1、2.6 按键指示电路的设计 62.7 数码管显示电路 72.8 DC/DC 变换电路的实现 83. 汇编源程序的实现 83.1 系统整体程序设计框架 83.2 电路启动与初始化 93.3 按键采集程序 103.4 数码管显示子程序 113.5 数据采集及模数转换程序 113.6 充电子程序的设计 123.7 电源子程序的设计 124. 电路的仿真 134.1 初始化电路 134.2 对电路充电局部的实现 144.3 电路的复位 165. 总结 17参考文献 18附录 1 主电路原理图 19附录 2 汇编源程序 20致 谢 错 误！未定义书签。1.绪论1.1 本课题研究的背景随着人们对化石能源的
2、开采，能够利用的资源越来越少，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，寻找新的洁净的高效的能源，成为了人们迫在眉睫的问题。然而对于地球来说，接收到的太阳能远远大于我们所利用的能量， 这就造成了能源和资源的浪费。 而且，太阳能属于洁净能源，不会产生像化石燃料燃烧所产生的温室气体，更不会对环境造成污染。因此这就成为了各国竞相研究的课题，而且为了提高国际竞争力，对太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。人们出门在外，最大的问题就是 等电子产品电耗完了，但是却没有可以快速直接的供电产品，这该如何解决呢？本文在这一问题的根底上提出了基于单片机的便携式太阳能充电器的设计，通过太阳能的光伏发电原理对太阳能电池进行
3、充电，经过一系列复杂的控制和电压电流的变换，产生出能够为 电池直接充电的电压等级。目前，随着各国的竞相开发与研究，对于太阳能的研究已经到达了一定的高度，但是还存在一些缺乏，例如现在太阳能产品还比较昂贵，还不能普及。相信在未来几十年里这个问题会得以解决，使太阳能资源真正的成为人们所离不开的。1.2 太阳能充电器的优点太阳能相对于其他的能源，是可再生的，取之不尽用之不竭，这就为太阳能充电器提供了源源不断的能量来源，其他能源的话，一个是资源稀缺有限，第二个要花很多钱，而且一年的维护费用比太阳能产品要高出 90%左右，所以在节能、经济、平安方面，太阳能充电器都有它的好处。太阳能充电器与普通的充电器相比
4、有以下几大优点：1.太阳能充电器特别适应于应急场合。出门在外最怕的就是电子设备没有电，而且没有高速快捷的充电设备，而太阳能充电器就克服了这一难题，只要有阳光的地方就能够充电，为人们的生活提供了很大的方便。2.相对于普通充电器来说，它的充电效率高，而且对环境无污染，是一种高效、节能、环保的电子产品，对当前的环境污染严重、能源利用效率低等现状有很大的改善。13.它的造型简单、携带方便，极大的改善了人们快节奏的生活状态。1.3 本课题研究的主要内容本课题所研究的太阳能充电器是通过太阳能电池板，利用“光生伏打效应将太阳能转换为电能，经过输出装置，为负载提供电能。经过直流变换即所谓的斩波环节，将一种直流
5、电，变换为另一种可以控制的直流电， 从而满足充电的要求。 通过单片机的控制环节，经过复杂的控制，生成 PWM 波，控制开关管的关闭与导通，从而实现电路的控制环节。由于对锂电池采用全过程恒流充电的方式容易使电池因为过度充电而减少使用的寿命，所以采用开始恒流快速充电的方式，等到电压上升到设定值时，采用恒压的充电方式这个过程也是通过单片机的控制来实现的。而且系统中设有完备的过电流过电压保护，防止电池因过度充电而损坏。电路中设置有显示环节，通过功能键灵活的选择电路的输出，为不同的电子产品充电。有阳光的地方就能够充电，与传统的充电器相比，更为灵活，通信更为方便 3 。2.太阳能充电器的硬件电路设计2.1
6、 太阳能发电的原理太阳能发电的原理是利用光生伏打效应，首先由太阳能电池吸收光子，当光子到达一定数量之后，就会在体内产生电子 -空穴对，其中电子带负电，光子带正电，由于两者的极性相反，就会被半导体 P-N 结所产生的静电场所别离开，电子和空穴分别流向太阳能电池的正极和负极，从而产生电流，接上负载之后就可以向外电路供电了 2 。2.2 系统的总体设计方案如以下图 2-1 为系统的总体设计框图。DC/DC变换太阳移能按键AT89C51显示动电设池备板ADC0808图 2-1 系统总体设计框图2由于太阳光的变化幅度大而且无规律，所以通过太阳能电池板所获得的电能不稳定，不能直接用来供给给电路，所以需要经
