太阳能手机充电器设计.docx

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太阳能手机充电器设计

　　太阳能手机充电器设计中文摘要摘要21世纪，是消费的世纪，人类面临的自然问题和能源问题，逐渐成为人类的最大的消费，如石油煤炭等一些不可再生资源的消耗与浪费，最后会被人类取之殆尽，所以，人类必须寻求新的路径找到新的能源来代替传统的不可再生资源，这时候太阳能等清洁能源的应用随之走进人们的视线。

现阶段的技术限制，人们想完美地利用太阳的资源不太现实，太阳光却拥有着无限的价值，只要被合理正确的利用起来，就是众人皆知的太阳能。

并且太阳能属于清洁类能源，能够对地球无危害、无污染，是人们最值得利用的新型能源。

　　太阳能作为一种清洁能源，它能做到零排放无污染，是一种真正值得好好利用的能源，人们怀揣着保护自然和寻求新的能源替代品这两个目的，大力的发展太阳能相关的产业。

本设计是一款单片机控制的太阳能手机智能充电器，原理是利用太阳能板接受太阳能，并将接收到的太阳能经过多路转换成直流电给手机进行充电的一款设计，也可为其他一些电子产品及电池进行充电，并且该充电器有完整的自我保护电路，不会存在过度充电而导致电池损害。

　　关键词新能源，太阳能，单片机，智能电池毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleSolarcellphonechargerdesignAbstractInthe21stcentury,thecenturyisconsumption,natureandenergyproblemsfacinghumanity,graduallybecomehuman＇sbiggestconsumer,coaloilandothernon-renewableresourcesisthelastoftheearth,andtheseassets,willbehumantakeout,so,mustseekanewpathtofindnewsourcesofenergyforhumaninsteadofthetraditionalnon-renewableresources,thentheapplicationofthecleanenergysuchassolarenergythenwalkedintothelineofsightofpeople.Withthecurrenttechnologicallimitations,it＇simpossibletomakethebestuseofthesun＇sresources,butthesun＇srayscanbeputtogooduse,knownassolarenergy.Asakindofcleanenergy,solarenergycanachievezeroemissionandnopollution,anditisakindofenergythatisreallyworthmakinggooduseof.Withthetwopurposesofprotectingnatureandseekingnewenergysubstitutes,peoplevigorouslydeveloptheindustryrelatedtosolarenergy.Thisdesignisasingle-chipmicrocomputercontrolofsolarmobilecharger,theprincipleistousesolarpanelstoacceptsolarenergy,andconvertthereceivedsolarenergythroughmulti-channelintodirectcurrentrechargemymobilephoneforadesign,canalsobeusedforotherelectronicproductsandbatterycharging,andhasafullsetofselfprotectioncircuit,thechargerwillnotproducedamagetothebatteryfortheovercharge.Keywords:

solarenergy,battery,singlechip,intelligent目次1绪论11．1课题研究背景11．2太阳能技术概述21．3论文的结构42太阳能手机充电器硬件设计51系统总体设计方案52太阳能电池板的选用63LM294应用64单片机的选择85单片机电路116本章小结123按键、斩波、A/D采集、DA转换131按键指示电路及实现132显示电路133BUCK斩波电路154单片机的A/D采集165DA转换电路186KA75B介绍及工作原理197本章小结214C语言源程序的设计实现221系统整体程序框架222电路启动初始化223按键采集程序244LCD162显示子程序245数据采集及模数转换程序276充电子程序的设计27结论29致谢3参考文献31附录1主程序代码32附录2硬件电路原理图531绪论1．1课题研究背景煤炭、石油等这些不可再生资源的宝库正在被人们一点一点的搬空，自然问题和能源问题逐渐成为人类发展的头等问题，这是一个恶性循环，人类对资源的开发使用，造成污染和温室效应，一步一步的上海自然，自然也会“回馈”人类。

　　新能源开发利用迫在眉睫，随之经济的发展，科技的进步，人们的保护自然的意识也在逐步的增强，人类也在慢慢的探索，核能、风能、太阳能、潮汐能等等都是人们忙碌的成果，这些都是人类开发的新能源，也是清洁能源清洁能源的含义包含一下两个方面的内容

（1）可再生资源这类能源是指那些消耗了能够自己恢复补充的能源，而且在被使用的同时，不会产生污染或者只会产生很少的污染，比如太阳能、风能、氢能等等，都是比较闻名的清洁能源。

