1、s emphasis on environmental protection are also rising, look for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable energy it has an inexhaustible and clean and safe and so on, so have a broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and mo
2、re attention, with the PV module continue to lower prices and photovoltaic technology, solar PV systems will gradually supplement the energy from the current transition to alternative energy. People who use mobile phones have had the experience, go out or travel no electricity when the battery sudde
3、nly, and because they can not be found or does not timely 220V electricity and not to charge their cell phones affect the normal use of mobile phones. To solve this problem, the course design introduces a multi-purpose solar charger, use MCU control, will transform solar energy through the circuit t
4、o stabilize the direct current to charge their cell phones and can charge the battery automatically stops charging after, but also as a general DC power use, so get rid of dependence on electricity obtained the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has a cle
5、ar advantage. Key words: solar energy, battery, single chip, intelligent, BUCK converter 3 1 绪论 1.1 本课题的研究背景 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 hk 作用具 有重大意义。
6、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。但是，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，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。 1.2 硅太阳能电池及参数 硅太阳能电池及参数 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
7、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
8、。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工程。 1.3 本课题研究的主要内容 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 4 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
9、，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，并通过显示电路显示电路状态，通过功能键可以灵活 的选择电路输出，为不同的电子产品提供电源。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，从而获得通信的自有。 2 太阳能手机充电器硬件设计 2.1 系统
10、总体设计方案 系统总体设计方案 总体 DC/DC 变换 太 阳 能 电 池 板 按 键 AT89C51 显示电路 手 机 电 池 ADC0809 图 1 系统总体设计方案 太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电 压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变 换后供给电池充电。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能 转换为电能。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时 停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控 制系统，51 系列单片机时当前使用最为广泛的 8 位单片机系列，其丰富的
11、开发 资源和较低的开发成本，是 51 系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。 本系统将采用 89C51 做为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂 的充电智能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。本系统 总体设计方案如图 1 所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编 5 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 ADC0809 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。 2.2 太阳能电池板的选用 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
12、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 120mm45mm， 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进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为
13、 10.8V, 电流最大可达 450mA，总标称功率为 5W 左右,实际输出可根据不同的被充电对 象进行平滑调整7。 2.3 LM7805 应用 图 2 LM7805 典型应用电路 单片机电源电路的设计以三端集成稳压器 LM7805 为核心， 它属于串联稳压 电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。图 2 是三端稳压集成电路 LM7805 的典型应用电路，三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后 处于正常状态时，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变 化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。电路中 Ci 的作用 是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激
14、振荡，减小纹波电压，取值范围在 6 0.1F1F 之间，本文 Ci 选用 0.33F；在输出端接电容 Co 是用于消除电路 高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取 0.1F 左右，本文 Co 即选用 0.1F。 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 Co 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
15、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。 2.4 单片机电路 单片机电路 本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程， 并将采集到的数据经 过分析处理后生成 PWM 脉宽调制信号控制开关管的导通与关断， 从而控制输出 大小。具体工作过程是上电复位，首先查询键盘，确定充电器功能，确定后继续 查询键盘以确定输出电流大小，或作为普通电源的输出电压，然后转入相应子程 序并分析计算 PWM 占空比， 开始输出电流或电压， 并将数据送至显示电路显示。 在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压， 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
