原创太阳能充电器电路设计毕业论文.docx

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原创太阳能充电器电路设计毕业论文

本科毕业设计（论文）

题目太阳能充电器电路设计

学院名称理学院

专业班级电子信息科学与技术信息10-1班

学生姓名李杰

导师姓名孙吉红

二○一四年六月一日

太阳能充电器电路设计

作者姓名李杰

专业电子信息科学与技术

指导教师姓名孙吉红

专业技术职务副教授

齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下独立研究、撰写的成果。

设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中加以说明，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示了谢意。

本声明的法律结果由本人承担。

　　　　　　　　　　　　　　　毕业设计（论文）作者签名：

　　李杰　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2014年　6　月　2　日

齐鲁工业大学关于毕业设计（论文）使用授权的说明

本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：

学校有权保留、送交设计（论文）的复印件，允许设计（论文）被查阅和借阅，学校可以公布设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、扫描等复制手段保存本设计（论文）。

指导教师签名：

　孙吉红　　　　毕业设计（论文）作者签名：

　李杰　　　　

　　　　　2014年　6　月　2　日　　　　　　2014　年　6　月　2　日

目录

摘要III

ABSTRACTIV

第1章绪论1

1.1课题背景1

1.1.1能源危机及环境污染问题1

1.1.2太阳能的开发和利用2

1.1.3我国太阳能的资源状况3

1.2国内外光伏发电产业现状与市场需求3

1.2.1国内外光伏发电产业现状3

1.2.2光伏发电市场需求4

1.3光伏系统的工作原理与组成5

1.3.1光伏系统的工作原理5

1.3.2光伏系统的组成5

1.4本章小结6

第二章太阳能电池和单片机6

2.1太阳能电池6

2.1.1太阳能电池原理、分类和保护6

2.1.2太阳能电池的等效电路8

2.1.3太阳能电池板的输出特性9

2.2单片机介绍11

2.2.2单片机硬件特性12

2.2.3单片机基本结构12

2.3本章小结14

第三章方案选择及单元电路的设计14

3.1方案选择及方框图14

3.1.1方案选择14

3.1.2方框图14

3.2太阳能充电器电路原理15

3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类15

3.3单片机电路介绍15

3.3.1STC12C5408AD单片机15

3.3.2设计思路20

3.4锂蓄电池的充电特性22

3.4.1控制器充放电电路23

3.4.2液晶显示电路26

3.4.3报警电路设计29

3.4.4PADS简介30

3.5本章小结33

第四章锂蓄电池电压电流的检测和技术研究33

4.1锂蓄电池电压的检测33

4.2蓄电池电压检测电路设计33

4.3本章小结34

结论35

参考文献36

致谢37

摘要

化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。

太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。

太阳能发电的历史可以追朔到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起伏安特性改变。

最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。

其后，对硒，氧化铜等半导体材料进行研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的光伏效应。

本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路变换为稳定直流电充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。

与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。

关键词：

太阳能电池单片机充电器

ABSTRACT

Fossilenergydryingup,people'sattentiontotheproblemofenvironmentalprotectiondegreearealsoconstantlyimprove,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreandmoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyitinexhaustible,cleanandsafecharacteristicsandthereforeprospect,photovoltaicpowergenerationtechnologyisalsomoreandmoregettheattentionofpeople,withthepriceofphotovoltaicmodulesandthedecreaseofthedevelopmentofphotovoltaictechnology,solarphotovoltaicpowergenerationsystemwillbegraduallybytheadditionalenergytomakethetransitiontoalternativeenergynow.

Solarpower'sbedatedbackto1800,Berkeley'sdiscoveryofasemiconductormaterialafterirradiationlight,tocausevolt-amperecharacteristicschange.Intheend,foundthephotovoltaiceffect,whichmadefromsemiconductorphotovoltaiccells.Thereafter,selenium,copperoxidesemiconductormaterialssuchasresearch,alsofoundthatthephotovoltaiceffect,alsomadeasimilarphotovoltaiceffect.

