太阳能充电器设计.docx

1、太阳能充电器设计 TONGLING COLLEGE毕 业 设 计设计题目 太阳能充电器设计 专业班级 06电子信息工程 姓名/学号 汪先宝 * 指导教师 王丽萍 完成时间 2010/5/17 附表1 铜陵学院学生毕业论文（设计）选题审批表系 别： 电气工程 专业： 电子信息工程 学生姓名汪先宝学号0609121057 指导教师王丽萍职称 副教授选题名称： 太阳能充电器设计题目领域类型：1.科学 技术 2.生产 实践 3.社会 经济 4.其它 选题理由：使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。我们地球所接受到的太阳能

2、，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致温室效应和全球性气候变化，也不会造成环境污染。指导教师意见： 签名： 年 月 日系领导小组意见： 签名： 年 月 日注：本表由学生和老师共同完成填写附表2 毕业论文（设计）任务书指导教师姓名： 王丽萍 职称： 副教授 学生所在系：电气系 专业：电子信息工程 班级：06电信

3、本 学生姓名：汪先宝 _同学：你好！ 你所预选的毕业论文（设计）题目_经审定已通过，你可以进入研究（设计）阶段，请你按照以下进程要求完成毕业论文（设计）的研究设计任务。一、在指导教师的指导下，进一步明确所选研究课题的目的和意义；二、根据选题进行广泛调研，并检索主要参考文献；三、拟定研究方案（包括研究内容、研究方法、预期目标、研究进度等）；四、编写论文(设计)提纲；五、将包含上述内容的开题报告于_年_月_日前送交指导老师，并于_年_月_日前完成开题；六、请你于_年_月_日前完成毕业论文（设计）的初稿； 七、请你在_年_月_日至_月_日之间反复修改初稿（要求不少于三次）；八、请你于_年_月_日前把

4、符合铜陵学院毕业论文（设计）撰写格式要求的纸质定稿和相关的附件等材料，按要求装订后一式三份，连同对应的电子文档送交你的指导老师； 九、你的毕业论文（设计）如果通过了答辩资格审查，请你在2009年6月14日前参加本系统一组织的毕业论文（设计）答辩，并请做好抽答辩准备（具体答辩、抽答辩时间另行通知）； 十、如果你的联系方式发生变动应及时通知你的指导老师。指导教师电话：_ E-mail：_学 生 电 话：_ E-mail：_指导教师签名：_ 学 生 签 名：_ 下达任务日期：_年_月_日 接受任务日期_年_月_日 注：本任务书一式两份，一份交给学生，一份指导教师留存。附表3 铜陵学院毕业论文（设计）

5、开题报告课题名称太阳能充电器设计课题来源 导师课题 系部拟定 学生自拟导 师王丽萍学生姓名汪先宝学 号0609121057专 业电子信息工程一、研究的目的和意义使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。二、研究的主要内容本设计开发出一种具有实用价值的太阳能充电系统，可以对电池进行充电，给人们带来了极大的方便，有一定的社会价值和经济价值。太阳能充电技术是目前各国竞相研究的应用技术

6、,同时也是与前沿理论结合得最紧密的应用技术。太阳能充电技术涉及物理学、材料科学、控制理论、电子科学等诸多学科。太阳能充电技术的主要研究内容,就是如何在给定光- 电转换材料和电池的条件下,完成高效充电。太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。三、研究的基本思路和基本方法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。通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制，从而提高太阳能电池输

7、出功率及手机电池的使用效率，达到延长电池使用寿命的目的。四、各阶段内容及进度安排2009.12.01-12.20 文献检索、资料搜集、撰写开题报告2010.01.01-04.20 撰写初稿2010.04.21-04.30 检查进度、查找问题、解决问题2010.04.22-05.31 修改初稿五、参考文献（10篇以上：其中有2篇以上外文文献，外语专业4篇以上外文文献）1童诗白.华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001.2张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2006.3缪家鼎，徐文娟，牟同升.光电技术M.杭州：浙江大学出版社,1994.4董文博，吴知非.数字化智能充

8、电器的设计J.电子技术应用，2006，（2）.5刘超.基于单片机的智能手机电池充电系统J.长春理工大学学报（高教版），2007,（1）.6李鹏，基于单片机的太阳能充电装置设计J.高校理科研究，2006，（2）.六、完成论文（设计）所具备的条件七、指导教师意见 是否同意开题： 指导教师签名： 日期：太阳能充电器的设计 摘 要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。通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制，从而提高太阳能电池输出功率及手机电池