16、中，通过检测电流大小而确 定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电4。 通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设 计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需 简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易行。 2.5 按键指示电路及实现 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。 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
17、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 5ms20ms； 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。 在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难 7 度，图 3 为本设计的按键接线图。 图 3 按键接线图 对电路总体考虑后，将 ADC0809 采集电路接在了单片机的 P0 口，并用 P2 口做采集控制，这样 P0 口仅用接收数据，不用发送数据
18、，有 P0 口的硬件构成知 道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬 件开支，而 P3 口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在 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，其中 5V 输出可直接用 USB 连接线给手机充电，电池 充电控制则有手机提供。 2.6 数码管显示电路 数码管显示电路 AT89C51 单片机内有一个串行 IO 端口， 通过引脚 RXD 和 TXD 可与外
19、部 电路进行全双工的串行异步通信， 发送数据时由 TXD 端送出， 接收时数据由 RXD 端输入。串口有四种工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式以满足 不同的场合。其中，方式 0 是 8 位移位寄存器输入输出方式，多用与外接移位 寄存器以扩展 IO 端口。串口的工作方式可以参看相关的书籍，此处不做详细 介绍。方式 0 的输出是 8 位串行数据，通过移位寄存器可将 8 位串行数据变成 8 位并行数据输出，也可以将外部的 8 位并行数据变成 8 位串行数据输入。因此外 接一个移位寄存器就可扩展一个 8 位的并行输入输出接口， 如果想多扩展几个 并口就需要在外部级连几个移位寄存器。 本设计
20、采用基于串口的 LED 数码管静态显示电路，在串口扩展中最常用的 就是基于串口的 LED 数码管显示电路。在单片机应用系统中，LED 数码管的显 8 示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器 都要占用单独的具有锁存功能的 IO 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只 要把要显示的字形代码发送到接口电路， 就不用管它了， 直到要显示新的数据时, 再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中 CPU 的开销小。可以提供单 独锁存的 IO 接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器 74LS164， 扩展并行的 IO 口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，数码管直接接
21、在 74LS164 的输出脚上， 单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至 74LS164 的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。 图 4 数码管驱动电路 单片机 AT89C51 的串口外接 1 片 74LS164 作为 LED 显示器的静态显示接口， 把 AT89C2051 的 RXD 作为数据输出线，TXD 作为移位时钟脉冲。Q0-Q7（第 3 6 和 1013 引脚）并行输出端分别接 LED 显示器的 DPA 各段对应的引脚上。 本设计设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源 VCC，本电 路有 LM7805 提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证
22、个 数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器 74LS164 的输出线必须 是低电平。当有按键按下时，有单片机处理编码后送到数码管上显示。 2.7 BUCK 斩波电路 DC/DC 变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、PDA 等） 中。它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。开关变换器因具有效率高、灵 活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐10。 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 9 率调制（1）Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压 U
23、0 小于输入电压 Ui， 极性相同。 （2）Boost 电路升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于输入电压 Ui，极性相同。 （3）BuckBoost 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui，极性相反，电感传输。 （4）Cuk 电路降压或升 压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui，极性相反，电容传输。 还有 Sepic、Zeta 电路。 在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽调制方式的 BUCK 变换器， BUCK 变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。其 电路如图 5 所示，PWM 脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管
24、的通断。 图 5 BUCK 变换器电路 2.8 电压电流的 A/D 采集 以逐次逼近原理进行模数转换的器件。 ADC0809 是采样分辨率为 8 位的、 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。 （1）ADC0809 的内部逻辑结构 图 6 ADC0809 内部结构及管脚图 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 10 和一个三态输出锁存器组成。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
25、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。 （2）引脚结构 IN0IN7：8 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 05V，若信号太 小，必须进行放大；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 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道
26、选择表 1 所示。 表 1 CBA 通道选择表 C BA 000 001 010 011 100 101 110 111 选择的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 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。OE1，输出 转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为
27、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 电压输入。 本设计中用单片机的 P0 口接收来自 0809 的换数据，P2.0、P2.1、P2.2 依次 11 接在 0809 的 A、B、C 地址线，P2.3 接在 0809 的 ALE 端，P2.4 接 START，P2.5 接 OE 端，时钟信号由单片机的 ALE 端经 74HC74 触发器二分频后提供，单片 机采用 12MHz 晶振， ALE 端经二分频后为 500KHz。 ADC0809 具体工作过程为： 首先 P2.0、P2.1、P2.3 输入 3 位地址，并使 P2.3 输出高电平，将地址存入地址 锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐 次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转 换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束， 结果数据已存入锁存器，这