（2）不可再生资源这类能源就是和可再生资源对应的，在使用和消费的过程中也同样不会产生或者产生极少的污染，但是它们在被使用之后不能够自行恢复补充，意思就是它们在地球上的储量是一定的，被用完就是宣告这种能源的消失，比如天然气等等。

　　虽然核能是属于清洁能源中的一种，但是使用核能时会导致其他种类的不可再生资源被浪费、消耗，而且核能的利用必须非常的谨慎，这种原理和核弹的原理是一样的，而且现阶段国际上的恐怖主义分子日益猖獗，核能难免会被他们呢利用，造成恐怖主义伤害，更直接的如果核能发电站遭到恐怖主义分子的袭击，那会造成很严重的后果，德国的做法就很谨慎，他们关闭了所有的核能发电站，并且寻找新的能源替代品，虽然这样的做法会比别的方法带来更高的成本。

　　可再生能源[1]是最理想的能源，所以人们可以大胆的使用，但是，虽然可再生资源是很好的能源，它们有时候会受到一些条件的限制，比如光、水力、风力等等的限制，这就导致需要在不同的地理环境，不同的条件下合理使用不同的可再生能源，这就要求技术的允许。

　　我国现阶段的国情还算比较乐观，因为我国是太阳能和风能的利用大国，我国的发展建立于科技时代的基础上，并带领着新能源利用在世界占一席之地，新能源开发的行业内的新型材料与新技术的不断更新、突破，产业链的进步和持续的成熟，风力和太阳能发电的成本越发的降低，每家每户应用太阳能发电和风力发电已不是天方夜谭，不仅降低了大型器械发电的成本，同时提高了民众的生活保障和生活质量。

　　作为清洁能源，太阳能和风能逐步成为新能源的“明星”，如果能够实现风能发电和太阳能发电互补，将会是最理想的状态，太阳能较为充足的时候用太阳能发电，风能较为充足的时候用风能发电，这样最大限度的利用好这些清洁能源，也能提供更多的保障。

　　1．2太阳能技术概述1太阳能的发展太阳能作为清洁的新能源有着得天独厚的优势，所以各个国家都争先恐后的组织科研人员区更好的开发和利用太阳能，利用太阳转换为光能发电已经占据了新能源发电中的主要地位，并且太阳能发电被公认为是未来最有发展可能的新型清洁能源。

，太阳能技术也是被认为是最受欢迎的新能源技术，太阳能主要从热能以及电能利用这两个大方面进行利用，而热能利用的工作原理就是太阳光照的光热效应，大多是应用于采暖方面，比如太阳能热水器，而点能利用则是利用光伏反应将光能转换为电能效应，而这种发电具有很大的效率，而且成本更低，所以从人类接触太阳能以来，太阳能发电技术在逐步的创新与跟新。

目前我国的太阳能发电系统主要是直流系统，太阳能经过光伏转换产生直流电流储存在蓄电池中，再由蓄电池给电子产品等进行充电。

　　与常规发电技术和其他绿色发电技术相比，光伏发电技术具有如下的优势

　　1、能够真正做到零污染、零排放，不破坏环境，并且完全符合可持续发展的宗旨；

　　2、可以灵活的在各个地方利用，可以独立于电网同时又可以和电网一并运行；

　　3、可以持续为用户发电，真正做到不停电的电源；

　　4、成本低，蓄电池以及太阳能板等器件的组成了太阳能发电系统的核心；

　　5、发电的效率很高而且固定，不会因为发电设施的规模大小影响发电的效率；

　　综合太阳能存在上述的种种优势，太阳能发电已成为世界各国瞩目的新能源技术，虽然目前的电网供电比光伏发电的价格要低，但是太阳能发电的维修费用要少，随着电的需求量变大，这种优势也随之变大。

所以各国为了缓解能源紧张的现状，并且能够可持续高效率发展，都开始大力的发展太阳能发电。

　　2硅太阳能电池及参数硅太阳能电池[9]由材质分类，一共有三类多晶硅薄膜、单晶硅以及非晶硅薄膜。

其中单晶硅太阳能为三者中转换效率最高者，其应用技术也比其它两者成熟。

与多晶硅薄膜太阳能相比较，单晶硅的成本比其余两者较低，但是效率却高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率最多为18%,工业规模生产下的转换效率为1%。

