基于单片机的太阳能充电器的设计毕业设计论文.docx
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基于单片机的太阳能充电器的设计毕业设计论文
毕业设计[论文]
题目:
基于单片机的太阳能充电器的设计
学院:
电气与信息工程
专业:
自动化
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日期:
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日期:
年月日
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取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点,因此有着广阔的应用前景,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,因不能及时找到或没有220V市电而无法给手机充电,影响了手机的正常使用。
为了解决这一问题,本课程设计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。
关键词:
太阳能电池板,单片机,BUCK变换器,光伏发电技术
Abstract
Increasingdepletionoffossilenergy,it'semphasisonenvironmentalprotectionarealsorising,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasaninexhaustibleandcleanandsafeandsoon,sohaveabroadapplicationprospects,photovoltaicpowergenerationtechnologyismoreandmoreattention,withthePVmodulecontinuetolowerpricesandphotovoltaictechnology,solarPVsystemswillgraduallysupplementtheenergyfromthecurrenttransitiontoalternativeenergy.
Peoplewhousemobilephoneshavehadtheexperience,gooutortravelnoelectricitywhenthebatterysuddenly,andbecausetheycannotbefoundordoesnottimely220Velectricityandnottochargetheircellphonesaffectthenormaluseofmobilephones.Tosolvethisproblem,thecoursedesignintroducesamulti-purposesolarcharger,useMCUcontrol,willtransformsolarenergythroughthecircuittostabilizethedirectcurrenttochargetheircellphonesandcanchargethebatteryautomaticallystopschargingafter,butalsoasageneralDCpoweruse,sogetridofdependenceonelectricityobtainedthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarchargerhasaclearadvantage.
Keywords:
solarenergybattery,singlechip,BUCKconverte,solarenergy
1绪论
1.1本课题的研究背景及现状
当电力、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时,越来越多的国家开始实行“阳光计划”,开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力。
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。
当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。
光伏发电系统在超过100个国家得到应用。
2009年,世界光伏新增装机容量达到790万千瓦,同比增长43.6%,其中欧洲市场占80.1%,北美占7.0% ,亚澳占9.8%,其他占3.1%。
德国以380万千瓦的新增装机容量位居榜首,占世界光伏市场的48.1%,其次为意大利、西班牙、日本、美国。
截至2009年底,世界光伏装机容量累计达到2680万千瓦。
并网光伏发电市场发展最快,占总光伏应用市场的80%以上,并逐步发挥着替代能源的作用,受到全世界的关注。
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,尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。
从长远来看,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,光伏系统并网发电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。
太阳能手机充电器简单,模块小,携带方便,市场价格便宜,能帮助用户在外出旅游远离市电情况下给手机及时充电。
太阳能手机充电器使用起来又节省能源,环保无污染,有广阔的发展前景,因此提出本课题。
1.2课题设计思想
本设计课题是基于单片机的太阳能充电器的设计。
首先,由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动,太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些,太阳光强度弱时,太阳能电池板输出电压会偏低,为了从太阳能电池板输出得到稳定电压,本设计采用稳压管LM7805,LM7805输出口可以输出稳定的5V电压,以来可以供单片机和其他用电芯片使用,二来可以作为下一步电压变换电路的电源。
其次考虑到电池充电过程电压要求会有变化,不能简单输出稳定的直流电,因此提出采用DC/DC变换电路,通过控制开关管通断时间占空比来调节输出电压。
