1、电转换材料和电池的条件下,完成高效充电。1.1研究的目的与意义使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充电的地方，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。1.2研究的背景太阳能作为一种新型的资源越来越多地被人们关注，它所带来的一系列的产业也逐渐成为目前非常具有开发潜力的产业。太阳能光伏发电是太阳能应用的主要产业之一。在我国太阳能资源极其丰富，陆地每年接受的太阳辐射能相当惊人。如果将这些太阳能充分加以利用，不仅有可能节省大量常规
2、能源，而且可以有效地减少常规能源所带来的环境污染。太阳能手机充电器不仅能够解决这些令人头疼的问题，而且使用太阳能手机充电器更加的经济与环保。现今社会人们生活质量提高的同时，对于时尚的追求也成为了一种普遍的现象。所以一个小巧而又外型美观的太阳能手机充电器可以更多得到人们的青睐 能量的传送和信号的传输要求显然不同，后者要求其内容的完整和真实，不太要求效率，而前者要求的是功率和效率。虽然能量的无线传送的想法早已有之，但因为一直无法突破效率这个瓶颈，使它一直不能进入实用领域。本充电器其传输效率可提高到满意的程度。1.3设计思路和分析太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电
3、路以单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。本设计采用太阳能电池板对51单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制。1.4系统总体结构设计图1 太阳能电池等效电路 太 阳 能 电 池 输 出 电 压 电 流 I-V方 程 为（1）其中I为PN结的电流，I0为反向饱和电流，V为外加电压，q为电子电荷（1.610-19C），K为玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K），T为绝对温度，A为二极管因子（取值范围15 ）。太阳能电池电压电流为非线性的，日照条件不变的情况下，
4、太阳能电池输出存在一个最大功率点，即在该点输出电压和输出电流下，能够将太阳能最大程度地转化充电电能。目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC-DC变换器，通过改变DC-DC变换器中功率开关管的导通率，使太阳能电池工作在最大功率点（MPPT），实现最大功率点跟踪。本设计从充分利用太阳能的转换能量角度，选用SPV1040DC-DC转换芯片，跟踪最大功率点，提高太阳能的转换效率；考虑到太阳能电池输出电压的变化范围以及锂电池的充电安全和充电器的自身工作状况，选用L6924D电源管理芯片，设计出以SPV1040和L6924D为主要芯片的太阳能锂电池充电器。第二节 方案设计2.1硬件设计2
5、.1.1太阳能电池板太阳能电池包括一个p-n接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图1所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。2图太阳能电池的简化电路模型电流源IPH生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电压（VOC）。VOC因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说，VOC值都在0.5V0.6V之间，这也是接点二极管的正常正向电压范围。并行电阻（RP）表示实际电池发生的较小漏电流，而Rs则表示连接损耗。随着负载电流的增加
6、，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。3显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的I-V特性不同而略有变化，且串联电阻（RS）也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流（ISC），它与都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降
7、为零，这时负载电流为短路电流。典型的太阳能电池特性在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点（MPP）。在一种极端情况下，输出电压为最大值（VOC），但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值（ISC），但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP必须在两种极端情况之间。我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图4）。实践中的问题在于，太阳能电池MPP
8、的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的MPP，不过这些方法通常会比较复杂，特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。不过，在许多低成本系统中，我们并不必强求跟踪系统的精确性。简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的90%左右就可以了。充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近呢？4太阳能电池输出特性动态电源路径管理（DPPM）技术能满足跟踪的设计挑战。5显示了锂离子电池充电应用的电路，可实现太阳能电池板电力的最大化，且我们能用MOSFETQ2来调节电池充电电流、充电电压或系
