基于单片机的太阳能充电器的设计

山东交通学院课程设计山东交通学院课程设计报告课题名称基于单片机的太阳能充电器的设计学生姓名傅传银唐飞翔学号140818108140818110专业电子信息工程（信职141）指导教师张波2016年06月26日山东交通学院课程设计21绪论1.1本课题研究背景及现状当代社会随着一些不可再生资源如煤炭，石油等日益减少，使得各国社会经济越来越受能源问题的约制，因此许多国家开始逐渐的实行“阳光计划”，开发洁净的能源如太阳能，用以成为本国经济发展的新动力。首先让我们想到的是太阳能电池，因为它不会消耗水，燃料等物质，并且不会释放任何对环境有污染的气体，是直接通过太阳光与材料的相互作用释放出电能，这种无污染资源对环境的保护有着相当重要的意义[1]。由于无公害的作用，目前世界太阳能电池产业已经出具规模，1995年到2004年的十年内平均年增长率达到30%以上。随着新型太阳能电池的涌现，以及传统硅电池的不断革新，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，预示着太阳能电池技术的发展趋势[2]。世界各国对光伏发电也越来越重视，目前全世界已超过一百个国家使用光伏发电系统，其中以欧洲为代表的发达国家为主，占总市场的80.1%,早在09年的时候，世界各国总的光伏新加装机容量接近800万千瓦，截至当年低，世界光伏装机容量总共接近2700万千瓦[3]。随着并网光伏发电市场的迅速发展，让它受到了世界各地的关注。目前，太阳能电池的应用已经逐渐广泛得到推广，众所周知，沙漠地区由于气温特别高，因此最具有大规模开发太阳能的潜力，这使得沙漠等偏远地区对其的使用更加方便，并且能减低甚至节省昂贵的输电线路，从长远发展状况来看，随着改善太阳能电池制造技术和新的光-电转换装置发明，国家环保和清洁能源，光伏发电系统和太阳能发电的巨大需求恢复将继续利用太阳辐射能比较实用方法，这可以为人类以后能使用太阳能提供了广阔的开辟前景[4]。当代社会太阳能手机充电器得到了一定的使用，它具有运用方便，环保，节能，格外使用于应急场合，高效率充电，性价比较高，让大家无论身处何处，都不会受到手机没电的困扰[5]。借此太阳能手机充电器的众多优点，因此提出本课题。1.2课题设计思想基于单片机的太阳能充电器的设计是本次探导的课题。首先，由于太阳能电池板的电压会随太阳光的强度波动，强烈的太阳光的太阳能电池板的电压是高的数，当太阳光弱的强度，所述太阳能电池板的输出电压低时，从太阳能电池板的输出到稳定的山东交通学院课程设计3电压[6]。本设计采用了稳压器LM7805，LM7805输出端口可以输出稳定的5V电压，因为电力可以用于单芯片和其它芯片，其次，作为下一个电源电压转换电路。第二，考虑到电池的充电过程的电压要求各不相同，不能简单稳定的直流输出，因此提出了利用DC/DC转换器电路的，通过控制关断时间的占空比，以调节输出电压。SCM是控制中心，在控制信号产生电路是由充电过程的一个外部状态产生的，外部充电电压的比较信号和充电电流与理想充电过程中，占空比调节。单个微控制器设计用于该目的，所述电压检测电路和一个电流检测电路，并且为了方便用户知道系统的状态，设计设置在显示模块和指标。2基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计2.1设计方案一方案一方框图如图2.1所示图2.1方案一方框图该程序使用的DC/DC转换电路，将太阳能电池板输出的电压变换为需要的电压值给手机电池充电，同时单片机可以控制电路变换，还可采用按键设定某些值，有显示部分，可以设定为显示电路状态。可以从该图中的框图中可以看出，该程序能够控制DC/DC变换器电路，显示模块，但该程序是没有实时检测的外部电路，而不是用DC/DC实时控制根据外部电路的条件转换电路。2.2设计方案二借于方案一存在的缺点，所以在此提出第二种方案，方案二方框图如下图2.2。DC/DC转换单片机按键显示手机电池太阳能电池板山东交通学院课程设计4图2.2方案二方框图如从图2可以看出，以弥补设计用于检测电路的状态的方案的缺点，并通过模拟转换到数字的转换模块的信号到微控制器。PWM控制芯片微控制器可以产生施加PWM波转换电路的控制主要模块和显示模块，但此次方案是将生成PWM部分用芯片替换，这使得电路复杂硬件部分的设计，它是更好地使用软件允许硬件电路简单，而且还能充分利用单片机的功能。2.3基于单片机的太阳能充电器的设计的总体设计方案综合以上两种方案提出本次设计的整体设计框图如下图2.3所示。图2.3整体设计框图相对于前两种方案，此整体方案显示的优点，不仅能对充电电路进行检测，单片机还可以根据充电电路的关键电路的信号处理后的分析来检测的情况进行控制可以DC/DC转换单片机按键手机电池太阳能电池板模数转换显示DC/DC转换单片机按键手机电池太阳能电池板PWM芯片模数转换显示山东交通学院课程设计5选择系统可以实现功能。显示电路可以显示用于实现本方案的电路中，PWM控制信号的工作状态，从而使硬件电路非常简单，节省资源，提高系统的性能。3基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计3.1太阳能电池板的选用太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”，但因制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。硅太阳能电池分为晶体硅电池板,非晶硅电池板等几种。