1、单片机；便携式Portable Solar Charger based on MicrocontrollerAbstractFrom 16 to 20 century, with the rise of industrial revolution and continuous development of science and technology, people demand a large quantity of fossil energy with increasing speed. At the same time, the burning of fossil energy has
2、caused irreparable damage to the environment. As a renewable energy, solar energy enjoys broad application prospect. Solar power is attractive, because it supplies power for portable devices. When we go out or travel, we are often bothered by the failing power of cellphone. And we cant find places t
3、o charge in time, which affects the normal use of mobile phone. In order to solve this problem, this thesis will introduce a type of portable solar mobile charger, using single-chip microcomputer so that the charge and discharge of mobile devices can be freely and intelligently controlled. Compared
4、with the conventional charger, solar energy charger will definitly have a long-term development for its portable type.Key words: energy;solar energy;battery;intelligent;portable目录1. 绪论11.1 太阳能充电器的研究背景11.2 太阳能充电器的优点11.3 本课题研究的主要内容22. 硬件设计32.1 总体方案的设计32.2 太阳能光伏发电系统简介42.3 太阳能电池参数及选用标准42.4 51系列单片机处理器52.
5、5 稳压器件的选择62.6 电压电流的A/D采集72.7 ACS712的选用92.8 按键电路的选择及设计102.9 数码管显示电路的设计113. 软件设计133.1 系统整体程序框架133.2 电路初始化程序133.3 键盘子程序133.4 数码管显示子程序143.5 数据采集及模数转换程序153.6 充电子程序的设计153.7 电源子程序的设计16参考文献18结束语19致谢20附录一： 主电路图21附录二： 汇编源程序221. 绪论1.1 太阳能充电器的研究背景人口的增长与能源的短缺之间的矛盾一直都是现代社会面临的难题，在一些发展中国家尤为突出，当然，对于我们中国这个人口最多的发展中国家尤
6、为突出。一些能源专家认为，在众多可再生能源中，太阳能不但取之不尽，而且清洁安全，是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富，而且国家近年来在太阳能的研利用上投入了较多的精力，在未来的几十年里，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。 太阳能的利用主要有两大方向，一是把太阳能转化为热能，另一个就是将太阳能转化为电能，其中重点是后者。理论上，只要需要电源的场合都可以用得到光伏发电技术，大到航天器，小到玩具。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为新疆西藏等一些无电地区生活生产提供电力；二是日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯等；三是并网发电。专家预测，到本世纪后期，太阳能
7、发电将在世界电能结构中占据80%的位置。一段时间以来，太阳能一直被广泛地用于高新科技产业。然而随着光伏发电技术的成熟，太阳能的利用已经走进了千家万户。近段时间，人们正考虑把太阳能用于范围更宽广的消费电子应用。太阳能充电器便应运而生了。1.2 太阳能充电器的优点便携式太阳能充电器相对于其他的能源，在便利性、节能、智能、安全方面，太阳能充电器与常规充电器相比，有以下优点：（1）、适用于各种户外场合。当您在户外作业、旅游时,只需要把便携式太阳能充电器放置在一个有阳光的地方，即可以为手机等移动设备提供电源，从而保证与外界的信息畅通，是喜爱旅游、经常出差、野外作业的人士的不二选择；（2）、能源的供应来自