9、统总线电压。太阳能电池板用作电源，对单节锂离子电池进行充电。太阳能电池板包括一系列硅单元串，每串包括11个硅单元，就好像电流有限的电压源，电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。DPPM能够监控系统总线电压（VOUT）随电流限制电源的下降。系统总线连接的电容（Co）开始放电，一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流，就会使系统总线电压下降。一旦系统总线电压降到预设的DPPM阈值，电池充电控制系统将在阈值位置调节系统总线电压。我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的，从而获得太阳能电池板的最大电力。控制电路设法达到稳定状态条件，使系统获得所需的电力，并用剩余电力给电池充电，这样，我们
10、就能最大化太阳能电池板的电力，并提高系统的可靠性。图中太阳能电池板提供的最大输出电压（VOC）通常在5.5V6.0V之间。由于该电压低于预定义的6V输出调节电压，因此Q1完全打开。如果系统和电池充电器所需的总电流超过太阳能电池根据光照量决定的输出电流，那么太阳能电池板的输出电压将降低，从而减小输出电压（VOUT）。当VOUT降至VDPPM时（也是太阳能电池板的输出电压），充电电流降低。如设置靠近的话，那么太阳能电池板这时将工作在靠近的位置。我们通过对RDPPM进行适当编程，使其达到一定的值，确保保持最小为4.5V，从而实现上述目的。我们之所以使用的值，是因为它合理地对应于太阳能电池板的5用太阳
11、能电池板给一节锂离子电池充电假定上的压降为300mV，那么每个单元上的压降将等于436mV，这将最大化太阳能电池板的功率输出。如果大于4.5V，那么DPPM不起作用，太阳能电池板将远离其不过，只有系统和电池充电器所需的电力小于太阳能电池板的供电量时，才会发生上述情况。这时，效率降低并不会很重要。显示出，输出功率接近时，其曲线比较平坦，随后会急剧下降，因此我们最好将设得略高一些，而不要设得略低，这将尽可能降低因工作电压设置不当而对输出功率产生不良影响。假如即便电池充电电流降至零时，太阳能电池板可用的电力也不足以给系统供电的话，那么Q2将完全打开，VOUT刚好降至电池电压VBAT值以下，且电池可提
12、供太阳能电池板所不能提供的电流。如充电器工作于中时，内部安全定时器会自动扩展。这样，在低光照或无光照等特殊工作条件下，电池充电会非常慢，抑或电池会处于放电模式。我们几乎不可能就所有应用设置适当的充电安全定时器，否则就可能导致安全定时器出错，因此我们可通过禁用安全定时器来解决相关问题。2.1.2单片机部分图6单片机系统2.1.3电路采样部分如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值；其次
13、，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片MAX472（如图7），克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。图7电流电压转换部分2.2软件设计我们采用的太阳能电池板的输出电压是5V，而充电电池的最高输入电压要求不能高于4.2V，为了保护电池起见，我们先把输出的电压从低到高逐渐增加。其中Ua为充电电池两端电压，Ub为太阳能板两端电压。图11主程序流图产生PWM波：可以采用延时的办法，也可以使用定时器，可以根据需要进行选择。2.3技术创新第三节 数据分析
14、3.1参数选择3.1.1 限制电压设置 通过对VOPRG端的连接，设置输出电压。VOPRG悬空，输出为4.1V，VOPRG接地，输出电压为4.2V。3.1.2 恒流充电电流的设置 在IPRG端与GND之间加入电阻RPRG（ 即图3 中R13）,设置RPRG可改变恒流充电电流值ICHG，其大小由式（2）决定。RPRG=VBG（KPRGICHG）（2）其中KPRG=9500，VBG=1.23V。3.1.3 预充电电流的设置和预充电结束电压 VPRE端悬空，预充电电压取默认值2.8V。VPRE通过电阻RPRE接地，改变电阻RPRE值，改变预充电结束电压值。RPRE值由式（3）决定。RV PRE =R
15、PRG（ VPRETHVPRETHdefault） （3）其中VPRETHdefault=2.8 V。默认预充电电流为恒流充电电流的10%，在IPRE和地或参考电压VREF间加入电阻，可设置预充电电流值。IPRE与地之间加入电阻， 预充电电流值较默认值高。接入阻RPRE由式（4）决定。RPRE= VBGIPRECHKPRG- VBGRPRG（4）IPRE与参考电压VREF间加入电阻，预充电电流值较默认值低。接入电阻RPRE由式（5）决定。RPRE=VREF-VBGVBGRPRG-IPRECHKPRE（5）其中VREF=1.8V，KPRE=950,VBG=1.23V。3.1.4 充电结束电流的设
16、置 恒压充电电流逐渐减少到IENDTH时可认为充电结束.IENDTH可通过在IEND端接入电阻REND，与GND 相连。REND的阻值由式（6）决定。IENDTH=VMIN（ KENDREND） （6）其中VMIN为50 mV，KEND为常数1 050。3.2 测试结果 本设计太阳能电池板使用2片5V/250mA单晶超薄硅板，锂电池规格为3.7 V/1200mAh、充电限制电压为4.2V的手机锂电池。考虑手机锂电池充电时间和充电方式，设置预充电电流IPRECH=80mA，预充电结束电压VPRETH=2.8V，恒流充电电流ICHG=480mA，结束电流为IENDTH=15mA，恒压充电电压为4.