非晶硅薄膜太阳能电池的成本是最低的，而且它的质量也很轻，它的转换效率比较高，大规模生产很方便，相比较于前两种电池，非单晶硅薄膜可以大范围的进行使用。

但事物拥有两面性，由于其材料的特殊性，会导致光电产生效率衰退的现象，因此这便是为何它的稳定性不高的原因之一。

这也是这款电池在实际应用中的一大受制点。

参数如表1尺寸125mm*125mm对角线15mm功率Pmax6W工作电压Vm.523V工作电流Im934A开路电压Voc.629V短路电流Isc285A表1硅太阳能电池参数3本课题研究的主要内容本次手机充电器的设计采用当太阳照射于太阳能电池板时将太阳能通过光伏效应的方式转化为电能的原理[2]。

通过直流变直流的变换电路工作处理后呈负载供电。

但锂电池通常都不会采用符合设计要求的持续充电方式。

因为这样会损害电池，一般会有先后顺序的充电方式，先采用恒流充电，快速稳定的充电，等到电池电压上升到一定数值时，系统自动变为恒压充电的模式，持续到充满状态。

充电的过程中利用LED灯与数码显示管等方式来显示充电时的电池所处的状态，在此次系统设计中对电池过流进行了稳压过压的保护措施，防止电池因为过度负荷的充电而导致损坏，同时充电器选用了模块以及USB接口的结构方式，不局限于单一的电子数码产品的充电使用。

　　本文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的能源供应为新型能源——太阳能，并且结合了单片机独特的智能特点表现,配备完整的过充保护电路,并可以显示整个电路的充电状态,通过功能键的选择来控制电路输出的电流大小,为不同的电子产品提供电力。

把太阳能电池板放在一个太阳光重组的地方，即可称为手机的移动电源，这样的移动电源可以说既方便又能解决当务之急，避免因为手机没电而带来的尴尬。

　　1．3论文的结构本文所研究的太阳能手机充电器是基于单片机开发，在其基础上，熟练掌握单片机并且对该系统进行功能设计，并根据结果对太阳能使用和充电效果进行分析。

　　第1章对本课题产生的背景、太阳能的发展历史、硅太阳能电池进行了简单的介绍。

　　第2章主要讲解了关于单片机开发芯片的选择、硬件部分的原理设计以及太阳能电池板材料的选择。

LM294的应用和原理还有对于充放电控制部分的设计。

　　第3章对整个系统三个模块进行一系列的解释说明，和对每个模块的功能简单的介绍。

　　第4章对C语言程序的设计及各个模块电路的流程进行介绍。

　　2太阳能手机充电器硬件设计1系统总体设计方案1原理概述太阳能充电器就是将太阳的光能转换为电能，并且为电子设备提供供电的新型设备，是将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，再由蓄电池给手机充电，当然蓄电池可以为各种蓄电装置，也可以直接是手机电池。

　　2系统总体设计方案图1系统总体设计方案在使用过程中太阳能电池由于阳光的变化交替，同时内阻的阻值很高，从而导致了其输出电压存在不稳定，输出电流过小的现象，这就需要一个控制器来控制系统中的电压电流的稳定。

如今充电器一般都采用闪充、快充的方式，而这种充电方式通常都是通过大电流来达到快充的目的，但这种充电方式通常会使处于饱和状态的电池因为没有及时断开充电器以及电池的连接电源，因此电池会发烫从而使电池的使用寿命剪短。

本系统将采用单片机STC系列中的12C5A6S2芯片，将它作为充电系统中的中央控制器，并实现“低成本，大效率”的充电智能控制。

总体设计方案如图1所示太阳电池板通过了光伏反应后将太阳能转换为电能后，通过单片机中的编程模块实现脉冲宽度调制波来控制直流/直流的转换芯片工作。

使电路中的电流电压可以任意调节，确保输出的电压电流合适为电池充电。

然后通过显示电路的功能来实现了显示电路的输出状态，通过单片机的ADC模块采集系统中的数据后并转换，再将数据传送给单片机，再由单片机做出预判，从而实现了基于单片机的电路智能控制。

　　2太阳能电池板的选用太阳能电池板是整个太阳能手机充电器系统工作的核心，是该手机充电器的基础部分，其主要功能是将太阳光的辐射的能量转化为能够使用的电能，许多便携式数码电子设备所需的电压电流都不相同,如果一些设备的额定输出功率较大时，就要采用面积更大的太阳能电池板来供电，而这又给用户携带带来诸多不便。

因此，这款充电器采用模块化设计的方法，根据不同的充电需要，合理组合太阳能电池板规模，来提红一套具有稳定输出功率和输出电压的光电伏电池组。

如图1所示，为太阳能发电原理，由P、N型半导体构成的太阳能板接收光能辐射，光透过电池板就会激发一些电子，形成许多的运动着的带负电荷的电子和带正电荷的空穴。

同时P-N结形成内部电场，吸引电子往N区、空穴则通往P区进行运动，在此状态下，太阳能板吸收光源的一面将会汇集众多负电荷电子，而背光的一面就会汇集携带正电荷的空穴，与此同时，太阳能板的两端都将会连上负债，电流正常通过负载。