单片机是控制中心,控制信号的产生由外部电路状态产生,对于充电过程来说,根据外部充电电压和充电电流与理想充电过程的比较发出信号,调节占空比。
为此设计单片机单路,电压检测电路和电流检测电路,同时为了方便使用者知道系统处于的状态,本设计设置显示模块和指示灯显示。
1.3论文结构
本论文第一部分绪论部分介绍了太阳能电池及太阳能光伏发电系统的发展现状及前景,本课题研究的背景,并提出了设计思想;第二部分讨论了系统总体设计方案;第三部分对系统的硬件电路进行了设计;第四部分对系统软件部分进行了设计;第五部分进行仿真分析;第六部分,分析了本次设计的结果及展望。
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
提出方案一方框图如图2.1
图2.1方案一方框图
该方案采用DC/DC变换电路,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。
由上图方框图可以看出,该方案能够控制DC/DC变换电路,有显示模块,但是该方案没有对外部电路的实时检测,不能根据外部电路情况实时控制DC/DC变换电路。
2.2设计方案二
由第一种方案的缺点,为此提出第二种方案,方案二方框图如下图2.2所示。
图2.2方案二方框图
从上图方框图可以看出方案二弥补了方案一的缺点,设计了对电路状态的检测,并通过模数转换模块将转化的信号送给单片机。
单片机可控制PWM芯片生成PWM波实行对变换电路的控制,同时有按键模块和显示模块,但是该设计方案将生成PWM部分用芯片代替,这样使得硬件电路部分复杂,不如用软件实现可以使硬件电路变得简单,也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
在方案一和方案二的基础上提出本次设计的整体设计方案如下图2.3所示。
图2.3整体设计方案框图
该方案综合方案一和方案二的优点,既具备对充电电路的检测,单片机可根据对检测来的信号处理后的情况的分析进行对充电电路的控制,按键电路可以选择系统可以实现的功能,显示电路可以显示电路的工作状态,控制信号PWM用程序来实现,使硬件电路变得简单,节省资源,提高系统性价比。
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
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。
在实验室里最高的转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。
但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。
硅太阳能电池片常用的为单晶125大倒角,其尺寸为125mm*125mm,对角线150mm,功率Pmax2.60W,工作电压Vm0.523V,工作电流Im4.934A,开路电压Voc0.629V,短路电流Isc5.285A。
太阳能电池可根据电压大小需要,由不同数量的太阳能电池片组成,其转换效率受光照、温度、太阳电池晶体类型及制造工艺等影响,2010年中国平均效率为17.2%。
常见的太阳能电池电压有3V、6V、9V、12V、18V、32V、48V等,更大的用于太阳能电厂发电项目。
太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础,是该充电器的首要部分,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、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。
所选用的太阳能电池板技术参数指标如下:
尺寸95mm×95mm,额定输出电压5.5V,电流140~180mA,标称功率1W,用两片该电池板串联可以得到11V电压,可以作为LM7805的输入。
3.2LM7805稳压电路
由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动,太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些,太阳光强度弱时,太阳能电池板输出电压会偏低,为了从太阳能电池板输出得到稳定电压,本设计采用稳压管LM7805,LM7805输出口可以输出稳定的5V电压,保持输出电压的稳定。
LM7805的典型应用电路如下图3.1所示。
图3.1LM7805稳压电路
图中C4、C7的作用是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡,减小纹波电压,;在输出端接电容C5、C6是用于消除电路高频噪声,改善负载的瞬态响应。
一般电容的耐压应高于电源的输入电压和输出电压。
另外,为避免输入端断开时C6从稳压器输出端向稳压器放电,造成稳压器的损坏,在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管,对LM7805起保护作用。
LM7805输入电压为8V到36V,最大工作电流1.5A,具有输入电压范围宽,工作电流大,输出精度高且工作及其稳定,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,从而是单片机等控制电路正常工作,且成本低。
3.3充电主电路的设计
充电主电路如下图3.2所示,充电主电路采用DC/DC变换电路。
图3.2电池充电电路
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制
(1)Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。
主电路核心由三极管去、电感L1及续流二极管D1构成的典型的BUCK降压DC/DC变换电路;图中Q2的作用是放大PWM信号,驱动开关管Q1。
3.4信号采集处理电路
实时检测电池电压和充电电流是保证锂电池安全充电的前提,电流取样处理电路如图3.3所示
图3.3电流取样处理电路
电池电压直接接到单片机A/D接口,经A/D转换和单片机运算处理得到测量电压值。
本设计充电电流流经0.1Ω取样电阻,得到电压采用运算放大器LM358,把电流取样电压放大21倍后送到单片机A/D接口进行采集。
电压检测可将输出口电压直接送到A/D输入接口,经模数转换后给单片机进行处理。
3.5单片机选型
对于单片机型号,最熟悉的就是C51系列,其中包括AT89C51,AT89C52在AT89C51的基础上有些改进,但是听有经验的同学说以型号AT开头的的单片机在烧写程序时不容易进行烧写,于是考虑采用以型号是以STC为开头的单片机,通过查资料了解发现STC89C52在功能上与AT89C52相似,为此,本设计单片机采用STC89C52型号单片机。