8、太阳能。不仅以绿色能源作为供应源，而且光伏发电设备极为精炼，可靠稳定，安装维护简便；（3）、拥有单片机充分的智能性。不仅具有完善的电压电流检测保护电路，并通过显示电路显示出电路状态，而且可以通过六个功能键灵活的选择电路的电压电流输出，可以为不同的电子产品提供电源；（4）、使用方便。无论何时何地,您都可以极为方便的对您的移动设备进行充电。当然，在太阳能充电器的能源采集的利用也存在分散、不稳定、效率低以及成本高的不利条件，但是，随着科技的发展以及人们理念问题的变化，太阳能的完美发展将呈现在我们面前。1.3 本课题研究的主要内容便携式太阳能充电器在阳光下，通过光能转换为电能并通过控制电路把光能产生的
9、电能对移动电子产品进行充电。本毕业设计所研究的便携式太阳能充电器工作原理为：首先将太阳能转化为电能，之后经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。作为安全性的电池，目前聚合物锂电池的充电方式一般为恒流恒压充电：首先以稳定电流充电，当电池电压升高至一定值时，电路状态改为稳定电压充电，之后电流逐渐降低至零，充电完成。利用单片机进行智能控制，采用模块式结构以及USB接口，通过对输出电流电压的调节，可对手机等电子产品进行充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。2. 硬件设计2.1 总体方案的设计考虑整体因素，一方面太阳光因时间问题参数变化较大，另一方面太阳能电池在使用时内阻高，导致输出电压不
10、稳定和输出电流较小等问题。因此，需要一个能起到稳定电压电流的元件作为充电电路的中介7805。如今的电子产品的研发和生产已经进入了智能化时代，理所当然的，本设计的便携式移动太阳能充电器也要做到智能化。本设计中将采用AT89C51单片机做为充电电路的控制器，从而实现充电过程的智能化。并由ADC0809实现数据的采集及转换，由AT89C51单片机进行处理，实现电路的智能输出与控制。而且，在电路中加入按键以及显示电路，将电路的整体性能提升到一个较高的等级。图2-1为系统设计总体方案示意图。ADC0809DC/DC变换显示按键89C51太阳能电池板移动设备电池7805稳压中介图2-1 系统设计总体方案示
11、意图2.2 太阳能光伏发电系统简介太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的发电形式。在太阳的光照下，单元太阳能电池组件能产生一定的电动势，通过单元组件的串并联构成太阳能电池方阵，以达到系统输入电压的要求。通过智能控制器对移动设备进行直接充电或者对蓄电池进行充电以备不时之需。目前，太阳能光伏发电技术的应用已从军事、航天等高新科技领域走进平民百姓的视野。而且在西藏等地区对于电能的传输较内地更为麻烦，对于太阳能的采集有更高的优势，因此能够得到更好的应用。从长远的目光来看，随着太阳能电池制造技术的发展以及光伏发电装置性能的不断完善，必将为人类大规模地利用太阳能提供广阔的市场，太阳能的利用也一定会占据越
12、来越重要的地位。2.3 太阳能电池参数及选用标准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） 无机盐多元化合物为材料的太阳能电池，如砷化镓III-V，硫化镉，铜铟硒等；（3） 功能高分子材料（有机半导体）太阳能阳能电池；（4） 纳米晶太阳能电池。在此设计中，我们采用的是硅太阳能电池。表2-1为硅太阳能电池分类与简介：表2-1 硅太阳能电池分类与简介电池类型实验室转换效率生产转换效率性能单晶硅太阳能电池24.7%15%效率高于非晶硅薄膜电池多晶硅薄膜太阳能电池18%10%非晶硅薄膜太阳能电池8%成本低重量轻，稳定性不高，转换效率较高太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，其
13、功能是将太阳光的能量转化为电能以满足人们的各项要求。该设计采用模块组合，将太阳能板进行串、并联以达到具有一定要求的输出电流和输出电压的一组光伏电池。考虑市面上各种移动设备的需求不等，采用八块相同参数太阳能电池板进行串、并联，所选用的太阳能电池板技术参数指标如表2-2所示：表2-2 太阳能电池板技术参数指标项目参数实测max尺寸120mm45mm峰值电压6V10.8V峰值电流100mA450mA标称功率0.6W5W实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。2.4 51系列单片机处理器51系列单片机作为当今使用最为广泛的处理器具有明显的优势，综合各方面因素，本设计采用采用51系列单片机AT89C
14、51。图2-2为AT89C51的引脚排列图。图2-2 单片机引脚排列本设计中单片机的主要任务是通过计算，对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。因此所要做的工作有两个，一是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流，二是将采集到的数据经过分析处理后，生成PWM脉宽调制信号并与预设置的信号进行对比，以此控制开关管的导通与关断用来调节脉宽的增大获减小，从而实现智能控制输出电压以及电流的大小。单片机最大的好处是可以重复使用以及修改电路工作状态方便，而且简化了硬件电路设计。2.5 稳压器件的选择在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，性能稳定，使用方便