所以持续将太阳能板进行光照,负载上就会又持续的电流通过。

　　图1太阳能电池发电原理3LM294应用图2LM294应用电路本文采用的单片机电源设计芯片为LM294，这种芯片三端为集成稳压器，采用串联电路。

如图2所示为294芯片的典型实例电路。

LM294特点:

低压差三分稳压器、额定输出电压5V、额定输出电流1A，这说明当电路中的输出电流为1安时，最小的输入输出电压差值则会低于.8A，这时最大的输入输出电压则为26V，区间的工作温度则为-4——+125℃。

LM294芯片能够降低静态电流的电路、电流限制以及电路的过热保护等。

　　表1由表1可知，当LM294的输出电压为1A时，最低压差的典型值则为.5V。

　　图3电压电流变化图3表示LM294输出电压的瞬间改变时，此时输出电压产生的变化显示，由图可得，输出电压最短可在1uS内恢复到正常状态。

　　图4输入电压与输出电压关系图4为输入电压低于正常值时，输入电压与输出电压间的关系（输出电流均保持在1A时）。

　　图5电压曲线图5为出现输入电压大于限定值时输出电压的情况，由图可得，输入电压<3V时，其内置芯片则会主动的激活过压保护功能，从而是输出的电压为V。

　　4单片机的选择宏晶科技生产的STC12C5A6S2系列单片机为单时钟，机器周期为1T的一款单片机，它是新一代的851单片机，对比传统的51单片机的功能，其指令代码可以完美的与传统互相兼容，并且不易出现错误。

引脚如图6所示。

（1）晶振相同时，新一代的单片机速度为传统51单片机的8——12倍。

（2）有8路1位AD。

　　（3）多了两个定时器，有PWM功能。

　　（4）有SPI（串行外设接口）接口。

　　（5）有EEPROM。

　　（6）有1K内部扩展RAM。

　　（7）有WATCH-DOG。

　　（8）多一个串口。

　　（9）输入（IO）口首先被定义，并且定义有四种状态。

（1）中断的优先级存在着四种状态，均可定义。

　　图65充放电的设计本系统控制数据的采集过程则是单片机主要任务，把采集得到的数据经过分析与处理在LCD中显示，与此同一时刻输出脉冲宽度调制信号，控制直流/直流转换模块。

上电复位的过程，应先检查并且保证充电器功能，从而确定输出电流的大小。

转入相应子程序并分析计算脉冲宽度调制信号的占空比，开始输入电流/电压，并将数据送至显示电路进行显示。

在输出过程中通过单片机的定时器进行定时的检测系统中的输出电流/电压，与设定值比较后调节脉冲宽度调制信号的占空比，使输出值更趋于设定值。

在电池充电过程中，通过检测电流来确定电池充电状态，从而改变充放电模式或决定是否停止充电[6]。

　　单片机编程能够实现充电器在充电时的智能控制，并且简化了复杂、繁琐的硬件电路设计，对程序进行修改来改变电路的工作状态或者是电路参数。

　　充放电的控制

（1）充电方式市场售卖的充电器普遍存在蓄电池充电方式的使用不合适，从而损害了电池的使用寿命。

本设计中，蓄电池的充电技术采用了脉冲宽度调制技术，而此项技术就是利用了单片机中的数字输出对模拟电路的影响与控制11]。

　　PWM原理是指在时钟频率一定的情况下，通过改变在一个周期内利用什么时候开启和关闭通电来改变信号的占空比，从而调整输出电压[11]。

如图7所示，在一个周期T内，开启电压的时间t可以任意变化，当时间t占周期T一半时，对应的占空比为5%。

当占空比为5%时，信号电压为1V，实际工作电压5V。

　　图7输出电压波形PWM充电方式是指对蓄电池进行间断的充电，充一会停一会，如此循环下去[9]。

因为这种充电方式会降低蓄电池在停充状态下，内部化学反应会导致内压，因此可以使蓄电池吸收更多的电量，提高电池充电的效率[9]。

（2）放电方式市场上售卖的很多充电器没有对蓄电池电压进行实时检测的功能，因此电池很容易在放电时负载过放。

本文在对电池电压进行检测时，还将会判断蓄电池是否处于正常的额定电压范围，然后通过了手动的控制开关将开关按照开关按键来操作负载电路接通和关断的控制。

　　6本章小结本章对整个充电器硬件部分进行了整体性的介绍，简单的介绍了太阳能电池板的选择要求并且根据电流等选取较为合适的电池板同时也对太阳能电池板工作原理和功能进行简单的介绍，同时也简单介绍了STC12C5A6S2/AD/PWM系列单片机的基本功能，还有对单片机电路的工作过程和内容进行简单的讲解，也有一部分的充放电的控制设计。

