便携式太阳能充电器的设计.docx

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便携式太阳能充电器的设计

便携式太阳能充电器的设计

摘要

随着人们对化石能源的开采，能够利用的资源越来越少，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，寻找新的洁净、高效的能源，成为了人们迫在眉睫的问题。

从上个世纪人们就开始研究太阳能，到了今天太阳能的利用有了前所未有的进步。

人们出门在外，最大的问题就是手机等电子产品电耗完了，但是却没有可以快随直接的供电产品，这该如何解决呢？

本文在这一问题的基础上提出了基于单片机的便携式太阳能充电器的设计，利用单片机的智能性实现了对电路的控制，利用光伏发电的原理将太阳能所发的电转换为电子产品所能利用的电能，从而解决了人们的一大难题。

而且它不仅可以为手机等充电，还能作为一般的电源来使用，与传统的充电器相比有很大的优势。

关键词：

太阳能；光伏发电；电池；单片机；智能；DC/DC变换

TheDesignOfThePortableSolarCharger

ABSTRACT

Aspeopleonfossilenergymining,lessresourcesleaveforustouse,binedwithfossilenergypollutionmoreandmoreserious,lookingforanewcleanandefficientenergy,becametheloomingproblems.Fromthelastcentury,peoplestartedtoresearchonsolarenergy,totheuseofsolarenergytoday,ithaveanunprecedentedprogress.

Peoplegooutintheoutside,thebiggestproblemisthatmobilephonesandotherelectronicproducts,powerconsumption,butnottofastwiththedirectpowersupplyproducts,howtosolvethis?

ThisarticleisbasedonMCUwhichisproposedonthebasisofthedesignoftheportablesolarcharger,usingsingle-chipmicroputerintelligentrealizedthecontrolofthecircuit,bytheuseoftheprincipleofphotovoltaicsolarelectricityisconvertedtoelectronicproductscanuseelectricity,thussolvedabigproblemtopeopleanditcannotonlyforchargingthemobilephone,alsocanbeusedasageneralpower,toparedwiththetraditionalcharger,ithasagreatadvantage.

Keywords:

Solarenergy;Photovoltaic（pv）powergeneration;Thebattery;Singlechipmicroputer;Smart;DC/DCconversion

便携式太阳能充电器的设计

1.绪论

1.1本课题研究的背景

随着人们对化石能源的开采，能够利用的资源越来越少，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，寻找新的洁净的高效的能源，成为了人们迫在眉睫的问题。

然而对于地球来说，接收到的太阳能远远大于我们所利用的能量，这就造成了能源和资源的浪费。

而且，太阳能属于洁净能源，不会产生像化石燃料燃烧所产生的温室气体，更不会对环境造成污染。

因此这就成为了各国竞相研究的课题，而且为了提高国际竞争力，对太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。

人们出门在外，最大的问题就是手机等电子产品电耗完了，但是却没有可以快速直接的供电产品，这该如何解决呢？

本文在这一问题的基础上提出了基于单片机的便携式太阳能充电器的设计，通过太阳能的光伏发电原理对太阳能电池进行充电，经过一系列复杂的控制和电压电流的变换，产生出能够为手机电池直接充电的电压等级。

目前，随着各国的竞相开发与研究，对于太阳能的研究已经达到了一定的高度，但是还存在一些不足，例如现在太阳能产品还比较昂贵，还不能普及。

相信在未来几十年里这个问题会得以解决，使太阳能资源真正的成为人们所离不开的。

1.2太阳能充电器的优点

太阳能相对于其他的能源，是可再生的，取之不尽用之不竭，这就为太阳能充电器提供了源源不断的能量来源，其他能源的话，一个是资源稀缺有限，第二个要花很多钱，而且一年的维护费用比太阳能产品要高出90%左右，所以在节能、经济、安全方面，太阳能充电器都有它的好处。