3.6单片机stc89c52介绍
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
STC89C52单片机引脚图如下图3.4所示。
图3.4单片机引脚图
STC89C52RC引脚功能说明
VCC(40引脚):
电源电压
VSS(20引脚):
接地
P0端口(P0.0~P0.7,39~32引脚):
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口,每个引脚能驱动8个TTL负载,对端口P0写入“1”时,可以作为高阻抗输入。
P1端口(P1.0~P1.7,1~8引脚):
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动(吸收或者输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,可用作输入口。
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
P3端口(P3.0~P3.7,10~17引脚):
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写入1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P3做输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
在对FlashROM编程或程序校验时,P3还接收一些控制信号。
ALE/(30引脚):
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时,此引脚(ALE)也用作编程输入脉冲。
/VPP(31引脚):
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,必须接GND。
注意加密方式1时,将内部锁定位RESET。
为了执行内部程序指令,应该接VCC。
在Flash编程期间,也接收12伏VPP电压。
XTAL1(19引脚):
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2(18引脚):
振荡器反相放大器的输入端
除这些功能引脚外,还有一些特殊功能寄存器。
3.7单片机电路
3.7.1单片机复位电路
本设计复位电路采用按键复位电路,当系统进入死循环时,按下复位键可使系统重启,单片机复位电路如图3.5所示。
图3.5按键复位电路
系统正常工作时,电源给电解电容充电,电解电容储有电能,单片机复位端口电瓶为低,当按键被按下时,单片机复位端口电平变为高,单片机采集到信号后复位。
3.7.2单片机时钟电路
单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号。
外部时钟信号一般为12MHZ的方波。
单片机时钟电路如下图3.6所示
图3.6单片机时钟电路
3.7.3单片机A/D转换电路
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
A/D转换电路如图3.7所示
图3.7A/D电路
ADC0809的引脚功能介绍:
IN0-IN7:
8条模拟量输入通道
ADC0809对输入模拟量要求:
信号单极性,电压范围是0-5V;输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。
地址输入和控制线:
4条
ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A,B和C为地址输入线,用于选通IN0-IN7上的一路模拟量输入。
通道选择表1所示。
CBA
选择的通道
000
IN0
001
IN1
010
IN2
011
IN3
100
IN4
101
IN5
110
IN6
111
IN7
表1CBA通道选择表
数字量输出及控制线:
11条
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时,所有内部寄存器清零;下跳沿时,开始进行A/D转换;在转换期间,ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时,表明转换结束;否则,表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE=1,输出转换得到的数据;OE=0,输出数据线呈高阻状态。
D7-D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供,通常使用频率为500KHZ,VREF(+),VREF(-)为参考电压。
3.7.4按键电路
在单片机应用系统中,按键主要有两种形式:
1、独立按键;2、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的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。
按键接线图如下图3.8所示。
图3.8按键电路
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5ms~20ms;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。
在本设计中设置按键个数为3个,其中一个作为按键复位用;一个作为电压选择用,本设计提供3V、3.5V、4.0V、4.5V四种电压值的循环,可以通过“电压选择”键选择某一电压值作为输出;另一个作为开始充电用,装上电池要对电池进行充电时按下“开始充电”键,系统开始对对锂电池进行充电。
故采用独立按键法,这样可以减小编程的难度。
3.7.5数码管显示电路
LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
数码管显示电路如图3.9所示
图3.9数码管显示电路
本设计采用4位LED数码管段数为7段另加一个小数点即8段数码管,数码管有共阴和共阳两种,本设计使用共阴数码管,8段发光二极管的阴极接在一起接地,若某段发光二极管的阳极为高电平,则该段二极管被点亮。
设计时可根据需要显示的数字让某一组合的数码管的阳极置高。
3.8锂电池充电原
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