　　3太阳能手机充电器模块及电路组成1单片机控制模块1单片机控制电路MCU模块即为单片机部分也是核心部分，因为整个系统的控制都是依靠单片机完成的。

STC12C5A6S2的P口连接着CD162，作为数据输出的显示输出功能，引脚P24、P25、P26均为控制端口，控制LCD，引脚P13、P14为脉冲信号的输出端口,P16、P17口为ADC采集端口；

　　P1、P11、P12接三个独立键盘用来输入数据传输。

图1是单片机控制电路图。

　　图1单片机控制电路2按键控制电路在单片机应用系统中，按键控制有独立按键方式以及矩形编码按键方式两种方式。

独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，通过对端口上的电位感应来识别操作人的各种按键操作，矩形键盘识别与独立按键的操作方法不同，通过行键盘以及列键盘的相互交叉的编码进行识别。

　　图2按键接线图综合考虑电路后，由于在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，用这种按键法能够降低编程的难度，图2为本设计中的按键方式接线图。

将采集电路连接到单片机的P1口，通过P口收集采编控制的工作，让P口能够只用于接受数据的额功能，而不是发送系统数据。

为了减少电路的开销，如果P端口用于输出端口，则需要连接up电阻，反之则不需要，而P3口的主要工作是串口传输，因此按键方式连接在P1口端，PB2的对应按键功能是数字减少的按键，PB1的对应按键功能为数字增加，PB口则对应按键功能为键位确定，P3对应按键功能为电路保护指示灯，P4与P5均对应的按键功能为输出功能的选择，P4对应的是给手机充电，P5对应的是简单的直流电源，包括可以提供5v的输出电压可以直接与USB电缆充电的手机连接,手机自带电池充电控制。

　　3稳压控制设计（注KA75B和TL494是同一种芯片）下图中的电路图3所述为集成电路型号为KA75B，这是三星公司中的一颗专用型的pwm开关电源集成控制器，它能兼容于TL494并且可以互换。

在一定的频率脉宽调制是TL494的特点，涵盖了开关电源控制的所有需求的功能，常广泛的运用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。

它的一些主要特性如下TL494的显著特点为集成了所有的PWM电，它的内置芯片是线性的锯齿波振荡器，外置两个振荡元件（一个电阻和一个电容）。

还内置了一个误差放大器以及额定电压为5V的基准电压源。

还能调整死区时间。

它的内置的功率晶体管可提供5mA的驱动能力。

与此同时，还能适应推或拉两种不同的输出方式。

　　集成电路靠外部输入出控制信号，分为两路，一路送到死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。

TL494芯片中内置的一个V的基准电压源，使用外置偏置电路时，能够提供高达1mA的负载电流。

　　图3中的电路功能提供恒流/恒压输出功能。

它还带有两路反馈电路，这两路反馈电路一种是电流反馈电路，另一种是电压反馈电路，其中电流反馈电路的正、负极对应着引脚1、2脚，当电流进行取样时，电阻就会产生压降，而这个压降的产生原因是因为输出电流，此压降通过了电阻过R9、R1、R14、R15，再由电阻反馈回来，当KA75的引脚P1电压大于引脚P2的电压时，KA75主动的减少输出的PWM脉冲，以此来减少输出电流的大小，其原理公式

　　式中R为电流的取样电阻，PWM为单片机PWM输出滤波后的电压。

　　电路里的正负反馈分别对应着引脚15、16，当芯片通电后，单片机就会根据于此产生输出PWM电压，输出的PWM电压的作用KA75B的第15引脚的电压基准，在其工作环节中输出电压，前面电压取样电阻分压后，与单片机提供的基准电压做比较，当电压过高时，脉冲宽度会相应减小;但如果电压太小，脉冲宽度则相应的增加，用来确保输出碘盐的稳定。

其输出电压值符合下列公式

　　由于KA75B的两路反馈进行控制之前首先要相“与”，当输出电压低于恒压值时,电流反馈在电路中为主导控制的作用,当输出电压达到设定值时,电压反馈为电路中的主导控制作用,这样电路就完成了整个恒流/恒压的控制功能,它的原理其实是和稳压电源