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1、摘 要太阳能相对于其他的能源，是可再生的，永远也用不完，其他能源资源稀缺有限，随着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。 现如今手机是人们的重要的通讯工具，所以由于电池没电造成的干扰就日渐明显，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
2、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，单片机，智能，BUCK变换Multi-purpose solar mobile charger Abstract Solar relative to other energy, is a renewable, never exhaustless, other energy resources are
3、 scarce limited ，Increasing depletion of fossil energy, its 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 prospect
4、s, photovoltaic power generation technology is more and more 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. Nowadays the mobile phone is people important mean
5、s of communication, so due to the interference caused by battery is increasingly apparent, People who use mobile phones have had the experience, go out or travel no electricity when the battery suddenly, and because they can not be found or does not timely 220V electricity and not to c harge their c
6、ell 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 to stabilize the direct current to charge their cell phones and can charge the battery automatically
7、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 clear advantage. Key words: solar energy, battery, single chip, intelligent, BUCK converter1 绪论 1.1 太阳能
8、充电器的研究背景 由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和能源短缺，由于电力、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，全球能源日益紧张和环境的污染越来越严重，人类对新能源的需求迫在眉睫。人类要生存社会要发展，必须加大绿色可再生能源的利用。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。 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、
9、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 太阳能充电器的优点多功能太阳能充电器相对于其他的能源，是可再生的，永远也用不完，其他能源的话，一个是资源稀缺有限，第二个要花很多钱，多功能太阳能充电器的话，是真正不花钱的，一年的维护费用相当于普通能源的10%左右，所以在节能、经济、安
10、全方面，多功能太阳能充电器都有它的好处。 太阳能充电器与常规充电器相比有以下三大优点： 第一：特别适用于应急场合当您在野外作业或旅游,或者遇到停电时,太阳能环保充电器将使您的手机(笔记本)随时随地处于工作状态,让您不间断的与您的朋友和家人保持联系. 第二：太阳能充电器使用绿色能源太阳能，不仅可以环保、节能而且更安全 第三：使用方便无论何时何地,您都可以极为方便的给您的手机(笔记本 )充电。 1.3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。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效
11、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
12、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。 1.4 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，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
13、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 系统总体设计方案图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
14、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，PIC系列单片机时当前应用广泛的单片机系列，PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。本系统将采用PIC16F1937作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
15、将太阳能转换为电能，由单片机编程实现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
16、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 LM2576的介绍 图2 LM2576典型应用电路2.3.1 LM2576的简介嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设计者多习惯采用线性稳压器件(如78xx系列三端稳压器件)作为电压调节和