7、过直流变换的环节，即斩波电路将一种直流变换为另一种可调节的直流，从而满足电路的需求。而且大局部充电器大都采用大电流的快速充电法，如果充电时间过长而没有及时拔去充电器，就会造成电池的损伤，从而减短电池的寿命 4 。在本系统中通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由 AT89C51 单片机编程实现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 ADC0808 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 5 。系统中电能的主要来源是太阳能电池板，它是整个系统的主体局部，也是最主要的局部，本文以 、 MP3 等常用小功率用电设备为例， 说
8、明其太阳能充电器的设计过程。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，实测的峰值电压可达 6V ，峰值电流为 100mA ，实测功率为 0.6W 。实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。 本课题中所采用的太阳能电池板经过稳压器输出为5V 的电压。2.3 7905 的应用7905 是典型的三端稳压集成芯片，它不需要太多的外围元件，使用起来很方便，而且还含有过流、过热等保护，提高了系统的稳定性。它的输出电压为 ，最典型的应用是 5V 。它的典型应用电路如图 2-2 所示。图 2-2 7905 的典型应用电路3为防止输入端断开时 C1 向稳压器放电造成不必
9、要的损伤，在稳压器的两端之间跨接一个二极管，从而构成对 7905 的保护作用。一般电容所能承受的最高电压应比电源的输入和输出电压高。电路中 C1 的作用是，减小纹波电压，消除自激振荡，取值范围在 0.1 F1F之间，上图中 C1 选用 0.33 F；电容 C2 主要作用是用于改善负载的瞬态响应，消除电7路高频噪声，一般取 0.1 F左右，上图中 C2 选用的是 0.1 F。2.4 单片机控制单元图 2-3 为单片机的引脚图。图 2-3 单片机引脚图在本系统中单片机控制单元主要功能是控制信号的采集、按键的操作以及连接显示器从而控制显示器的输出， 由于 AT89C51 单片机具有低电压、 高性能的
10、特点， 含有定时器能够控制系统定时采集 PWM 脉冲控制信号、3 个 8 路 I/O 口用来接按键局部以及连接数模转换系统从而将模拟信号转换为数字信号来显示输出，能够满足本系统的控制要求，故本系统的控制单元主要采用 AT89C51 单片机对系统进行控制。在本系统中单片机工作的具体过程是上电复位，查询键盘，根据键盘的输入状态来确定充电器的功能。再继续查询键盘，确定输出的大小或普通电源的输出电压 , 然后转移到相应的子程序计算 PWM 占空比 , 开始输出电流或电压 , 并将数据发送到显示电路。在输出的过程中通过定时器的定时检测， 来判断输出的电流或电压， 与设定值比较后， 调节 PWM 占空比，
11、使输出趋于设定值。在电池充电过程中，通过检测电流的大小来确定电池充电的多少，从而改变充电方式或决定是否继续充电 8 。4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， 而且简化了硬件电路设计，使电路的升级改造变得简单易行。2.5 电流电压的采集及转换ADC0808 是 CMOS 组件，它带有 8 位的 ADC 局部，还有 8 通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，并且可以直接和单片机接口。1ADC0808 的内部结构框图如图 2-4 所示。图 2-4 ADC0808 的内部结构框图由图 4 可知，通过通道地址的锁存和译码将数据传输到模拟通道选择开关 IN0-IN7 从而决定选通哪一路开关，然
12、后送入 A/D 转换局部进行数模转换将结果通过 D0-D7 输出。2ADC0808 的引脚结构如图 2-5 所示。图 2-5 ADC0808 的引脚结构IN0 IN7 为 8 位模拟量输入引脚。5ADD A-ADD C 为模拟通道选择地址信号， ALE 为地址锁存允许输入线， 高电平有效。当 ALE 线为有效值时， A 、B、C 的地址信号被锁存，从而选通对应通道进行模拟量的输入。通道选择表如下表 2-1 所示。表 2-1 CBA 通道选择表C B A选择的通道0 0 0IN01 0 0IN40 0 1IN11 0 1IN50 1 0IN21 1 0IN60 1 1IN31 1 1IN7STA