太阳能充电器与普通的充电器相比有以下几大优点：

1.太阳能充电器特别适应于应急场合。

出门在外最怕的就是电子设备没有电，而且没有高速快捷的充电设备，而太阳能充电器就克服了这一难题，只要有的地方就能够充电，为人们的生活提供了很大的方便。

2.相对于普通充电器来说，它的充电效率高，而且对环境无污染，是一种高效、节能、环保的电子产品，对当前的环境污染严重、能源利用效率低等现状有很大的改善。

3.它的造型简单、携带方便，极大的改善了人们快节奏的生活状态。

1.3本课题研究的主要容

本课题所研究的太阳能充电器是通过太阳能电池板，利用“光生伏打效应”将太阳能转换为电能，经过输出装置，为负载提供电能。

经过直流变换即所谓的斩波环节，将一种直流电，变换为另一种可以控制的直流电，从而满足充电的要求。

通过单片机的控制环节，经过复杂的控制，生成PWM波，控制开关管的关闭与导通，从而实现电路的控制环节。

由于对锂电池采用全过程恒流充电的方式容易使电池因为过度充电而减少使用的寿命，所以采用开始恒流快速充电的方式，等到电压上升到设定值时，采用恒压的充电方式这个过程也是通过单片机的控制来实现的。

而且系统中设有完备的过电流过电压保护，避免电池因过度充电而损坏。

电路中设置有显示环节，通过功能键灵活的选择电路的输出，为不同的电子产品充电。

有的地方就能够充电，与传统的充电器相比，更为灵活，通信更为方便[3]。

2.太阳能充电器的硬件电路设计

2.1太阳能发电的原理

太阳能发电的原理是利用光生伏打效应，首先由太阳能电池吸收光子，当光子达到一定数量之后，就会在体产生电子-空穴对，其中电子带负电，光子带正电，由于两者的极性相反，就会被半导体P-N结所产生的静电场所分离开，电子和空穴分别流向太阳能电池的正极和负极，从而产生电流，接上负载之后就可以向外电路供电了[2]。

2.2系统的总体设计方案

如下图2-1为系统的总体设计框图。

图2-1系统总体设计框图

由于太的变化幅度大而且无规律，所以通过太阳能电池板所获得的电能不稳定，不能直接用来供给给电路，所以需要经过直流变换的环节，即斩波电路将一种直流变换为另一种可调节的直流，从而满足电路的需求。

而且大部分充电器大都采用大电流的快速充电法，如果充电时间过长而没有及时拔去充电器，就会造成电池的损伤，从而减短电池的寿命[4]。

在本系统过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由AT89C51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ADC0808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[5]。

系统中电能的主要来源是太阳能电池板，它是整个系统的主体部分，也是最主要的部分，本文以手机、MP3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。

考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，采用八块相同参数电池板进行串、并联，实测的峰值电压可达6V，峰值电流为100mA，实测功率为0.6W。

实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。

本课题中所采用的太阳能电池板经过稳压器输出为5V的电压。

2.37905的应用

7905是典型的三端稳压集成芯片，它不需要太多的外围元件，使用起来很方便，而且还含有过流、过热等保护，提高了系统的稳定性。

它的输出电压为4.9-5.1V，最典型的应用是5V。

它的典型应用电路如图2-2所示。

图2-27905的典型应用电路

为避免输入端断开时C1向稳压器放电造成不必要的损伤，在稳压器的两端之间跨接一个二极管，从而构成对7905的保护作用。

一般电容所能承受的最高电压应比电源的输入和输出电压高。

电路中C1的作用是，减小纹波电压，消除自激振荡，取值围在0.1μF～1μF之间，上图中C1选用0.33μF；电容C2主要作用是用于改善负载的瞬态响应，消除电路高频噪声，一般取0.1μF左右，上图中C2选用的是0.1μF[7]。

2.4单片机控制单元

图2-3为单片机的引脚图。

图2-3单片机引脚图

在本系统中单片机控制单元主要功能是控制信号的采集、按键的操作以及连接显示器从而控制显示器的输出，由于AT89C51单片机具有低电压、高性能的特点，含有定时器能够控制系统定时采集PWM脉冲控制信号、3个8路I/O口用来接按键部分以及连接数模转换系统从而将模拟信号转换为数字信号来显示输出，能够满足本系统的控制要求，故本系统的控制单元主要采用AT89C51单片机对系统进行控制。

