【正文】 到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓充電的方式，并且這樣有利于保存電池容量。充電過程中采用 LED 燈、數(shù)碼管指示，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有完備的過流過壓保護(hù)，避免因電池過度充電而損壞，并且充電器采用模塊式結(jié)構(gòu)和 USB 接口，可對(duì)手機(jī)、 MP攝像機(jī)等 多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。 文中介紹設(shè)計(jì)的太陽能手機(jī)充電器，與普通的手機(jī)充電器相比，它的的特殊之處除了能源的供應(yīng)來自太陽能電池板外，充分利用單片機(jī)的智能性，設(shè)有完備的電壓電流檢測保護(hù)電路，并通過顯示電路顯示電路狀態(tài)，通過功能鍵可以靈活的選擇電路輸出，為不同的電子產(chǎn)品提供電源。把太陽能電池板放在一個(gè)有陽光的地方，即可以為手機(jī)提供一個(gè)方便的太陽能充電點(diǎn)。這種 便捷的太陽能充電器幾乎可以在任何地方補(bǔ)充電力，從而獲得通信的自由 。 本課題研究的主要任務(wù) 結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和任務(wù)要求，我設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的多功 用太陽能手機(jī)充電器，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有： 硬件設(shè)計(jì)：電源模塊設(shè)計(jì)，電源控制模塊設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)，顯示電路模塊設(shè)計(jì)，太陽能手機(jī)充電器電路原理圖設(shè)計(jì)。 福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 軟件設(shè)計(jì)：數(shù)碼顯示程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)，充電子程序設(shè)計(jì)，電源子程序設(shè)計(jì)。 第 2 章 太陽能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì) 本章主要介紹太陽能手機(jī)充電器的硬件設(shè)計(jì)方案，根據(jù)太陽光的變化較大，輸出電流不穩(wěn)定這一特點(diǎn)，在電路中加入 LM7805 保證輸出電流的穩(wěn)定；由單片機(jī)控制按鍵，自由選擇模式，以及充電時(shí)間；考慮到過分充電會(huì)損壞電池，因此加 入 ADC0809 和單片機(jī)的控制，返回手機(jī)電流情況，來控制降低電流的輸入和停止充電。 系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì)方案 太 陽 能 電 池 板 STC89C51 DC/DC 變換 顯示電路 手 機(jī) 電 池 ADC0809 按 鍵 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 5 圖 21 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 太陽能電池在使用時(shí)由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流較小，這就需要用充電控制電路將電池板輸出的直流電壓變換后供給電池充電。當(dāng)光線條件適宜時(shí)，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)換為電能。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命 [4]。這就需要一個(gè)復(fù)雜 的控制系統(tǒng)， 51 系列單片機(jī)時(shí)當(dāng)前使用最為廣泛的 8 位單片機(jī)系列，其豐富的開發(fā)資源和較低的開發(fā)成本，是 51 系列單片機(jī)現(xiàn)在以至將來都會(huì)有強(qiáng)大的生命力。本系統(tǒng)將采用 89C51 做為充電電路的控制器，從而以較低的成本輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的充電智能控制，同時(shí)也可以為其他小型電子產(chǎn)品提供潔凈的直流電源。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖 21 所示，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn) PWM 波控制開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的改變，通過顯示電路顯示輸出狀態(tài)及大小，由 ADC0809 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換并傳給單片機(jī)做判斷處理，從而實(shí)現(xiàn) 電路的智能輸出與控制。 太陽能電池板的選用 太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，是該充電器的核心部分，其功能是將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能， 如今的便攜式數(shù)碼設(shè)備種類較多，所需電壓電流不等，對(duì)于輸入功率較大的設(shè)備，必須采用面積較大的電池板，而這又給攜帶帶來不便 [5]。因此該設(shè)計(jì)采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負(fù)載的福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 需要，將太陽能板進(jìn)行組合以達(dá)到具有一定要求的輸出功率和輸出電壓的一組光伏電池。本文以手機(jī)、 MP3 等常用小功率用電設(shè)備為例，說明其太陽能充電器的設(shè)計(jì)過程。所選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下 ： 尺寸40mm 20mm 3mm， 峰值電壓 ，峰值電流 60mA，如圖 22 所示。 圖 22 太陽能電池板 考慮被充電池的電流不同所需充電時(shí)間不等，本設(shè)計(jì)采用十四塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串、并聯(lián)，如圖 23。 