13、RT 为 A/D 转换启动信号，正脉冲时有效，所有内部存放器清零；负脉冲时进行数模转换；转换的过程应保持为低电平。 EOC 用来判断转换是否完成，高电平为有效值，说明转换已经结束，其他时间为低电平。 OE 用来判断是否允许输出，高电平时输出转换后的信号。本设计中用单片机的 P0 口接收来自 0808 的数据，、依次接在 0808 的A 、B、C 地址线，P2.3 接在 0808 的 ALE 端，P2.4 接 START，P2.5 接 OE 端，P2.6 接 EOC，时钟信号由单片机的 ALE 端经 74HC74 触发器二分频后提供。ADC0808 具体工作过程为：由 、P2.3 输入 3 位地
14、址，并使 P2.3 输出高电平，地址信号被锁存，经过分析选通 1 路模拟输入到比较器。 START 的负脉冲到达时进行数模转换，此时 EOC 为低电平，一直到转换结束为止，将转换的结果存入锁存器，然后向单片机发送中断请求，这时使 P2.5 输出高电平，将结果存入数据总线，单片机读取 P0口然后做下一步处理操作。本设计中对电流的采集主要是用 ACS712 来实现的。 ACS712 是一个线性电流传感器，主要作用是用来检测充电电流，实现电流的跟踪功能，并将所测得的电流传送给单片机电路实现对电路充电局部的控制。2.6 按键指示电路的设计在单片机的应用电路中用的较多按键方式为独立按键和行列式按键。独立
15、按键的工作方式简单，每个按键都单独接到单片机的一个 I/O 口上，通过判断按键端口的电位即可识别按键操作，这样就会占用过多的 I/O 资源，如果一个电路的端口比较多就无法实现。而行列式按键就克服了这一弱点不会占用太多的 I/O 资源但是工作方式比较复杂，在这里就6不赘述了。由于设计中按键不是太多， 故采用独立按键的方法， 以简化对电路编程的设计，图 2-6 为本设计的按键电路。图 2-6 按键电路的设计在本设计中将按键电路接在了 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，、P1.5 为输出功能选择键，按下 P1.4 代
16、表给 电池充电，按下 P1.5 那么做普通直流电源使用。2.7 数码管显示电路本设计采用基于串口的 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 ,再发送新的字形码可以了。这样做的优点是使单片机中 CPU 的开销小 10。图 2-7 所示为数码管显示电路。图 2-7 数码管显示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 AT89C517上。可以选用 74LS164 实现此功能， 需要把 AT89C51 的 RXD 作为数据输出线， TXD作为移位时钟脉冲。第
17、4-6 和 10-13 引脚并行输出端分别接 LED 显示器的各段对应的引脚上。设计采用的是共阳极数码管，数码管的公共极所接电源由 LM7805 提供，并采用三只串联的二极管降压以保证每个数码段的亮度一致。 要显示某字段时， 相应的移位存放器 74LS164 的输出端必须是低电平。2.8 DC/DC 变换电路的实现DC-DC 转换就是转变输入一直流电压后有效输出固定的另一直流电压的电压转换器。直接直流变流电路也称为斩波电路。直流斩波电路种类很多，包括六中根本斩波电路：降压斩波电路 （Buck Chopper、升压斩波电路Boost Chopper、升降压斩波电路Buck-BoostConver
18、ter、Cuk 斩波电路、 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路。它主要用于电池供电的设备，一方面是进行电压转换，提供满足电路要求的电压，并且保持转换的高效，延长电池的使用周期，减小设备的体积等。 11在本电路中所需的能量来源主要由太阳能电池板所提供，其他局部不能提供电能，经过稳压器将太阳能所转换来的电能变换为电路所需要的电压等级，输入局部的电压始终大于输出局部的电压，所以一般采用降压斩波电路。3.汇编源程序的实现3.1 系统整体程序设计框架首先电路启动，初始化电路，设置相关参数和确定充电器工作状态，采集和计算输出PWM 信号，定期收集数据和处理来调整脉宽调制信号的工作周期，系统整体设计