在本系统中单片机工作的具体过程是上电复位，查询键盘，根据键盘的输入状态来确定充电器的功能。

再继续查询键盘，确定输出的大小或普通电源的输出电压,然后转移到相应的子程序计算PWM占空比,开始输出电流或电压,并将数据发送到显示电路。

在输出的过程过定时器的定时检测，来判断输出的电流或电压，与设定值比较后，调节PWM占空比，使输出趋于设定值。

在电池充电过程中，通过检测电流的大小来确定电池充电的多少，从而改变充电方式或决定是否继续充电[8]。

单片机最大的好处是可以重复使用以及修改电路工作状态，而且简化了硬件电路设计，使电路的升级改造变得简单易行。

2.5电流电压的采集及转换

ADC0808是CMOS组件，它带有8位的ADC部分，还有8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，并且可以直接和单片机接口。

（1）ADC0808的部结构框图如图2-4所示。

图2-4ADC0808的部结构框图

由图4可知，通过通道地址的锁存和译码将数据传输到模拟通道选择开关IN0-IN7从而决定选通哪一路开关，然后送入A/D转换部分进行数模转换将结果通过D0-D7输出。

（2）ADC0808的引脚结构如图2-5所示。

图2-5ADC0808的引脚结构

IN0－IN7为8位模拟量输入引脚。

ADDA-ADDC为模拟通道选择地址信号，ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为有效值时，A、B、C的地址信号被锁存，从而选通对应通道进行模拟量的输入。

通道选择表如下表2-1所示。

表2-1CBA通道选择表

CBA

选择的通道

CBA

选择的通道

000

IN0

100

IN4

001

IN1

101

IN5

010

IN2

110

IN6

011

IN3

111

IN7

START为A/D转换启动信号，正脉冲时有效，所有部寄存器清零；负脉冲时进行数模转换；转换的过程应保持为低电平。

EOC用来判断转换是否完成，高电平为有效值，表明转换已经结束，其他时间为低电平。

OE用来判断是否允许输出，高电平时输出转换后的信号。

本设计中用单片机的P0口接收来自0808的数据，P2.0、P2.1、P2.2依次接在0808的A、B、C地址线，P2.3接在0808的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，P2.6接EOC，时钟信号由单片机的ALE端经74HC74触发器二分频后提供。

ADC0808具体工作过程为：

由P2.0、P2.1、P2.3输入3位地址，并使P2.3输出高电平，地址信号被锁存，经过分析选通1路模拟输入到比较器。

START的负脉冲到达时进行数模转换，此时EOC为低电平，一直到转换结束为止，将转换的结果存入锁存器，然后向单片机发送中断请求，这时使P2.5输出高电平，将结果存入数据总线，单片机读取P0口然后做下一步处理操作。

本设计中对电流的采集主要是用ACS712来实现的。

ACS712是一个线性电流传感器，主要作用是用来检测充电电流，实现电流的跟踪功能，并将所测得的电流传送给单片机电路实现对电路充电部分的控制。

2.6按键指示电路的设计

在单片机的应用电路中用的较多按键方式为独立按键和行列式按键。

独立按键的工作方式简单，每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，通过判断按键端口的电位即可识别按键操作，这样就会占用过多的I/O资源，如果一个电路的端口比较多就无法实现。

而行列式按键就克服了这一弱点不会占用太多的I/O资源但是工作方式比较复杂，在这里就不赘述了。

由于设计中按键不是太多，故采用独立按键的方法，以简化对电路编程的设计，图2-6为本设计的按键电路。

图2-6按键电路的设计

在本设计中将按键电路接在了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。

2.7数码管显示电路

本设计采用基于串口的LED数码管静态显示电路,每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。

单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，直到有新的数据要显示时,再发送新的字形码可以了。

这样做的优点是使单片机中CPU的开销小[10]。

图2-7所示为数码管显示电路。

图2-7数码管显示电路

在实际电路需要一个中介作为LED显示器的静态显示接口以便连接在AT89C51上。

可以选用74LS164实现此功能，需要把AT89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。

第4-6和10-13引脚并行输出端分别接LED显示器的各段对应的引脚上。

设计采用的是共阳极数码管，数码管的公共极所接电源由LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压以保证每个数码段的亮度一致。

