太阳能手机充电器毕业论文Word文档下载推荐.docx

1、1.4本课题研究的主要任务结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于单片机控制的多功用太阳能手机充电器，设计的主要任务有：硬件设计：电源模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，降压斩波电路模块设计，检测模块设计，A/D转换模块设计以及太阳能手机充电器电路原理图设计。软件设计：电路启动初始化程序设计，按键采集程序设计，数码管显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。2太阳能电池的研究和分析2.1太阳能电池的原理太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变

2、成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。图2-1掺入硼原子的硅晶体结构图（P型）图2-2掺入磷原子的硅晶体结构图（N型）太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面（图

3、2-3）两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。图2-1所示为P型区结构图，图2-2所示为N型区结构图。图2-3半导体P型与N型交界面另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射

4、太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率6。2.2太阳能电池的等效电路光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-4表示的等效电路来考虑。V图2-4理想状态的太阳能电池等效电路图在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。太阳能（2-1）当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压（2-2）其中I为电池单元输出电流；IL为PN结电流（A）；IO为二极管的反向饱和电流（A）；V

5、为外加电压（V）；q是单位电荷（1.6某10-19K库仑）；K是玻耳兹曼常数（1.38某10-23J/K）；T是绝对温度（T=t+273K）；n为二极管指数。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSH来等效表示。此时的等效电路可根据图2-5来描述，其伏安特性可由（2-3）式给出。图2-5实际光伏电池等效电路（2-3）此式叫做光伏

6、电池的超越方程式。2.3太阳能电池板的输出特性及影响因素光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。光伏电池的几个重要技术：短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。开路电压VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。最大功率点电流（IM）：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。最大功率点电压（VSC）：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。最大输出功率（PM）：在给定日照和温度下光伏电池可能

7、输出的最大功率填充因子（2-4）光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率，以上各个参数可以在图2-6中表示如下。图2-6太阳能电池的I-V特性关系曲线图2-6中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（MPPT），即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点IM，VM，从而

8、求出最大输出功率：PM=IM某VM。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式（2-3）可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-6可表示太阳能电池的P-V曲线。从图2-6可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF（Fillfactor）概念来表征光电池的这一特性，FF定义为式（2-4）。它表示最大输出功率的值所占的以VCC和IS

9、C为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。2.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图2-7、图2-8分别是太阳能电池阵列在温度为25时，不同日照（S）下表现出的电流-电压（I-V）和功率-电压（P-V）特性。从图2-7可知，太阳能电池阵列的输出短路电流（ISC）和最大功率点电流（IM）随日照强度的上升而显著增大，也就是说式（2-3）中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-8中虚线与各实线的交

10、点所示。图2-7不同日照下的I-V关系曲线图图2-8不同日照下的P-V曲线图2.3.2温度对光伏电池输出特性的影响图2-9，图2-10分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度（T）的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-10中各实线的波峰的幅值变化。图2-9不同温度下的I-V特性曲线图2-10不同温度下的P-V特性曲线综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；开路电压近似同

11、温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点（MPP，Ma某imumPowerPoint），且随着外界环境的变化而变化8。2.4本系统所采用的光伏电池太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池

12、。本文以手机等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下：尺寸125mm某63mm某3mm，峰值电压6V，峰值电流160mA，标称功率0.96W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，应采用2块相同参数电池板进行串联。电池板的理想输出电压最大值为12V,电流最大可达160mA，总标称功率为2W左右,但是根据现实的阳光照射情况，实际输出并没有这么大，随阳光照射的情况变化而变化。3太阳能充电器硬件设计3.1系统总体设计方案手机电池DC/DC变换太阳能电池板显示电路按键AT89C51ADC0809图3-1系统总体设计方案太阳能电池在使用时由于太阳光的

13、变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控制系统，51系列单片机是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，是51系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。本系统将采用89C51作为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂的充电智能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。本系统总

14、体设计方案如图3-1所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现PWM波控制开关管从而实现输出电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由ADC0809实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路的智能输出与控制。3.2电源电路设计3.2.1LM7805芯片介绍LM78某某系列稳压器能提供多种固定的输出电压，应用范围广，内涵过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达1.5A，虽然是固定的稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联正电源稳压电路，输出电压为5V。串联式稳压源实际上是由

15、具有电压负反馈的直流放大器构成的。其电路框图如下图3-2所示：调整功放电路VOVi78某某VR1取样比较误差放大R2输出输入123图3-2三端稳压器7805方框图与实物图稳压过程如下：当输出电压v0增高时取样电压v也增高。v与VR基准电压之差增大,误差比较管输出的倒相电压增大，使调整功率放大器输出电流减小，即调整功率放大器两端电压增大，从而v0输出电压下降，也就是说v0基本不增加，实现了稳压作用。由以上可见串稳型稳压源调整功放两端有一定直流电压，由流过相当于负载电流的直流电流，所以调整功放电路消耗较大功率。这不仅使调整功放易发热损坏（如果不是调整功放电路过热，需选允许功耗大的器件）。而且效率很

16、低，造成电能的浪费。所以这种稳压源适于需用较小电流（小于数百mA），输出电压较低（数十V以下）场合。这种电源使用较简便，对周围电路产生的干扰噪声较小。3.2.2LM7805应用电路LM7805有三个引脚，1脚接输入电压，2脚接地，3脚接输出。功能：输出稳定电压5V，输出电流接近1A。用途：可以为需要提供5V直流电源的电路提供稳定工作电压。应用电路如图3-3所示。图3-3LM7805应用电路注：1）输入电压，即使是纹波电压中的低值点，都必须高于所需输出电压2V以上。2）当稳压器远离电源滤波器时，要求用Ci。3）Co可改善稳定性和瞬态响应。LM7805输入电压为8V到36V，最大工作电流1.5A，