Thiscourseisdesignedtointroduceakindofsolarcharger,usingsingle-chipmicrocomputercontrol,thesolarenergythroughtostabilizethedcchargingcircuittransformation,aftercompletionofthebatteryandcanautomaticallystopcharging,canalsobeusedasageneraldcpowersupply,soastogetridofthedependenceonthegridforthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarcharger-PlaneSwitching），VA垂直取向（VerticalAlignment）。

TN型是目前市场上最主流的液晶显示器采用的模式，广泛应用于入门级和中端的面板。

目前常见的在性能指标上并不出彩可视角度有天然痼疾。

市场上看到的TN面板都是改良型的TN+film，film即补偿膜，用于弥补TN面板可视角度的不足，要说TN面板胜过前面两种面板的地方，就是由于他的输出灰阶级数较多，液晶分子偏转速度快，致使它的响应时间容易提高，目前市场上8ms以下液晶产品均采用的是TN面板。

总的来说TN面板是优势和劣势都很明显的产品，价格便宜，响应时间能满足游戏要求使它的优势所在，可视角度不理想和色彩表现不真实又是明显的劣势。

STN型的显示原理与TN相类似。

不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180～270度。

DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显示目的。

DSTN是由超扭曲向列型显示器（STN）发展而来的。

由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。

宽视角模式多用于液晶电视。

以IPS为例，它是日立于2001推出的面板技术，它也被俗称为“SuperTFT”。

从技术角度看，传统LCD显示器的液晶分子一般都在垂直-平行状态间切换，MVA和PVA将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式，而IPS技术与上述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，只是在加电常规状态下分子的旋转方向有所不同——注意，MVA、PVA液晶分子的旋转属于空间旋转（Z轴），而IPS液晶分子的旋转则属于平面内的旋转（X-Y轴）。

为了配合这种结构，IPS要求对电极进行改良，电极做到了同侧，形成平面电场。

这样的设计带来的问题是双重的，一方面可视角度问题得到了解决，另一方面由于边际电场效应导致液晶光效低（光线透过率），所以IPS也有响应时间较慢的缺点。

16.7M色、178度可视角度和16ms响应时间代表现在IPS液晶显示器的最高水平。

从液晶面板的驱动方式来分，目前最常见的是TFT（ThinFilmTransistor）型驱动。

它通过有源开关的方式来实现对各个像素的独立精确控制，因此相比之前的无源驱动（俗称伪彩）可以实现更精细的显示效果。

因此，目前大多数的液晶显示器、液晶电视及部分手机均采用TFT驱动。

液晶显示器多用窄视角的TN模式，液晶电视多用宽视角的IPS等模式。

它们通称为TFT-LCD。

TFT-LCD的构成主要由萤光管（或者LEDLightBar）、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。

首先，液晶显示器必须先利用背光源投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶。

这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶中传播的光线的偏振角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。

因此我们只要改变加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。

液晶显示器的工作原理和液晶显示器的物理特性下面简单介绍一下。

液晶显示器的工作原理：

液晶是这样一种有机化合物,在常温条件下，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，因而称为“液晶”.在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下，其分子容易发生再排列，使液晶的各种光学性质随之发生变化，液晶这种各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场的控制.正是利用这一液晶的物理基础,即液晶的“电－光效应”,实现光被电信号调制，从而制成液晶显示器件.在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ONOFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

液晶的物理特性是：

当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。

让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。

从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。

当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。

在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。

将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

下面介绍一下液晶显示器1602，1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地；

第2脚：

VDD接5V电源正极；

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作；

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端；

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端；

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

液晶显示电路如图3-13所示。

图3-13液晶显示电路

3.4.3报警电路设计

为了能使有效地保护电路.本产品还设计了蓄电池反接报警电路.主要利用到二极管的单向导电特性来实现.该设计还有一个功能就是当用户把电充满的时候他也会实现自动报警来提醒用户电已充满.请用户注意。

具体电路如图3-14所示。

图3-14报警电路图

下面是报警电图按键指示电路及实现。

在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：

1、独立按键；2、矩阵编码键盘。

独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个IO口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。

通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。

因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms-20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。

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3为本设计的按键接线图3-15所示。

图3-15按键接线图

对电路总体考虑后，将ADC0809采集电路接在了单片机的P0口，并用P2口做采集控制，这样P0口仅用接收数据，不用发送数据，有P0口的硬件构成知道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬件开支，而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在P1口，其中P1.0是数字减键，P1.1为数字加键，P1.2键位确定键，P1.3为过电流保护指示灯，P1.4、P1.5为输出功能选择键，按下P1.4代表给手机电池充电，按下P1.5则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。