15、等优点，因而得到广泛应用。由于本电路设计需要5V的输出电压，故选择三端稳压器7805.7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供5V的直流输出电压，内置电源保护电路。当使用外围器件时，可以提供不同的输出电压和电流。图2-3 三端稳压集成电路7805的引脚及封装图单片机电源电路的设计以三端集成稳压器7805为核心，属于串联稳压电路，图2-3是三端稳压集成电路7805的引脚及封装图。7805具有输入电压范围宽、工作电流大、输出精度高、工作及其稳定以及外围电路简单等特点，即使太阳能电池电压有较大的波动，也能稳定的输出5V电压，从而为整个电路的正常运行提供了保障。2.6 电压电流
16、的A/D采集 电路中设计了多功能电压电流输出，并且配带显示器，故应在电路中加入数模转换元件。一方面需要对数据采集以调节合适的输出电压和电流，另一方面进行完整的电压电流输出显示。ADC0809是一个比较具有代表性的数模转换元件，在现实生活生产中使用较为广泛。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。由于在Proteus中ADC0809没有仿真模块，故不能使用ADC0809进行仿真，所以一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，但在实际工业生产时采用ADC0809进行A/D转换。故在此设计中选择ADC0808进行仿真。图2-4为ADC0808的引脚图。 图2-4 ADC080
17、8的引脚结构ADC0808各脚功能如下：IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。GND：地。VREF（+）：参考电压正端。VREF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。EOC：转换结束信号输出引脚OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。A、B、C：地址输入线。通道选择表如下表所示。表2-3 通道选择表CBA选择的通道IN01IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7在设计中，START和EOC两个信号的作用是启动A/D转换。ADC0808转换完成的数据发送至AT89C51的P2口，然后由AT89C51进行处理以
18、便电路的各项参数进行调节。2.7 ACS712的选用在大多数的电子产品电路中，直交流的电流精准测量一直是个难题，为此各类测量元件蜂拥而出。设计初期，本人选择的是MAX471测量元件，由于在使用的仿真软件Proteus中没有元件模板，而且进行封装的话，各项参数不好设置，故使用另外一个测量元件ACS712，而且ACS712可以为大多数情况下的直交流测量提供一个很好的解决方案。图2-5为ACS712的引脚图。图2-5 ACS712引脚图如图2-5为ACS712引脚图，ACS712具有以下优点：（1） 、封装轻便，在各种电路上使用方便。可以应用在电动机控制等电路上；（2） 、具有精确的低偏置线性霍尔传
19、感器电路，在电路的应用中便于控制盒检测；（3） 、具有较低的功率损耗（内电阻一般情况下为1.2m）；（4） 、接线端与传感器引脚之间电气绝缘。适用于一些对电气绝缘要求较高的设备。在本设计中，使用ACS712来检测充电电流，通过D/C转换通道精确测出充电电流，完成预充电到正常充电再到浮充的全自动智能充电过程。2.8 按键电路的选择及设计由于本电路设计实现功能较多，故在电路中加入了六个按键，分别实现电路的输出功能选择键（为移动设备充电和作为直流电源）、数字加减键、确定键和过电流保护指示灯功能，在本电路中，将按键接在P1口。图2-6 按键接线图在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：（1） 、独立按
20、键：每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上；（2） 、矩阵编码键盘：通过行列交叉按键编码进行识别。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度，图2-6为本设计的按键接线图。由P0口的硬件构成可知，如果P0口做输出的话则需要接上拉电阻，之后再与按键连接起来。在实际工作中还需考虑按键的抖动问题，所以在电路的软件编程中按键部分必须加入延时程序以保证电路的准确性。2.9 数码管显示电路的设计综合各种因素，本设计采用LED数码管静态显示电路,每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形代码发送到接口电路，直到有新的数据要显示时,再发送新的字形
21、码可以了。这样可以是cpu的负荷减少到最小。图2-7 数码管驱动电路在实际电路需要一个中介作为LED显示器的静态显示接口以便连接在AT89C51上。在经过考虑之后，可以选用74HC164实现此功能。图2-7为数码管驱动电路。数码管在单片机内0-9所对应的字型码分别是：01H，4FH，12H，06H，4CH，24H，20H，0FH，00H，04H。3. 软件设计3.1 系统整体程序框架设计电路整体工作主要由单片机程序控制实现。其工作过程为：电路初始化，输出功能选择，选择确定输出电流电压，为移动设备充电直至完成，程序整体框架如图3-1所示。图3-1 程序整体框架流程3.2 电路初始化程序初始化是每