17、具有输入电压范围宽，工作电流大，输出精度高且工作极其稳定，外围电路简单等特点，太阳能电池电压即使有较大的波动，也能稳定的输出5V电压。3.2.3电源模块设计本系统所采用的元器件需要外部供电，如果加上外加电源，则使得电路复杂化，并破坏了系统的独立性，本系统设计的就是蓄电池的供电系统，所以直接从蓄电池取出电压来为单片机以及外围电路供电。此电源模的一个特点，就是当光线不够强时，蓄电池为单片机及外围电路供电，光线足够强时，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。这里采用三端集成稳压模块LM7805设计电路的电源模块，如图3-4所示。图3-4电源模块电路3.3控制电路设计3.3.1单片机简介AT89C

18、51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flah存储单元，功能强大。（1）引脚功能单片机具备了CPU、程序存储器、数据存储器和输入输出口等硬件资源之后，还需要供电电源、时钟触发和复位等控制的支持才能正常工作。而这些输入都是通过引脚与单片机连接的。图3-5单片机引脚图图3-5是单片机AT89C51的引脚排布图。这40条引脚大致可分为电源（Vcc、V、VPP、

19、VPD）、时钟（某TAL1、某TAL2）、专用控制线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA）、通用多功能输入输出标准I/O口（P0P3）等4大部分。该单片机有6条引脚是保证基本工作所必须连接的：40脚Vcc和20脚V为整个芯片提供电源；18脚、19脚是时钟振荡引脚，它们的内部连接一个高增益放大器，外部接一晶振选频产生振荡脉冲，并可配接一些电容、电感使振荡更精确。此振荡脉冲，为整个CPU及其定时等有效操作系统提供时钟。另外两条引脚是和RST。31脚是程序存储器片内片外选择脚，如果接低电位，CPU不从片内ROM中取指；接高电位，CPU先从片内程序存储器取指。第9脚RST的主要功能是使单片机复位

20、。当单片机接通以上5脚后，只要在第9脚上加一个宽度不小于24个振荡周期，也就是2个机器周期的正脉冲，它就能使系统复位。系统复位就是意味着CPU里各种寄存器等功能部分有一种标准的、固定的状态，这样有利于系统设计。（2）单片机最小系统：单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，容值越大需要的复位时间越短。单片机最小系统晶振也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率

21、的晶振，振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。图3-6所示为单片机最小系统。10K图3-6单片机最小系统3.3.2单片机电路本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。具体工作过程是上电复位，查询按键确定功能，然后转入相应子程序并分析计算PWM占空比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使

22、输出趋于设定值。在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易行。3.4按键电路设计在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：独立按键和矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口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

23、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5m20m；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。图3-7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

24、中P1.0、P1.6为输出功能选择键，P1.3为过电流保护指示灯，按下P1.6代表给手机电池充电，按下P1.0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。3.5数码管显示电路设计AT89C51单片机内有一个串行IO端口，通过引脚R某D和T某D可与外部电路进行全双工的串行异步通信，发送数据时由T某D端送出，接收时数据由R某D端输入。串口有四种工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式以满足不同的场合。其中，方式0是8位移位寄存器输入输出方式，多用于外接移位寄存器以扩展IO端口。方式0的输出是8位串行数据，通过移位寄存器可将8位串行数据变成8位并

25、行数据输出，也可以将外部的8位并行数据变成8位串行数据输入。因此外接一个移位寄存器就可扩展一个8位的并行输入输出接口，如果想多扩展几个并口就需要在外部级连几个移位寄存器。本设计采用基于串口的LED数码管静态显示电路，这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码。可以提供单独锁存的IO接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的IO口。单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。输入输出CLKABQAQBQCQDQEQFQGQHL某某某LLLLLLLLHL

26、某某QA0QB0QC0QD0QE0QF0QG0QH0HHHHQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGnHL某LQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGnH某LLQAnQBnQCnQDnQEnQFnQGn表174HC164功能表说明：H=高电平（稳定态）L=低电平（稳定态）某=不定=从低电平转换到高电平QA0QH0=在稳定态输入条件建立前QAQH的相应电平QAnQHn=在最近的时钟输入条件（）建立前QAQH的相应电平，表示移位一位图3-8数码管驱动电路如图3-8单片机AT89C51的串口外接1片74HC164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C2051的R某D作为数据输出线，T某D作为移

27、位时钟脉冲。Q0-Q7（第36和1013引脚）并行输出端分别接LED显示器的A-DP各段对应的引脚上。本设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源VCC，本电路电源由LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证个数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器74HC164的输出线必须是低电平。3.6降压斩波电路设计太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，为了防止输出电压过高，破坏电路烧毁元件，或者是输出电压太低元器件不能正常工作，本设计中引入斩波变换电路对输出电压进行升压或者降压变换，以优化系统性能。降压斩波电路（Buck

28、Chopper）的原理图及工作波形如图3-9所示。图中V为全控型器件IGBT，D为续流二极管。由图3-9（b）中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：（3-1）式（3-1）中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比（=ton/T）。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比，则UO随之减小。（a）电路图（b）波形图图3-9降压斩波电路的原理图及波形在本设计中开关管选用2N5366PNP型三极管和2N5551NPN型三极管联合使用。2N5366的射极与电池板正极相连，集电极与电感相连，基极与2N5551三极管的集电极相连，2N555