圖 23 串聯(lián)后的太陽能電池板 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 7 理想此串聯(lián)后的電池板的輸出電壓最大值為 ,電流最大可達(dá) 120mA，總標(biāo)稱功率為 左右 ,但由于忽略了實(shí)際狀況下，十四塊太陽能電池板串聯(lián)后的電壓并不能輸出 的電壓，實(shí)際測出的電壓只有 左右，所以若想達(dá)到理 想電壓和 LM7805 最大承受電流，則需要此型號(hào)的電池板 49 塊，且在太陽光強(qiáng)度最佳的時(shí)候，可達(dá)到理想值，而充電時(shí)的實(shí)際輸出可根據(jù)不同的被充電對(duì)象進(jìn)行平滑調(diào)整。 LM7805 應(yīng)用 圖 24 LM7805 典型應(yīng)用電路 LM7805 有三個(gè)引腳， 1 腳接輸入電壓， 2 腳接地， 3 腳接輸出。 功能：輸出穩(wěn)定電壓 5V，輸出電流接近 1A。 用途：可以為需要提供 5V 直流電源的電路提供穩(wěn)定工作電壓。 LM7805 為三端系列穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，輸出電壓 5V，福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流、過熱和 過載保護(hù)電路，帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A，雖然是固定的穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電路 [5]。 主要特點(diǎn)： ? 輸出電路可達(dá) 1A ? 輸出電壓有： 5V ? 過熱保護(hù) ? 短路保護(hù) ? 輸出晶體管 SOA 保護(hù) 單片機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)以三端集成穩(wěn)壓器 LM7805 為核心，它屬于串聯(lián)穩(wěn)壓電路，其工作原理與分立元件的串聯(lián)穩(wěn)壓電源相同。圖 24 是三端穩(wěn)壓集成電路 LM7805 的典型應(yīng)用電路，三端集成穩(wěn)壓器設(shè)置的啟動(dòng)電路，在穩(wěn)壓電源啟動(dòng)后處于正常狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)電路與穩(wěn)壓電源內(nèi)部其他電路脫離聯(lián)系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準(zhǔn)電路和 恒流源電路，保持輸出電壓的穩(wěn)定。電路中 Ci 的作用是消除輸入連線較長時(shí)其電感效應(yīng)引起的自激振蕩，減小紋波電壓，取值范圍在 ～ 1μF 之間，本文 Ci 選用 ；在輸出端接電容 Co 是用于消除電路高頻噪聲，改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取 左右，本文 Co 即選用 。一般電容的耐壓應(yīng)高于電源的輸入電壓和輸出電壓。另外，為避免輸入端斷開時(shí) Co 從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電，造成穩(wěn)壓器的損壞，在穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個(gè)二極管，對(duì) LM7805 起保護(hù)作用 [6]。 LM7805 輸入電壓為 8V 到 36V， 最大工作電流 ，具有輸入電壓范圍寬，工作電流大，輸出精度高且工作及其穩(wěn)定，外圍電路簡單等特點(diǎn) ，太陽能電池電壓即使有較大的波動(dòng)，也能穩(wěn)定的輸出 5V 電壓，從而是單片機(jī)等控制電路正常工作，且成本低。 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 9 單片機(jī) 電路 本系統(tǒng)單片機(jī)主要完成的任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷 ，從而控制輸出大小 [7]。具體工作過程是上電復(fù)位，首先查詢鍵盤 ，確定充電器功能，確定后繼續(xù)查詢鍵盤以確定輸出電流大小，或作為普通電源的輸出電壓，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計(jì) 算 PWM 占空比，開始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過程中通過 單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測輸出電流或電壓 ，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié) PWM 占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過程中，通過檢測電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電。 通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了充電過程的智能控制，而且大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)良好的可重用性，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需簡單的修改程序即可實(shí)現(xiàn)，從而使電路的升級(jí)改造 變得簡單易行。 51 系列單片機(jī)不僅是國內(nèi)用得最多的單片機(jī)之一，同時(shí)也是最適合上 手學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的一款單片機(jī)。 本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的主要任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而控制輸出大小。 按鍵指示電路及實(shí)現(xiàn) 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式： 獨(dú)立按鍵； 矩陣編碼鍵盤。獨(dú)立按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個(gè) I/O 口上，獨(dú)立按鍵則通過判斷按鍵端口的電位即可識(shí)別按鍵操作；而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識(shí)別。 