3.4.4PADS简介

PADSLogic是一个功能强大的、多页的原理图设计输入工具，为PADSLayou（原PADSLayout（PowerPCB））提供了一个高效的、简单的、前端设计环境。

PADSLogic提供了在没页进行快速的存取、在线元件编辑和方便的库管理，以及快速的帮助向导。

与PADSLayout完全的集成提高了原理图设计到PCB设计的转化效率，PADSLogic允许您快速地识别相应的元件和放置和精确度。

1.印制线路板的设计

（1）印制线路板的条件

1）具备电路原理图；

2）已知印制线路板板面需要容纳的电路以及该电路内各种元器件的型号，规则及尺寸；

3）明确各元器件和导线对印制板板面安排的特殊要求；

4）确定印制线路板在总体布局中的位置及其连接形式以及对印制线路板板面的尺寸限制或是要求等；

（2）元件布局：

1）就一般情况而言，元件布局应从以下几个方面考虑：

2）面上的元件应按原理图顺序成直线排列，并力求安排紧凑，密集，以缩短引线。

这对高频和宽带电路更为必要。

3）能采用单面板的尽可能使用单面板，即元件尽可能布设在印制板不焊接的一面，以便加工和安装。

4）对双面板或是多面板，元件放置的位置应与相邻印制导线交叉，特别是电感器件，以防止电磁干扰。

5）元件表面温度超过125摄氏度时，不应与基板接触。

防止热量通过传导，对流及辐射等而影响其他元件，并注意加用散热器和远离热敏元件。

6）圆形元件不易跨在金属化通信孔上，以利于焊接时孔内热空气的流通。

7）变压器或是类似的大电感器件，应定向放置或用屏蔽罩，以减少对临近元件的干扰。

8）在保证电性能合理的原则下，元件应相互平行或是垂直排列，以求整齐，美观。

一般不宜将元件重叠布置，如必须重叠跨接时，应考虑加固措施。

2.布线

布线是实施印制板线路设计的最后阶段，为了使设计者设计出质量好，造价低，加工周期短的印制板，特别提出下列原则和要求，供大家参考。

（1）布线原则

1）一般应将公共地布置在最边缘，便于印制板安装在机壳上，也便于与机壳连接。

2）单面板印制板上的导线不能交叉，因此迫使导线绕道或是平行布设平行线越长，不仅会使引线电感增大，而且导线之间，电路之间的寄生耦合也会增大。

3）对外连接宜采用接插形式的印制板，为便于安装，往往将输入，输出，反馈电线和地线均匀的平行排列为插头。

4）印制板上每级电路的地线，在许多情况下应自成封闭回路，这样会减小级间的低电流耦合。

5）印制导线需要屏蔽，但要求不高时，可采用印制屏蔽线，屏蔽网等屏蔽措施。

（2）布线要求

1）印制导线可以布置成单面，双面或是多面，但应首选单面，其次是双面。

仍然不能满足的时候再考虑多层。

2）作为电路的输入和输出两端用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生电流反馈，在这些导线之间最好加接地线。

