太阳能手机充电器毕业论文.doc
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河南理工大学毕业设计（论文）说明书
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绿色清洁、无环境污染、取之不尽、用之不竭又无地域限制的优势，因此有广阔的应用前景，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。
使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。
为了解决这一问题，本文介绍一种多用太阳能手机充电器，利用单片机控制，将太阳能经过BUCK电路变换为稳定直流电给手机充电，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。
目前对太阳能的利用主要体现在两个方面：
光热转换与光电转换，本文利用太阳能光电转换的特性，设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地地给各种移动设备充电的便携式智能型太阳能充电器。
关键词：
太阳能，电池，单片机，智能，BUCK变换器
Abstract
Increasingdepletionoffossilenergy,it'semphasisonenvironmentalprotectionarealsorising,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasaninexhaustibleandcleanandsafeandsoon,sohaveabroadapplicationprospects,photovoltaicpowergenerationtechnologyismoreandmoreattention,withthePVmodulecontinuetolowerpricesandphotovoltaictechnology,solarPVsystemswillgraduallysupplementtheenergyfromthecurrenttransitiontoalternativeenergy.
Peoplewhousemobilephoneshavehadtheexperience,gooutortravelnoelectricitywhenthebatterysuddenly,andbecausetheycannotbefoundordoesnottimely220Velectricityandnottochargetheircellphonesaffectthenormaluseofmobilephones.Tosolvethisproblem,thecoursedesignintroducesamulti-purposesolarcharger,useMCUcontrol,willtransformsolarenergythroughthecircuittostabilizethedirectcurrenttochargetheircellphonesandcanchargethebatteryautomaticallystopschargingafter,butalsoasageneralDCpoweruse,sogetridofdependenceonelectricityobtainedthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarchargerhasaclearadvantage.
Atpresenttheuseofsolarenergyismainlyembodiedintwoaspects:
thesunlighttransformationandphotoelectric,thispaper,byusingsolarphotoelectriccharacteristics,designawaythatthereisnopoweritcanalsochargerforvariousmobileanywhereatanytime.
Keywords:
solarenergy,battery,singlechip,intelligent,BUCKconverter
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
1绪论 1
1.1本课题的研究背景 1
1.2充电器的发展及其简单的类型 1
1.3太阳能充电器 2
1.4光伏发电的特点 3
1.5本系统设计的总体思路 3
1.6本课题研究的主要任务 4
2太阳能电池的研究和分析 5
2.1太阳能电池的原理 5
2.2太阳能电池的分类 5
2.3太阳能电池的等效电路 6
2.4太阳能电池板的输出特性及影响因素 7
2.5光伏电池的主要参数 8
2.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 9
2.7温度对光伏电池输出特性的影响 10
2.8本系统所采用的光伏电池 11
3太阳能手机充电器硬件设计 12
3.1系统总体设计方案 12
3.2电源模块设计 12
3.3LM7805应用 13
3.3.1LM7805芯片介绍 13
3.3.2LM7805应用电路 14
3.4单片机选型 15
3.4.1单片机简介 15
3.4.2单片机电路 19
3.5按键选择电路 20
3.6数码管显示电路 21
3.7BUCK斩波电路 22
3.8电压电流的A/D采集 24
3.9MAX471介绍及工作原理 28
3.9.1MAX471介绍 28
3.9.2工作原理 28
4汇编源程序的设计实现 31
4.1系统整体程序框架 31
4.2电路启动初始化 31
4.3数码管显示子程序 32
4.4数据采集及模数转换程序 33
4.5充电子程序的设计 34
4.6电源子程序的设计 34
5结束语 36
致谢 37
参考文献 38
附录A：
主电路原理图 40
附录B：
汇编源程序 41
50
1绪论
1.1本课题的研究背景
近年来，随着电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济发展的新动力。
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。
这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。
目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。
而且随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景[1]。
1.2充电器的发展及其简单的类型
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。
充电器的发展经历了三个阶段：
①限流限压式充电器
最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。
这种充电模式的效果较差。
②恒流/限压式充电器
这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。
首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。
一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
③自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。
自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。
并且具有温度补偿功能。
充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。
充电器的发展经历了三个阶段，相应的就出现了各种类型的充电器，以下就是一些简单的充电器类型：
普通型充电器：
这是最基本和最常用的一种简单型充电器，实际上就是一个变压器降压、二级管整流电路；
可调型充电器：
简单地说就是电池充电可调节，它是根据充电电池的电压来调节充电的方式；
自动型充电器：
顾名思义就是可以实现充电自动化的装置，它分为全自动型和半自动型，大多都可以进行软件编程，通过为处理起来实现特定的功能；
多功能型充电器：
就是可是实现多种功能的充电器，它的作用不仅仅局限于充电了，比如稳压充电器、恒流—恒压充电器，具有自检功能的充电器、具有停电记忆充电器、带放电功能的充电器等等；
还有其他许多的充电器，比如快速型充电器、恒流型充电器、太阳能充电器，都是在充电器发展的过程中逐渐产生的[2]。
1.3太阳能充电器
太阳能充电器与市面上的一般市电充电器相比有好多不相同的地方。
一般的市电充电器都是在引出来电网电压之后先进行降压处理，再通过整流装置给各种蓄电池充电，这种充电器的优点就是当市电稳定时它可以提供稳定的充电平台。
太阳能充电器由太阳能电池组件或者一些其他的光伏装置供电，输入电压一般都比较低，所以给蓄电池充电时可以直接连接蓄电池或者增加一级升压装置。
另外，太阳能充电器可以很方便的携带，这样它在一些比较恶劣的环境下也能够提供充电作用。
因此，太阳能充电器有着很大的发展前景。
在简单的了解了太阳能充电器与一般市电充电器的差别，但是无论在细节上有多大的差别，其总体设计思路是一样的：
