基于单片机的太阳能充电器的设计.docx
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山东交通学院课程设计
山东交通学院
课程设计报告
基于单片机的太阳能充电器的设计
课题名称
傅传银
唐飞翔
学生姓名
140818108140818110
学 号
电子信息工程(信职141)
专 业
张波
指导教师
2016年06月26日
1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
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。
基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计
2
2.1设计方案一
方案一方框图如图2.1所示
太阳
能电
池板
DC/DC转换
手机
电池
按
键
单片机
显示
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。
太阳
能电
池板
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DC/DC转换
手机
电池
PWM芯片
按
键
单片机
显
示
模数转换
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。
太
阳能电池板
DC/DC转换
手
机电池
按
键
单片机
显
示
模数转换
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
8
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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。
3.2LM7805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。
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。
充电主电路图如图3.2所示。
3.3充电主电路的设计
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
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
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