3）在布线密度比较低时，可加粗导线，信号线的检举可适当加大。

4）印制导线的布局应尽可能短，特别是电子管的栅极，半导体管的基极和高频回路等更应这样。

5）印制导线拐弯一般为圆形，而直角和尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气的性能。

3.PCB图

经过以上的方案选择及方框图设计，设计了控制器充放电电路、液晶显示器电路、报警电路设计。

在制作PCB图的过程中，利用PADSLogic-原理图设计输入工具的辅助完成了PCB图的设计。

其过程中，我的指导老师帮助我了很多。

最终一块完美的PCB图展现在我的电脑显示器上。

PCB图3-16所示。

图3-16Pcb图

3.5本章小结

本章主要是介绍课题的方案选择，确定课题方案后。

仔细分析方案。

整理出方案的方框图，并重点分析介绍系统中的每个重点模块。

还学习了太阳能电池组件概述，分类，以及单片机的控制电路、液晶显示电路、报警电路设计、PADS相关知识。

第4章锂蓄电池电压电流的检测和技术研究

4.1锂蓄电池电压的检测

STC12C5408AD单片机带有8路10位AD转换器，转换器的输入电压范围为：

0～5V，转换后相应的数字量范围：

0～255。

将蓄电池电压Vd的最高值定于5V，利用电阻分压的方式将其转换为0～5V。

电路如图4-1所示。

图4-1锂蓄电池电压的检测图

Vi=R2（R1+R2）×Vd，取R2=10KΩ，R1=10KΩ，代入数值则由Vi=12Vd故蓄电池电压：

Vd=Vi*2；AD转换数字波动范围为±1LSB。

故电压测量波动范围±0.1V。

4.2蓄电池电压检测电路设计

在独立的太阳能应用产品中,蓄电池是整个系统的重要组成部分,对蓄电池

的保护也至关重要,所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路,来检测蓄电池电压的大小,从而控制器有效地工作。

为了保证准确性,整个控制器的基准零电位点需用蓄电池的负极。

蓄电池电压检测电路如图4.2所示。

图4-2蓄电池电压检测电路

单片价的PCI口可作ADC输入通道,故可以将采样结果送到PCI处。

在很多需要模数转换的场合,为了提高AD的分辨率,往往都选择较小的电压作为基准源,特别是采样一些电压值较小的模拟信号,此时Atmega48内部的基准电压（l.Iv）无疑是最好的选择。

本控制器的模数转换模块。

“D）就是采用的Atmega48片内1.Iv的基准电压,蓄电池采样电路将采集到的信息送到刀D转换器,通过单片机的分析,判断当前电池的工作状态。

这里采用IV的稳压管工作,将此处的电压限制在IV以下。

由于蓄电池白天的充电,晚上的放电,导致蓄电池的两端电压也是在变化的,所以为了准确的检测到任何时刻的蓄电池电压,采样处的电压需要小于IV,否则会被稳压管稳定在IV,这里电容CS的作用是滤波。

系统通过对U电压大小的判断,可以实行控制器的充电控制,并可以判断出蓄电池是何种规格,即是12V还是24V蓄电池。

判断的方法是若呱:

十<18v,蓄电池为12V系统,否则为24V系统,即单片机的软件通过公式（3.2）的转换,将呱T十转换为叽_。

uT后,判断得出结果。

4.3本章小结

本章主要简单介绍锂蓄电池电压的检测和蓄电池电压检测电路设计。

结论

由于能源的日益紧张，引起人们对太阳能应用的热潮，由太阳能极板、充放电控制器、蓄电池等构成的产品都有了相对成熟的发展，国内外很多专家也在这方面做了深入的研究。

本论文就太阳能充放电控制器对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的科学管理，并将其应用到太阳能家庭用电系统中。

论文的主要工作有：

（1）对锂蓄蓄电池的充、放电过程、影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素作了分析，确定了太阳能充电控制器的总体设计方案。

（2）完成了控制器的硬件设计、电路板的绘制，电路的焊接。

实现控制器通过对单片机STC12C5408AD的PWM输出来控制开关MOS管的通断，从而控制充电放电。

（3）在硬件设计的基础上，对太阳能充电控制器进行了软件编程，实现对蓄电池的保护以及过载检测等。

（4）将充放电控制器应用于太阳能充电器系统，设计整个系统的总体方案。

本论文在软硬件设计上仍有很多需要完善之处：

（5）在PCB板的元件布置和布线上要更加合理，以便减少干扰的引入。

（6）本论文所采用的软件编程思想，还需要进一步在实际的运行中验证其稳定性及可靠性。

（7）延长蓄电池寿命目前还没有一个最好的方式，如何进一步保护蓄电池，采用更优的控制方法需要更进一步的研究。

经过一周的努力.太阳能充电器几乎完成了，虽然还存在一些瑕疵，但是我相信以后不断地努力会有进步的。

在这次的学习过程中与遇到了前所未有的困难，最后在老师和同学的帮助下还是解决了。

在这里我非常感谢帮助我的老师和同学。

参考文献

[1]BimalK.Bose.Energy,Environment,andAdvancesinPower[J].IEEE.Trans.PowerElectron,2000（15）:

688-701.

[2]徐进，王德仁.停电突显能源危机困境中寻找新能源[M].第1版.2004.45-78.

[3]裴郁.我国可再生能源发展战略研究[D].辽