19、框图如图 3-1 所示。8开始系统初始化相关参数设定Y N电池充电充电子程序 电源子程序结束图 3-1 系统整体设计框图3.2 电路启动与初始化初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：1、清片内 RAM ；2、清 0 使之置初始参数设定，便于程序设计人员掌握，以利系统的工作；3、设置系统运行所需的各个参数，进行 A/D 设定、定时器设定和中断设定；124、返回执行充电任务。初始化程序流程图如图 3-2 所示。9清片内 RAM初始参数设定AD设定定时器设定中断设定图 3-2 初始化程序流程图3.3 按键采集程序图 3-3 为按键子程序结构流程图。入口读I/O 口N延时Y处理好
20、存入缓存返回图 3-3 按键子程序结构流程图10按键子程序用于判定系统的功能，并将数据传送给单片机做进一步处理，经过一定时间的延迟将处理好的数据存入缓存， 等待进一步的处理。 读取端口要经过一定时间的延迟，消除按键抖动所造成的误操作。3.4 数码管显示子程序开机时，首先初始化数码管，并在数码管中显示“ 0。然后判断 P1 口是否有键按下，如果没键按下继续判断。显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式 0，再读取显示缓冲区内的即将要显示的数据，通过查表的方式找到对应的字形码，把字形码写入串口存放器 SBUF 中，并通过串口方式 0 发送出去。当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针存放器
21、DPTR 中作为基址，将显示缓冲区内的数据作为偏移量送入变址存放器 A ，执行查表指令“ MOVCA ， A+DPTR ，那么累加器 A 中得到的结果即对应数字的字形码。单片机在以方式0 串行发送数据的时候数据将RXD引脚从低位到高位依次输出，共阳极数码管在单片机内0-9 所对应的字型码分别是：01H，4FH，12H， 06H，4CH，24H， 20H，0FH 00H，04H。133.5 数据采集及模数转换程序数据采集主要是由单片机控制 ADC0808 完成，该方案分为初始化数据，发送开始转换命令，等待转换结束，接收数据，处理数据并存放在缓存中，程序流程如图 3-4 所示。初始化启动转换转换结
22、束处理存储图 3-4 数据采集子程序结构流程图113.6 充电子程序的设计充电过程分为两个阶段，第一阶段恒流充电，充电电流可以被设置，当充电电压到达4 V 进入第二阶段，即 4.2V 的恒定电压充电，恒压充电电流随着时间的推移逐渐减小，当充电电流为减小到 0.1 mA 时表示电池已经充电到 93 ? 95的额定容量，此时电池已经根本充满了，如果继续充电，充电电流会慢慢降低到零，直到电池完全充满。充电子程序流程图如图 3-5 所示。采集电压电流恒流充电电压 4V恒压充电电流充电完成图 3-5 充电子程序流程图3.7 电源子程序的设计电源子程序主要工作过程为采集电压电流，判断是否过电流，如果没有过
23、电流，再进一步对输出电压进行判断，通过与电压的设定值比较来改变占空比。如果不过电流，那么直接关断输出。电源子程序流程图如图 3-6 所示。12N Y过电流小 大输出电压判断 关断输出相等增大占空比 跳过 减小占空比图 3-6 电源子程序流程图4.电路的仿真4.1 初始化电路初始化仿真电路图如图 4-1 所示。图 4-1 初始化电路13在启动源程序后，在仿真时，先对电路进行初始化，主要是为了方便对电路参数的设置，初始化后，显示器显示为 0，此时表示还没有对电路进行充电。4.2 对电路充电局部的实现对电路充电时， 先选择充电的方式， 假设选取 4.2V 的充电方式， 主要是针对 电池进行充电，此时按下 4.2V 的功能键，并按下功能选择键 ENT，如图 4-2 所示。图 4-2 选择功能键选定功能键后，按下“ +键选择对电路的充电电压，如图 4-3 所示。图 4-3 电路充电在按下“ +键后，显示输出电压。如图 4-4、4-5、4-6 所示分别显示输出电压为 3V、4V、5V。14图 4-4 输出电压为 3V图 4-5 输出电压为 4V图 4-6 输出电压为 5V15