9、的使用效率，达到延长电池使用寿命的目的。关键词：太阳能；单片机；最大功率点；PWMDesign of Solar chargerAbstractSolar charger designed to solar energy to power the core of the hardware circuit, control circuit to microcontroller core, the entire system from the power conversion circuit, sampling circuit, processor, pulse width modulation

10、controller and battery pack composition.System of data acquisition and processing were achieved with single chip.By pulse-width modulation of the cell phone battery for intelligent control, thereby enhancing the solar cell output power and efficiency of mobile phone batteries, to extend the battery

11、life of purpose.Keywords：Solar energy；Monolithic integrated circuit；maximum power；Pulse-duration modulation引 言长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料

12、不同，不会导致温室效应和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。在太阳能的有效利用当中, 太阳光能利用是近些年来发展最快,最具活力的领域。本设计开发出一种具有实用价值的太阳能充电系统，可以对电池进行充电，给人们带来了极大的方便，有一定的社会价值和经济价值。太阳能充电技术是目前各国竞相研究的应用技术,同时也是与前沿理论结合得最紧密的应用技术。太阳能充电技术涉及物理学、材料科学、控制理论、电子科学等诸多学科。太阳能充电技术的主要研究内容,就是如何在给定光- 电转换材料和电池的条件下,完

13、成高效充电。第一章 绪论1.1 设计目的使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。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

14、路，通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制。1.2.1 太阳能电池板分析太阳能电池板分为单晶硅，多晶硅，非晶硅和多元化合物电池板。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12左右(2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能

15、电池)。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。非晶硅太阳能电池是1976年出现的新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳能电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。现在各国研究的

16、品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池太阳能电池板是太阳能供电系统中心的核心部分，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。其功能是将太阳能的辐射能量转化为电能，能量转化率是一个重要的参数。电池板收光照强度影响，电压、功率呈显著变化；一种光照强度，阳能电池板也有一个输出功率点，应电压也不尽相同。为保证较高的转换效率，使电池板尽量工作在其最大功率点附近，也就需要根据实际情况，选择合适的工作电压。太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相

17、关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时，通过降低充电电流并在 MPP 附近调节系统总线电压，从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。系统电源和电池充电电源控制架构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的关键组成部分。1.2.2 太阳能充电系统效率分析根据物理学可知，发电能力与负载无关，而发电设备的输出能力则是由负载所决定的，就是说，电能输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率，而这些电能量能否完全被利用

18、,则取决于负载设备。1) 电能系统分析描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示: （1）其中Eg是负载情况下的输出电能，f(e)是在输入能量条件下所能转换的能量。式(1) 指出，任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。对于一个发电设备来说，其最大输出能量fmax(e)是一个固定的数值，而f(e)则是由负载决定的能量。在工程实际中，fmax ( e) f ( e) 叫做欠负荷，fmax ( e) = f ( e) 叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的Eg fmax ( e) ，这种情况下仍然有式(1) 成立，但此时并不能完全满足负载所需要的电能，因此，在这时负载系统所得到的电

19、能小于实际需要，而发电设备输出的电能等于fmax ( e) 。2) 太阳能充电系统效率分析在太阳能充电系统中，为了尽量提供充电能力和效率，必须把充电系统划分为两个部分，一个是充电电路，一个是控制电路，这两个电路都会消耗电能。对于充电电路，这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗，对于控制电路，这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知，太阳能充电系统中，为了尽量提高充电效率，应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。设充电电路的功率损耗为pcp ,控制电路的功率损耗为pctr ,电池吸收的功率为pb 则根据能量守恒,得到 (2)其中是充电系统的输入功率。由此 (3)根据式(3)

20、可得到充电系统的效率为 (4)把式(1)带入式(4) 如果考虑满负荷工作 (5)式(5)指出，充电效率与以下因素有关：(1) 充电电路和控制电路损耗；(2) 太阳电池的输出功率。3) 最大效率设计原则由以上分析可知，为了保证充电效率太阳能充电系统必须满足：(1) 充电电池必须保证功率吸收能力；(2) 尽量减少充电电路和控制电路的损耗；(3) 选择合理的太阳能电池转换输出能量。1.3 系统总体结构设计充电器如图1 所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，形成了一个闭环系统。其中，单片机是电路的控制部分，PWM电路是整个电路的核心部分。图 1 充电器电路模块第二章

21、硬件电路设计2.1 太阳能电池板部分太阳能电池包括一个 p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于 p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图 1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。太阳能电池包括一个 p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于 p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图 2 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。 图 2 太阳能电池的简化电路模型电流源 IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管 D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电压 (VOC)。

