注意以下事项：
输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏。
最高输入电压不能超过35伏;输出电流不能太大，1.5A是其极限值。
大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿;输入输出压差也不能太小,低于2伏稳压效率急速下降。
如图2.1为7805电路图，78系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。
IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。
当输出电流较大时，7805应配上散热板。
图2.17805稳压器电路图
如图2.2所示为7805三端稳压器：
图2.27805三端稳压器
从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。
如对于78正压系列，①脚高电位，②脚接地，③脚为输出位。
此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第②脚相连。
这样在78系列中，散热片和②脚（地）连接。
2.1.2二极管
如图2.3所示为二极管:
图2.3二极管
二极管，电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。
而变容二极管则用来当作电子式的可调电容器。
大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流”功能。
二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断（称为逆向偏压）。
因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。
早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。
在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。
一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。
在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。
当外加电压等于零时，由于p-n结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。
二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管因为灯丝的热损耗，效率比晶体二极管低，所以现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。
二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。
二极管的管压降：
硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。
主要有三种颜色，具体压降参考值如下：
红色发光二极管的压降为2.0--2.2V，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。
二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。
2.1.3电容
如图2.4所示为电容：
图2.4电容器
电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。
定义1：
电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。
英文名称：
capacitor。
电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路， 能量转换，控制等方面。
定义2：
电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。
通用公式C=Q/U平行板电容器专用公式：
板间电场强度E=U/d，（2.1）
电容器电容决定式C=εS/4πkd（2.2）
定义：
是由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。
当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，所以电容器是储能元件。
任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，组成一个电容器。
平行板电容器由电容器的极板和电介质组成。
特点：
1.它具有充放电特性和阻止直流电流通过，允许交流电流通过的能力。
2.在充电和放电过程中，两极板上的电荷有积累过程，也即电压有建立过程，因此，电容器上的电压不能突变。
电容器的充电：
两板分别带等量异种电荷，每个极板带电量的绝对值叫电容器的带电量。
电容器的放电：
电容器两极正负电荷通过导线中和。
在放电过程中导线上有短暂的电流产生。
电容充电过程
电容充电过程
3.电容器的容抗与频率、容量之间成反比。
即分析容抗大小时就得联系信号的频率高低、容量大小。
2.1.4电路设计
单片机对电源质量要求严格，只有波形稳定清晰的电源才能使单片机上电复位，否者无法上点复位，晶振不能起振，单片机就不工作。
单片机电源使用5V电压，因此需要将太阳能转换来的电压经过降压和稳压后才能供单片机使用。
如图2.3所示，该部分电路由7805和7812芯片组成，将太阳能输入的较高幅值电压转换为5V左右的电压，用于给单片机供电。
当太阳能输入电压正常时，走遍二极管导通：
当为单片机提供的工作电压正常时，右边二极管导通。
单片机供电电路的主要功能是将太阳能电池板转化直流电经过7812初步降压，然后由7805再次稳压供给单片机使用。
78系列稳压芯片性能稳定，属于集成稳压芯片的较常用系列，同时其价格低廉并能实现系统要求，所以其被选用，电路中所连接的电容为滤波左右。
图2.5单片机供电电路原理图
2.2单片机
2.2.1AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图2.6所示为AT89C51示意图：
图2.6单片机
其中单片机的管脚说明如下所示：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，
如表2.1所示：
表2.1
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
计时器0外部输入
P3.5T1
计时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可1`采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.3模拟转换
2.3.1AD574A芯片
AD574是美国核拟器件公司生产的12位逐次逼近型中速A/D转换器。
其转换误差为土0.05%，是目前我国应用广泛，价格适中的A/D转换器。
其内部含三态电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，便能与CMOS及TTL电平兼容。
内部配置的高精度参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能实现A/D转换功能，应用非常方便。
如图2.7所示为AD574A示意图：
图2.7AD574A
其主要功能特性如下：
分辨率：
12位
非线性误差：
小于±1/2LSB或±1LSB
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和+5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式。
AD574A的引脚说明：
[1].Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].Pin2（12/8）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。
[3].Pin3（CS）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期控制端。
与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（R/C）——读转换数据控制端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
现AD574A的CE和A0对其工作状态的控制过程。
在CE=1、CS=0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/C=0时A/D转换，当R/C=1是进行数据读出。
和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。
A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。
当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。
当R/C=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和R/C控制数据输出状态的格式。
当12/8=1时，数据以12位并行输出，当12/8=0时，数据以8位分两次输出。
而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。
其控制逻辑真值表见表1。
[7].Pin7（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[8].Pin8（REFOUT）——10V基准电源电压输出端。
[9].Pin9（AGND）——模拟地端。
[10].Pin10（REFIN）——基准电源电压输入端。
[11].Pin（V-）——负电源输入端，输入-15V电源。
[12].Pin1（V+）——正电源输入端，输入+15V电源。
[13].Pin13（10VIN）——10V量程模拟电压输入端。
[14].Pin14（20VIN）——20V量程模拟电压输入端。
[15].Pin15（DGND）——数字地端。
[16].Pin16—Pin27（DB0—DB11）——12条数据总线。
通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。
[17].Pin28（STS）——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。
AD574A的工作模式：
以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。
当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。
2.3.2DC/DC转换器
DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。
DC/DC转换器分为三类：
升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。
根据需求可采用三类控制。
PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。
PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。
PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制。
目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3、数码相机、便携式媒体播放器等产品中。
在电路类型分类上属于斩波电路。
如图2.8所示为DC/DC转换器示意图：
图2.8DC/DC转换器
DC-DC转换器一般由控制芯片，电感线圈，二极管，三极管，电容器构成。
如图2.9所示为降压DC/DC转换器原理图：
图2.9DC/DC转换器原理图
DC-DC电路设计至少要考虑以下条件：
1.外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。
2.DC-DC输出的电压，电流，系统的功率最大值。
基于以上两点选择PWMIC要考虑：
1.PWMIC的最大输入电压。
2.PWM开关的频率，这一点的选择关系到系统的效率。
对储能电感，电容的大小的选择也有一定影响。
3.MOS管的所能够承受的最大额定电流及其额定功率，如果DC-DCIC内部自带MOS，只需要考虑IC输出的额定电流。
4.MOS的开关电压
2.二极管：
通常都用肖特基二极管。
选择时要考滤反向电压，前向电流，一般情况反向电压为输入电源电压的二倍，前向电流为输出电流的两倍。
3.电容：
电容的选择基于开关的频率，系统纹波的要求及输出电压的要求。
容量和电容内部的等效电阻决定纹波大小（当然和电感也有关）。
2.4继电器模块
继电器是一种电控制器件，是当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
如图2.10为继电器的原理图：
图2.10继电器原理图
如表2.2所示为继电器各部件说明：
表2.2继电器各部件说明
1
线圈
2
电磁铁
3
短路环
4
铝盘
5
钢片
6
铝框架
7
调节弹簧
8
制动永久磁铁
9
扇形齿轮
10
蜗杆
11
扁杆
12
触点
13
时限调节螺杆
14
速断电流调节螺钉
15
衔铁
16
动作电流调节插销
继电器的触点有三种基本形式：
1、动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。
以合字的拼音字头“H”表示。
2、动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。
用断字的拼音字头“D”表示。
3、转换型（Z型）这是触点组型。
这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。
线圈不通电时，
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