都是电源供电、充电控制、蓄电池和负载这几部分构成，图1-1就表示了太阳能充电控制器的整体结构。
图1-1单片机控制太阳能充电器的结构
1.4光伏发电的特点
太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式——电能，从而具有热利用不可比拟的优势。
太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。
光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，是当今太阳能发电的主流。
与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势：
①是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。
太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单；
②利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；
③可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；
④接近负载中心，减少电网的线损；
⑤发电的效率不随发电规模的大小而变；
⑥就地可取，无需运输。
光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。
由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。
但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来[3]。
1.5本系统设计的总体思路
本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。
锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。
充电过程中采用LED灯、数码管指示，系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。
文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。
把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。
这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。
1.6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，电源控制模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，太阳能手机充电器电路原理图设计。
软件设计：
数码显示程序设计，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。
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。
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太阳能电池的分类
目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。
全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。
从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。
目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为：
①硅太阳能电池；
②以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的多元化合物薄膜太阳能电池；
③功能高分子材料（有机半导体）制备的大阳能电池；
④纳米晶太阳能电池等。
这里采用的是硅太阳能电池。
硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。
在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术.开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。
多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。
非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。
2.3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2-1表示的等效电路来考虑。
图2-1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；It为PN结电流（A）；IO为二极管的反向饱和电流（A）；V为外加电压（V）；q是单位电荷（1.6×10-19K库仑）；K是玻耳兹曼常数（1.38×10-23J/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2-2来描述，其伏安特性可由2-2式给出。
图2-2实际光伏电池等效电路
（2-3）
此式叫做光伏电池的超越方程式。
2.4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。
2.5光伏电池的主要参数
光伏电池的几个重要技术：
①短路电流ISC：
在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
②开路电压VCC：
在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
③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。
④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。
⑤最大输出功率（PM）：
在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率
⑥填充因子（2-4）
⑦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η，
以上各个参数可以在图2-3中表示如下。
图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线
图2-3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，从而求出最大输出功率：
PM=IM×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2-4可表示太阳能电池的P-V曲线。
从图2-3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ISC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。
2.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2-4、图2-5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2-6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2-5中虚线与各实线的交点所示。
图2-4不同日照下的I-V关系曲线图图2-5不同日照下的P-V曲线图
图2-6太阳能电池的P-V特性曲线
2.7温度对光伏电池输出特性的影响
图2-7，图2-8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2-8中各实线的波峰的幅值变化。
图2-7不同温度下的I-V特性曲线图2-8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：
①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；
②开路电压近似同温度成反比，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；
③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，MaximumPowerPoint），且随着外界环境的变化而变化[8]。
2.8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。
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120mm×45mm，峰值电压6V，峰值电流100mA，标称功率0.6W。
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
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