22、VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说，VOC 值都在 0.5V0.6V 之间，这也是 p-n 接点二极管的正常正向电压范围。 并行电阻 (RP) 表示实际电池发生的较小漏电流，而 Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。 图 3 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

23、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 3 典型的太阳能电池 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

24、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 4）。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 4 太阳能电池输出特性我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的 MPP，不过这些方法通常会比较复杂，特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。不过，在许

25、多低成本系统中，我们并不必强求 MPP 跟踪系统的精确性。简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的 90% 左右就可以了。充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近 MPP 呢？ 动态电源路径管理 (DPPM) 技术能满足跟踪 MPP 的设计挑战。图 5显示了锂离子电池充电应用的电路，可实现太阳能电池板电力的最大化，且我们能用 MOSFET Q2 来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。太阳能电池板用作电源，对单节锂离子电池进行充电。太阳能电池板包括一系列硅单元串，每串包括 11 个硅单元，就好像电流有限的电压源，电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。 DPPM 能够监控系统总线电压 (VO

26、UT) 随电流限制电源的下降。系统总线连接的电容 (Co) 开始放电，一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流，就会使系统总线电压下降。一旦系统总线电压降到预设的DPPM 阈值，电池充电控制系统将在 DPPM 阈值位置调节系统总线电压。我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的，从而获得太阳能电池板的最大电力。DPPM 控制电路设法达到稳定状态条件，使系统获得所需的电力，并用剩余电力给电池充电，这样，我们就能最大化太阳能电池板的电力，并提高系统的可靠性。 图 5用太阳能电池板给一节锂离子电池充电图中太阳能电池板提供的最大输出电压 (VOC) 通常在 5.5V6.0V 之间。由于该电

27、压低于预定义的 6V 输出调节电压，因此 MOSFET Q1 完全打开。如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根据光照量决定的输出电流，那么太阳能电池板的输出电压将降低，从而减小输出电压 (VOUT)。当 VOUT 降至 VDPPM 时（也是太阳能电池板的输出电压），充电电流降低。如 VDPPM 设置靠近 MPP 的话，那么太阳能电池板这时将工作在靠近 MPP 的位置。我们通过对 RDPPM 进行适当编程，使其达到一定的值，确保 VOUT 保持最小为 4.5V，从而实现上述目的。我们之所以使用 VDPPM 的值，是因为它合理地对应于太阳能电池板的 MPP。 假定 MOSFET Q1 上

28、的压降为 300mV，那么每个单元上的压降将等于 436mV，这将最大化太阳能电池板的功率输出。如果 VOUT 大于 4.5V，那么 DPPM 不起作用，太阳能电池板将远离其 MPP。不过，只有系统和电池充电器所需的电力小于太阳能电池板的供电量时，才会发生上述情况。这时，效率降低并不会很重要。图 3 显示出，输出功率接近 MPP 时，其曲线比较平坦，随后会急剧下降，因此我们最好将 VDPPM 设得略高一些，而不要设得略低，这将尽可能降低因工作电压设置不当而对输出功率产生不良影响。假如即便电池充电电流降至零时，太阳能电池板可用的电力也不足以给系统供电的话，那么 MOSFET Q 2将完全打开，V

29、OUT 刚好降至电池电压 VBAT 值以下，且电池可提供太阳能电池板所不能提供的电流。 如充电器工作于 DPPM 中时，内部安全定时器会自动扩展。这样，在低光照或无光照等特殊工作条件下，电池充电会非常慢，抑或电池会处于放电模式。我们几乎不可能就所有应用设置适当的充电安全定时器，否则就可能导致安全定时器出错，因此我们可通过禁用安全定时器来解决相关问题。 2.2 单片机部分单片机采用51 系列单片机89C51（如图6）。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。单片机的任务是通

30、过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，并采用一定的算法寻找最大功率点。图6 单片机系统2.3 电路采样部分如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D 的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片MAX472（如图7）， 克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。图7 电流电压转换部分电压和电流采样采用串行模/数转换器DAC0832（如图8），8位分辨率易于和微处理器接口或独立使用满比例尺工作或用5V 基准电压用地址逻辑多路器选通的4 或8 输入通道单5V 供电，输入范围0-5V。图8 D/A 转换部分2.4 PWM控制电路控制器采用脉宽调制（PWM）方式控制供电电流的大小。PWM 控制部分是由单片机输出的PWM 波通过控制电路实现的，主控制器和它采用中断的方式进行通讯，控制其增大或减小脉宽。PWM 信号通过光电隔