要显示某字段时，相应的移位寄存器74LS164的输出端必须是低电平。

2.8DC/DC变换电路的实现

DC-DC转换就是转变输入一直流电压后有效输出固定的另一直流电压的电压转换器。

直接直流变流电路也称为斩波电路。

直流斩波电路种类很多，包括六中基本斩波电路：

降压斩波电路（BuckChopper）、升压斩波电路（BoostChopper）、升降压斩波电路（Buck-BoostConverter）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。

它主要用于电池供电的设备，一方面是进行电压转换，提供满足电路要求的电压，并且保持转换的高效，延长电池的使用周期，减小设备的体积等。

[11]

在本电路中所需的能量来源主要由太阳能电池板所提供，其他部分不能提供电能，经过稳压器将太阳能所转换来的电能变换为电路所需要的电压等级，输入部分的电压始终大于输出部分的电压，所以一般采用降压斩波电路。

3.汇编源程序的实现

3.1系统整体程序设计框架

首先电路启动，初始化电路，设置相关参数和确定充电器工作状态，采集和计算输出PWM信号，定期收集数据和处理来调整脉宽调制信号的工作周期，系统整体设计框图如图3-1所示。

图3-1系统整体设计框图

3.2电路启动与初始化

初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：

1、清片RAM；

2、清0使之置初始参数设定，便于程序设计人员掌握，以利系统的工作；

3、设置系统运行所需的各个参数，进行A/D设定、定时器设定和中断设定；

4、返回执行充电任务。

[12]

初始化程序流程图如图3-2所示。

图3-2初始化程序流程图

3.3按键采集程序

图3-3为按键子程序结构流程图。

图3-3按键子程序结构流程图

按键子程序用于判定系统的功能，并将数据传送给单片机做进一步处理，经过一定时间的延迟将处理好的数据存入缓存，等待进一步的处理。

读取端口要经过一定时间的延迟，消除按键抖动所造成的误操作。

3.4数码管显示子程序

开机时，首先初始化数码管，并在数码管中显示“0”。

然后判断P1口是否有键按下，如果没键按下继续判断。

显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式0，再读取显示缓冲区的即将要显示的数据，通过查表的方式找到对应的字形码，把字形码写入串口寄存器SBUF中，并通过串口方式0发送出去。

当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针寄存器DPTR中作为基址，将显示缓冲区的数据作为偏移量送入变址寄存器A，执行查表指令“MOVCA，A+DPTR”，则累加器A中得到的结果即对应数字的字形码。

单片机在以方式0串行发送数据的时候数据将RXD引脚从低位到高位依次输出，共阳极数码管在单片机0-9所对应的字型码分别是：

01H，4FH，12H，06H，4CH，24H，20H，0FH．00H，04H。

[13]

3.5数据采集及模数转换程序

数据采集主要是由单片机控制ADC0808完成，该方案分为初始化数据，发送开始转换命令，等待转换结束，接收数据，处理数据并存放在缓存中，程序流程如图3-4所示。

图3-4数据采集子程序结构流程图

3.6充电子程序的设计

充电过程分为两个阶段，第一阶段恒流充电，充电电流可以被设置，当充电电压达到4V进入第二阶段，即4.2V的恒定电压充电，恒压充电电流随着时间的推移逐渐减小，当充电电流为减小到0.1mA时表示电池已经充电到93％〜95％的额定容量，此时电池已经基本充满了，如果继续充电，充电电流会慢慢降低到零，直到电池完全充满。