通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是斷開的，當(dāng)我們按壓按鈕時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的 彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動(dòng)作決定，一般為 5ms～ 20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長短是由操作人員的按鍵按壓時(shí)間長短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。 在本設(shè)計(jì)中由于按鍵不是太多，故采用獨(dú)立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖 25 為本設(shè)計(jì)的按鍵接線圖。 圖 25 按鍵接線圖 對(duì)電路總體考慮后，將 ADC0809 采集電路接在了單片機(jī)的 P0 口，并用 P2口做采集控制，這樣 P0 口僅用接收數(shù)據(jù)，不用發(fā)送數(shù)據(jù)，有 P0 口的硬件構(gòu)成知道，其做輸出的話需接上拉電阻，做輸入的不用接，這樣整體上減少了電路的硬件開支，而 P3 口要做串口傳輸?shù)裙ぷ?，所以在本電路中將按鍵接在P1 口 [8]。 其中 是數(shù)字減鍵， 為數(shù)字加鍵， 鍵位確定鍵， 為過電流 保護(hù)指示燈， 、 為輸出功能選擇鍵，按下 代表給手機(jī)電池充電，按下 則做普通直流電源使用，其中 5V 輸出可直接用 USB 連基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 11 接線給手機(jī)充電，電池充電控制則有手機(jī)提供。 數(shù)碼管顯示電路 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)串行 I／ O 端口，通過引腳 RXD 和 TXD 可與外部電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由 TXD 端送出，接收時(shí)數(shù)據(jù)由RXD 端輸入 [9]。串口有四種工作方式，通過編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式以滿足不同的場合。其中，方式 0 是 8 位移位寄存器輸入／輸出方式，多用與外接移位寄存器以擴(kuò)展 I／ O 端口。串口的工作方式可以參看相關(guān)的書籍，此處不做詳細(xì)介紹。方式 0 的輸出是 8 位串行數(shù)據(jù)，通過移位寄存器可將 8位串行數(shù)據(jù)變成 8 位并行數(shù)據(jù)輸出，也可以將外部的 8 位并行數(shù)據(jù)變成 8 位串行數(shù)據(jù)輸入。因此外接一個(gè)移 位寄存器就可擴(kuò)展一個(gè) 8 位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴(kuò)展幾個(gè)并口就需要在外部級(jí)連幾個(gè)移位寄存器。 本設(shè)計(jì)采用 基于串口的 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路 ， 在串口擴(kuò)展中最常用的就是基于串口的 LED 數(shù)碼管顯示電路。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中， LED 數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I／ O 接口用于筆劃段字形代碼 [10]。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí) ,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的 I／ O 接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器 74LS164，擴(kuò)展并行的 I／ O 口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在 74LS164 的輸出腳上，單片機(jī)通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至 74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。 福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 圖 26 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng) 電路 單片機(jī) AT89C51 的串口外接 1 片 74LS164 作為 LED 顯示器的靜態(tài)顯示接口，把 AT89C2051 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線， TXD 作為移位時(shí)鐘脈沖。 Q0Q7(第3— 6 和 10— 13 引腳 )并行輸出端分別接 LED顯示器的 DPA 各段對(duì)應(yīng)的引腳上。 本設(shè)計(jì) 采用的是共 陽 極數(shù)碼管，因而各數(shù)碼管的公共極接電源 VCC， 本電路有 LM7805 提供 ，并采用三只串聯(lián)的二極管降壓，而非電阻降壓，這樣保證個(gè)數(shù)碼段的亮度一致 。 要顯示某字段則相應(yīng)的移位寄存器 74LS164 的輸出線必須是低電平。 當(dāng)有 按鍵 按下時(shí) ， 有單片機(jī)處理編碼后送到 數(shù)碼管上 顯示 。 BUCK 斬波電路 太陽能電池在使用時(shí)由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，為了防止輸出電壓過高，破壞電路燒毀元件，或者是輸出電壓太低元 器件不能正常工作，本設(shè)計(jì)中引入斬波變換電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓或者降壓變換，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。 DC/DC 變換器廣泛應(yīng)用于便攜裝置（如筆記本計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、 PDA 等）中。它有兩種類型，即線性變換器和開關(guān)變換器。開關(guān)變換器因具有效率高、靈活的正負(fù)極性和升降壓方式的特點(diǎn)，而備受人們的青睞。 DC/DC 變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波[11]。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式 Ts 不變，改變 ton(通用 )，二是頻率調(diào)制 ton 不變，改變 Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路有以下幾類 [