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高通常可以达到24%，它是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，以致于它还不能被普遍地使用,因为单晶硅通常会用钢化玻璃和防水树脂包装起来，所以会十分耐用，通常能用十几年，最长可以用25年。多晶硅太阳电池的制作过程与单晶的差不多，可相对而言起光电转换效率要比单晶降低很多，其效率大概在12%左右(其中世界上最高的多晶硅转换效率为14.8%)[7]。但如果我们从制作费用上来讲，多晶硅的由于制造简单，节能节电，因此其生产费用就会降低不少，从而得到了一定的发展。另外，其使用年限没有单晶硅太阳能电池那么长。如果从性价比来说，自然是单晶硅太阳能电池还略好。接下来我们说下非晶硅太阳电池，它是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，其制造过程得到了很多简化，对硅材料的使用很少，电耗也更低，它突出的优点是在很多情况下都能发电包括弱光时候。但它也有一定的问题，就是光电转换效率相对而言偏低，就算国际上的先进水平也只大约在10%，不够稳定，时间越久，其转换效率会衰减。根据所需要的不同数目的太阳能电池，其转换效率是通过光，温度和结晶型太阳能电池的制造工艺和其他因素的影响，2010年中国平均效率接近为18%，一般的太阳能电池电压有很多种，其主要用于太阳能发电。太阳能电池板的太阳能发电系统是其工作的基础，是充电器的第一部分，其功能是将太阳光转为电能，如今更多种类型的便携式数字设备，电压和电流范围所需的输入功率较大的器件，面积较大，必须使用太阳能电池板，这给了携带不便。因此，模块化设计的组合，可根据不同的负载充电需求，太阳能电池板组合起来以实现一组光伏电池在某个期望的输出功率和输出电压。本文通过一些常用的小功率设备例如手机，来讲解太阳能充电器设计的过程。山东交通学院课程设计63.2LM7805稳压电路由于太阳能电池板的电压会随太阳光的强度波动，强烈的太阳光会使太阳能电池板的电压变高，当太阳光强度变弱时，自然会使电池板输出电压变低。为了获得到稳定的输出，本设计应用稳压管LM7805，其输出口能输出稳定的所需要电压（5V），以便能保持稳定的输出电压。典型LM7805的应用电路图如图3.1所示。0.1uFC70.1uFC4INOUTGNDLM7805LM7805470uFC5470uFC6D2DiodeVinVout图3.1LM7805稳压电路图图中C4、C7的是用于清除因长期连接时由于电感效应产生的自激振荡，降低了纹波电压，在其输出端接上电容C6、C5的作用是清除电路高频产生的噪声，以便提高所用负载的瞬态响应。一般来说电容的耐压性都会比电源输入、输出电压要强。此外，在稳压器输入、输出端之间加上二极管，可以避免对稳压器的破坏，从而实现对LM7805的保护。LM7805输入电压在7V至37V之间，其最大工作电流可达1.5A，且拥有电路精简，电流输出高，运行工作稳定，即使电压不稳定，也能使太阳能电池拥有不变的输出电压（5V），最后能让单片机控制的电路正常稳定的运行，并且性价比高，不需要消耗多余的材料。山东交通学院课程设计73.3充电主电路的设计充电主电路图如图3.2所示。30KR30.1R63kR4D11mHL1Q212P2手机电池直流输入Q12N3906PWM图3.2电池充电电路图DC/DC变换是将直流电能（DC）转换成另一种固定电压或电压可调的直流电能，又可称成直流斩波[8]。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式(Buck)直流斩波器即频率调制（1）Buck电路，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式(Boost)直流斩波器。主电路核心由图可以看出，主要由三部分组成即电感L1,三极管区和续流二极管D1，其也就形成了一个完整的BUCK降压DC/DC转换电路；上图Q2是具有将PWM信号打开变大，从而到达驱动Q1开关管的功能。3.4信号采集处理电路为了使锂电池能完成安全充电，本设计的电流取样处理电路图如下图3.3所示山东交通学院课程设计810KR710KR8200KR9LM358+3-28410.01uFC8电池负极IbatVCC图3.3电流取样处理电路图电池电压与单片机A/D接口相连，通过A/D转换和微控制器即单片机，以获得测量的电压值得到计算处理。此次充电电流通过0.1Ω的取样电阻，产生的电压再使用LM358，将电流取样电压放大相应的倍数后输到单片机A/D接口进行采集。电压检测输出电压直接进行模数转换之后被发送到A/D输入接口的单片机进行处理。3.5单片机选型单片机型号众多，但大家熟悉了解的就那么几种类型。我们在学校接触到的也就是C51系列，C51是51单片机C语言程序设计的简称，由于接触到的单片机以型号为AT开头的为多，所以选用了型号是AT89C51为此次设计的单片机。3.6单片机AT89C51介绍AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[9]。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。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，AT89C2051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。AT89C51单片机引脚图如下图3.4所示。山东交通学院课程设计9图3.4单片机引脚图以下为其引脚功能及作用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