充电子程序流程图如图3-5所示。

图3-5充电子程序流程图

3.7电源子程序的设计

电源子程序主要工作过程为采集电压电流，判断是否过电流，如果没有过电流，再进一步对输出电压进行判断，通过与电压的设定值比较来改变占空比。

如果不过电流，则直接关断输出。

电源子程序流程图如图3-6所示。

图3-6电源子程序流程图

4.电路的仿真

4.1初始化电路

初始化仿真电路图如图4-1所示。

图4-1初始化电路

在启动源程序后，在仿真时，先对电路进行初始化，主要是为了方便对电路参数的设置，初始化后，显示器显示为0，此时表示还没有对电路进行充电。

4.2对电路充电部分的实现

对电路充电时，先选择充电的方式，假设选取4.2V的充电方式，主要是针对手机电池进行充电，此时按下4.2V的功能键，并按下功能选择键ENT，如图4-2所示。

图4-2选择功能键

选定功能键后，按下“+”键选择对电路的充电电压，如图4-3所示。

图4-3电路充电

在按下“+”键后，显示输出电压。

如图4-4、4-5、4-6所示分别显示输出电压为3V、4V、5V。

图4-4输出电压为3V

图4-5输出电压为4V

图4-6输出电压为5V

4.3电路的复位

待充电完成后，就要对电路进行复位，以进行下次充电的操作，首先按下功能“+”键使其回复原位，在分别按下“ENT”键和“42”键，最后再按下“RES”键如图4-7所示。

图4-7复位操作

按下复位键后，数码显示管显示“0”，表明复位完成。

如图4-8所示。

图4-8复位完成

5.总结

经过几个月的努力和研究，论文终于完成了，本设计经过调试运行已经达到预期的效果，运行结果表明该装置在技术上有一定的可靠性，但随着社会的发展与进步，该装置中存在有待进一步开发改进的地方，尚有理论和工程应用问题需要进一步的探索和研究！

在整个电路的设计过程中还需要如下改进：

首先本设计主要是针对小功率用电器，可以通过设置按键的切换来实现对大功率用电器来充电；再者可以设置蓄电功能，这样在充足的时候可以给电池蓄电，在没有的时候也可以对电子产品进行充电。

经过这次毕业论文的设计，我学到了很多东西：

对单片机的工作原理有了更深刻的研究；了解了各种芯片的工作原理，为以后的工作奠定了基础；在学校的学习主要是在理论层次上，经过这次论文的设计，我将理论与实际相结合，加深了对理论知识的理解。

参考文献

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[5]辉,曾祖勤.太阳发电技术[M].:

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[7]华成英,童诗白.模拟电子技术基础.:

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[12]鸣峰.蓄电池的使用与维护[M].:

化学工业,2009:

6-10.

[13]维,辉,王东海等.太阳能半导体照明驱动技术研究[J].照明工程学报,2005:

7-15.

附录1主电路原理图

附录2汇编源程序

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG000BH

LJMPPWML;PWM波输出

ORG001BH

LJMPTESTOUT;检测输出

LEDEQU70H;数码管显示缓冲

PWMFBIT00H;PWM输出标志位

PWM1HEQU71H;PWM高电平缓冲

PWM1LEQU72H

PWM2HEQU73H;PWM低电平缓冲

PWM2LEQU74H

TESTHEQU77H;检测周期缓存

TESTLEQU78H

TESTVEQU79H;输出电压检测缓冲

TESTIEQU7AH;输出电流检测缓冲

PWMTEQU7BH;PWM波周期

OUTBIT02H;功能选择

TVIBIT03H;功能选择

ORG0100H

MAIN:

MOVA,#00H

MOVLED,A

MOVP1,#07FH

CLRTESTV

MOVPWMT,#200;PWM周期设为50us

MOVTESTH,#0FEH

MOVTESTL,#0CH

LCALLDISPLAY

LJMPKEYWORK

START:

LCALLTESTIN

MOVA,TESTV

MOVB,#33H

DIVAB

JNZNEXT

MOVA,#01H

NEXT:

MOVB,#04H

MULAB;乘以比例得出实际输入电压

MOVB,A

JNBOUT