17、稳压器件来将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”(其值为V压降I负荷)，其工作效 率仅为30%50%。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了MCU的恶劣工况，从而使嵌入式控制系 统的稳定性能变得更差。 而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功 耗极低，其平均工作效率可达70%90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电 源可大大减
18、少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。 LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器（buck）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。这些器件的固定输出电压有3.3V,5V,12V,15V,还有可以调整输出电压的型号。本设计采用型号输出可以调整。 这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外围元件的数目减到最少，使用简便。LM2576的效率比流行的三段线性稳压器要高得多，是理想的替代。一般情况下不需要或只要很小的尺寸的外加散热片。另外，LM2576在指定输入电压和输出负载条件下保证输
19、出电压的4%的误差，还包括外部关断电路和故障保护功能，待机电流只有50uA，效率可达80%以上。 2.3.2电路各部分元器件功能说明 （1） D1：肖特基二极管。肖特基二极管具有开关频率高和正向压降低等优点。放在此处为了防止外部电源正负极接反而造成元器件损坏；同时压降只有0.2V比普通的二极管（0.7V）小得多，提高了电源利用率；减少了额外损耗。（本设计采用太阳能对手机充电，目前太阳能电池的光电转化效率不到10%，所以应该采取一切可能的措施降低系统的功耗）。 （2） C3，C6：为滤波、去耦电容，减少外部干扰和电源杂波。（3） L1，D2，C10：组成BUCK降压电路。 R6，R7：这两个电阻
20、组成分压电路，不同的阻值比确定不同的输出电压。其输出电压U=1.23*(1+R6/R7);此处的R6=15K,R7=5K,其输出电压=1.23*（1+3）=4.92V。 （4） D3，R8：D3是LED指示灯，R8是限流电阻。用来指示电路是否有5V电压输出。 2.4 单片机最小系统部分 图3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
21、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。 PIC16F1937单片机采用了nanoWatt XLP技术的CMOS闪存单片机。其主要的参数如下： （1）工作速度：，振荡器/时钟的输入频率为32M,指令周期为125ns
22、。 （2）最多16K*14字的闪存程序存储器，最多1024字节的数据存储器（RAM），16级深硬件堆栈，直接、间接和相对寻址模式。 （3） 高精度的内部振荡器，出厂时校准为1%，软件可选择频率范围是31K到32M。 （4）具有节能的休眠模式，上电复位，上电延时定时器，欠压复位。 （5）宽工作电压范围：1.8V-5.5V。当供电电压1.8V时，消耗的电流仅7.0uA。 （6）低功耗看门狗定时器电流：当供电电压为1.8V时，消耗电流仅500nA。 （7）独立的可编程引脚电平变化中断引脚，独立的可编程弱上拉。（8）集成的LCD控制器（最多98段）；.电容触摸传感模块（最多16路可选通道）。 （9）支
23、持10位分辨率并且最多14路通道的模数转换器ADC，提供可选择的高精度的1.024V,2.048V,4.096V参考电压源。 （10）提供3个增强型捕捉/比较/PWM模块；硬件上实现了IIC，SPI，USART通信功能。 其中P_download是单片机程序下载口，因为PIC单片机是低电平复位，所以R24，C19起到上电复位功能，S6提供手动复位；C17，C18是滤波去耦电容，保证单片机供电的稳定。 2.5充电电路部分的实现2.5.1 ACS712介绍 Allegro ACS712 可为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。该器件封装便于客户轻松实施。典型应用
24、包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护。该器件具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，且其铜制的电流路径靠近晶片的表面。通过该铜制电流路径施加的电流能够生成可被集成霍尔 IC 感应并转化为成比例电压的磁场。通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件精确度优化。精确的成比例电压由稳定斩波型低偏置 BiCMOS 霍尔 IC 提供，该 IC 出厂时已进行精确度编程。当通过用作电流感测通路的主要铜制电流路径（从引脚 1 和 2，到 3 和 4）的电流不断上升时，器件的输出具有正斜率 (VIOUT(Q)。该传导通路的内电阻通常是 m，具有较低的功率损耗。铜线的粗细允许器件在可达 5 的过电流
25、条件下运行。传导通路的接线端与传感器引脚（引脚 5 到 8）之间电气绝缘。这让 ACS712 电流传感器 IC 可用于那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其它昂贵绝缘技术的应用。ACS712 采用小型的表面安装 SOIC8 封装。引脚架镀采用 100% 雾锡电镀，可与标准无铅 (Pb) 印刷电路板装配流程兼容。在内部，该器件为无铅产品，倒装法使用当前豁免于 RoHS 的高温含铅焊球除外。器件在出厂装运电容的过充。电阻R20，R21分压用来采样超级电容的电压。 5. Q3，R23，Q4，R22，D7，L2，C20：构成BUCK斩波降压电路。其等效电路如图： 图6 DC/DC变换器广泛应用于便携装
26、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。（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