17、2 V。设太阳能电池的输出端即SPV1040的输入端电压为VIN, SPV1040的输出端电压为VOUT，充电电压为VBAT，锂电池初始充电电压为2.30V，测试结果如表2所示。可见充电273min后STI灯灭ST2亮，充电结束。本设计对容量为1200mAh的手机锂电池充电，阳光充足，充电时间为4 h ，基本满足对锂电池的充电要求。针对锂电池的太阳能充电器通过SPV1040 内置MPPT算法，将太阳能电池板能量尽量转变为电能（转化效率达95%），经过对L6924D外围电路选择，设置充电参数，实现对锂电池的充电管理和对充电电池的保护。表2 SPV1040 输入输出电压测试输入电压Vin /V输出
18、电压Vout /V充电电压VBAT/V时间T/min充电所处阶段3.393.012.30充电开始4.123.742.5315预充电4.203.872.8830恒流充电4.584.093.35605.625.223.68906.295.863.891205.394.954.171506.175.774.191806.045.64210恒压充电5.715.335.925.554.21273充电结束第4节 项目成果利用51单片机作为控制芯片，与外围电路构成太阳能手机充电器，采用PWM方式进行）控制，可以自动寻找太阳能电池板的最大输出功率点提高了能量的使用率，具有控制灵活、稳定性高的优点。经过两个多月
19、的努力，太阳能充电装置设计论文终于完成在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对太阳能充电装置设计中面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论与实践相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作
20、下一步，这样才能更加有效。结束语在项目的进行过程中，我们组的项目成员都能够积极地投入到项目中去，利用课余时间，到电工电子实验室研究电路方案、设计电路图、收集资料不断学习，一步一步地增加对项目相关知识的认识。项目的顺利完成，使每个成员努力的结果，在研究进行过程中，我们也遇到了很多困难，电路图初期设计不合理、资料缺乏、对项目有关知识的迷茫、电路调试中的错误，这些困难都需要我们一个一个去克服，通过向老师咨询，想学长们请教，我们一步一步，一个模块一个模块地去完成。经过这次课题，我们学到了很多关于太阳能和无线充电的知识，对我们的专业学习和动手能力上都有很大的帮助。通过大家的分工合作，我们深刻的认识到团结
21、就是力量，虽然我们在过程中也有过分歧，有过埋怨，但这也给即将踏入社会的我们上了深刻的一堂课。虽然我们对项目有了初期的完成，但是接下来我们还将继续研究钻研，太阳能延长蓄电时间方面和充电的距离将是我们继续跟进的方向。参考文献 1何立民单片机应用技术选编M北京航空航天大学出版社,19932禹帆.无线通信网络概论.北京：清华大学出版社，2002,5475.4张毅刚MCS51单片机应用设计M 哈尔冰工业大学出版社,19975王幸之单片机应用系统抗干扰技术J 北京航空航天大学出版社,20016陈忠祥基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现J大连理工大学,20068侯海玲，姚年春，无线收发芯片nRF905的
22、原理及其在单片机系统中的应用，仪器仪表用户，2006,87262.9洪维，于洋，基于nRF905的通用无线通信模块的设计，中国新技术新产品，2008,23263.10华成英，童诗白模拟电子技术基础M 高等教育出版社，2006（05）11王敏，秦肖臻自动控制原理M 化学工业出版社，2008（10）12庄晓奇.张莉君.方敏 基于ARM9与移动目标识别算法的安防监控系统设计 J .计算机测量与控制,2010（7）.13詹宝容.庾锡昌 无线智能家居网络系统的设计J .无线通信技术,2010（4）.14华成英.童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.15阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2008. 16谢自美.电子线路设计实验测试M.武汉:华中理工大学出版社，2001.17陈大钦.电子技术基础实验：电子电路实验、设计、仿真M. 北京：高等教育出版社.2000.18李金平.电子系统设计M. 北京：电子工业出版社.2007.19谭浩强.C程序设计M.北京：清华大学出版社，199920龙昭华，王玉桂程序设计基础C语言M重庆：重庆大学出版社，2006.69-8621赵文博.单片机的C语言应用程序M.北京：北京航空航天出版社，2007 .附 录1. 总电路图2通电，实现功能。根据线圈距离远近，灯光强度变换太阳能板