22、个具有单片机电路开始工作的必需的工作，主要完成以下工作：（1） 、清片内ram，进行上电复位操作；（2） 、置初始参数设定，以利系统的工作；（3） 、设置系统运行所需的各个参数；（4） 、返回执行充电任务。3.3 键盘子程序键盘子程序主要作用是检测开关是否处在有效的开关状态，而且在确定程序运行后判断应执行那个充电状态。通常所用的按键为轻触机械开关，因机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，一般为5ms20ms，所以读取端口后要做一定的延时以排除键抖引起的误动作。图3-2为按键子程序结构流程图。图3-2 按键子程序结构流程图3.4 数码管显示子程序开机时，需要先进行初始化数码管。如图3-
23、3为数码管显示子程序。图3-3 数码管显示子程序结构流程图当要显示某字符时，片内工作为：把首先把起始地址送入DPTR中作为基址，然后将缓冲区内的数据作为偏移量送入变址寄存器A，执行查表指令“MOVCA，A+DPTR”，则累加器A中得到的结果即对应数字的字形码。3.5 数据采集及模数转换程序数据采集及数模的转换主要ADC0808完成，然后传递给AT89C51进行数据的处理后产生预期的效果。程序流程如图3-4所示。图3-4 数据采集子程序结构流程图3.6 充电子程序的设计如今的电子产品电池规格不一，但是大多数都是采用锂离子聚合物电池作为新一代安全性电池。这种设备都是采用恒压恒流充电，首先是恒流充电
24、，当充电电压达到4.2V时转入第二阶段，即恒压充电方式，此时充电电流逐渐降低到零，则表示电池完全充满。充电子程序流程图如图3-5所示。图3-5 充电子程序结构流程图3.7 电源子程序的设计本设计的便携式太阳能充电器与传统充电器相比较，具有完善的过电流智能保护，而且可以选择输出为充电电源还是直流电源。充电子程序流程图如图3-6所示。图3-6 电源子程序结构流程图参考文献1 蒋鸿飞，胡淑婷. 绿色能源太阳能充电器J. 上海应用技术学院学报（自然科学版），2007年2月.2 谭浩强. C语言程序设计M. 清华大学出版社，2005年7月.3 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京航空航天大学出版社，
25、2005年5月.4 张元敏，王红玲. 电子技术导论. 西南交通大学出版社，2008年9月. 5 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础. 北京：高等教育出版社， 2006年.6 张红梅，尹云华. 太阳能电池的研究现状与发展趋势J. 水电能源科学，2008年.7 滨川圭弘. 太阳能光伏电池及其应用M. 科学出版社， 2008年.8 沈德金等. 接口电路与实用程序实例M.北京大学出版社, 2003年.9 陈杰，黄鸿. 传感器与检测技术. 高等教育出版社，2002年8月.10 鞠振河. 太阳能光伏照明系统技术分析与应用.中国建设动态：阳光能源，2009年 第2期 11 徐大诚，邹丽新，丁建强. 微型计算
26、机控制技术及应用M.高等教育出版社，2003年12 王兆安，刘进军. 电力电子技术. 机械工业出版社，2009年.13 周林，武剑，栗秋华等. 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述J. 高电压技术， 2008年.结束语忙碌了两个月，我的毕业设计课题也终将告一段落。点击运行，也基本达到预期的效果。但由于能力和时间的关系，也还是有很多不尽人意的地方，比如功能不全、底层代码的不合理等。本设计的基于单片机的便携式太阳能充电器大部分原材料来自于书籍和网络，通过自己的整理和改善而成。大体上分为硬件和软件两个部分，但也有自己的创新的地方，例如流程图的绘制、将一些已经过时的元器件更换为更加现代化的替代产品以及源
27、代码的编程改动等等。另外，在整个设计过程中，我觉得可以从以下几个方面改进，一是采用液晶显示器，可以是实物整体体现出更加人性化的体验，但在总的价格方面将会有所增加，二是PWM产生可以由独立芯片完成，不仅减轻单片机的负担，而且可以提高电路输出精度。从发展前景上看，太阳能的使用在未来的发展必将成为人们所公认的主要能源。此次毕业设计使我学到了很多东西：做毕业设计是一个不断学习的过程，从最初刚做设计时对单片机设计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，大学四年的学习基本上都是以理论为主了，而实践的机会却少之又少，通过这次的做，真正做理论与实践相结合的重要性。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，只要有信心、有毅力、再加上正确的方法，就一定可以完成。致谢在毕业设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到毕业设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!葛