27、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，控制开关管的通断。 2.6电压跟随器部分 LM224是低功耗四运算放大器,内部集成了4个运算放大器，该器件具有功耗低、精度高等优点。每个部分的 电阻和2个电容组成型RC滤波电路，消除纹波干扰。在该电路中，电压跟随器作用是做缓冲级(buffer)及隔离级。为了降低损耗，电压采样电阻阻抗设得比较高，而单片机I
28、/O的阻抗又不是那么大，所以信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即前、后级电路之间互不影响；从而保证了电压采样的精确度。2.7液晶模块接口部分该液晶显示模块是JM12864M-2汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及
29、64X256点阵显示RAM（GDRAM）。 主要技术参数和显示特性: 电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)； 显示内容：128列 64行 显示颜色：黄绿 LCD类型：STN 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行 配置LED背光 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等 工作电压(VDD)：4.55.5V 工作温度(Ta)：-10 60(常温) / -2070（宽温） 其读写时序如图所示。 12864读写时序 其中，可调节电位器R3来调节液晶显示的对比度。2.8 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
30、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。 其功能是用来设置充电的相关参数：如预充电电
31、流大小，正常充电电流大小，浮充电流大小和充电截止电压等等。 3 汇编源程序的设计实现3.1 系统整体程序框架本设计整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择，输出选择并确定输出，单片机采集计算输出PWM信号，定时采集数据并处理调节PWM信号占空比等，程序整体框架如图10所示。 图10 程序整体框3.2 电路启动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：清片内，每次单片机加电时，都将引起单片机的上电复位操作。复位操作完成以后，单片机的寄存器会被置以不同的值，这些值中有相当一部分是未知的值。这些未知的值在单片机复位完成，正式运行以后，会产生
32、无法让程序设计人员掌握的后果，甚至会造成系统的损坏。因此，在单片机运行后，首先清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。设置系统运行所需的各个参数，设置定时器和中断设定。图9为初始化程序流程。3.3 按键采集程序键盘子程序用于探测开关、是否处在有效的开关状态，以决定是否启动系统运转。读线、读取、相连的端口，并将其值判断处理后存于相关缓存中。其中读取端口后要做一定的延时以排除键抖引起的误动作。图10为按键子程序结构流程图。图10 按键子程序结构流程图 3.4 数码管显示子程序开机时，初始化数码管，通过串口将“0”的字形码输出使数码管显示“O”。然后判断P1口是否有键按下，如果
33、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数据(显示缓冲区主要是用来存放即将要显示的数据)，然后通过查表的方式找到对应的字形码，最后把字形码写入串口寄存器SBUF通过串口方式0发送出去。当8个时钟脉冲后，字形码都移至74Ls164的Q0-Q7，数码管就显示相应按键的编码。 显示子程序是怎么将显示缓冲区中的数据变成相应的字形码呢?具体的方法是将每个数字的字形码以16进制数从小到大的次序依次存放在存储器中的固定区域中，构成显示代码表。当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针寄存器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寄存器A，执
34、行查表指令“MOVCA，A+DPTR”，则累加器A中得到的结果即表格中取出的对应数字的字形码。 对于电路中的74LS164共阴极数码管数据位和字形的对应关系如下表。 由于单片机在以方式0串行发送数据的时候数据从RXD引脚从低位到高位依次输出，而最先输出的数据经过74LS164串转并后到达Q7，也就是说单片机内的DO通过串口发送并经过74LS164后到达74LS164的Q7脚即数码管的A脚，因此在单片机内字型码与74LS164所对应的字型码正好相反，所以共阳极数码管在单片机内O-9所对应的字型码分别是： 01H，4FH，12H，06H，4CH，24H，20H，0FH00H，04H。 3.5 数据
35、采集及模数转换程序数据采集主要由单片机控制ADC0809完成，程序分为数据初始化，发送启动转换命令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存，程序流程如图11所示。图11 数据采集子程序结构流程图3.6 充电子程序的设计充电过程分两阶段进行，第一阶段为恒流充电，充电电流可设定，当充电电压达到4V时转入第二阶段，即4.2V的恒压充电方式，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到0.1mA时，表明电池已充到额定容量的93%95%，此时即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满4。充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭，通过按键设置可控制充电时间。充电子程序流程图如图12所示。图12 充电子程序结构流程图3.7 电源子程序的设计本太阳能手机充电器与传统充电器相比，最大的优点就是不仅能直接给电池充电，还能作为普通的直流电源使用，其中的5V直流输出也可以直接给手机充电，或作为MP3等其他小电子设备的供电电源。其输出电压0到5V可调，数字显示，并有完善的过流保护功能，从而确保电子产品的安全使用。充电子程序流程图如图13所示。 图13 电源子程序结构流程图附录2 汇编源程序