【正文】 大的生命力。 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。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)。 本 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路 本充電器通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過 DC/DC 變換電路處理后，由充電電路為負(fù)載供電。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。 太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式 —— 電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢(shì)。 太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能 ， 不需要消耗燃料和水等物質(zhì) ， 使用中不釋放包括二氧化碳在內(nèi)的任何氣體 ， 是對(duì)環(huán)境無污染的可再生能源。 本文設(shè)計(jì)是以 Atmel公司的 AT89S51單片機(jī)作為控制核心 ,由按鍵指示電路、數(shù)碼管顯示電路、 BUCK 斬波電路和 A/D 采集電路等組成的，實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后由 LM7805 提供穩(wěn)定電流，經(jīng)過 DC/DC 變換電路處理后，由充電電路為負(fù)載供電。 專升本學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 題 目： 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 學(xué) 號(hào)： 261080141 學(xué) 院： 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息 年 級(jí)： 2021 級(jí) 指導(dǎo)教師： （簽名） 2021 年 05 月 20 日 I 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 中文 摘要 能源的日益枯竭、人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問題的重視程度也在不斷提高，尋找潔凈的替代能源問題變得越來越迫切。 系統(tǒng)還加入了單片機(jī)控制按鍵，以便自由選擇充電模式和充電時(shí)間，具有根據(jù)返回手機(jī)電流情況，來控制降低電流的輸入和停止充電功能，以免過分充電會(huì)損壞電池，反饋輸出電流的情況，達(dá)到充電智能化的效果。這對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害 hk 作用具有重大意義。太陽能發(fā)電又分為光電發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電 。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為 15%。 硅 太陽能電池片常用的為單晶 125 大倒角，其尺寸為 125mm*125mm，對(duì)角線 150mm，功率 ，工作電壓 ，工作電流 ，開路電壓 ，短路電流 [2]。鋰電池一般不宜采用全過程恒流充電方式，而是采取開始恒流快速充電，待電池電壓上升到設(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。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 。 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。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。 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。 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。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]。在輸出過程中通過 單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)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。 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。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(zhǎng)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(zhǎng)短是由操作人員的按鍵按壓時(shí)間長(zhǎng)短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。 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]。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。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]。 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。 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 。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。 （ 2） Boost 電路 —— 升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo 大于輸入電壓 Ui，極性相同。 在本電路中輸入始終大于輸出，所以采用脈寬調(diào)制方式的 BUCK 變換器，BUCK 變換器又稱降壓變換器 、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器。 （ 1） ADC0809 的 管腳圖 福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 圖 27 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖 ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。 地址輸入和控制線： 4 條 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。 表 21 CBA 通道選擇表 C B A 選 擇的通道 0 0 0 IN0 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 15 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。 OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHz， VREF（ ＋ ）， VREF（ － ）為參考電壓輸入 [14]。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。 由于ADC0809 不能處理微弱的電信號(hào)，尤其在手機(jī)充電接近飽和的時(shí)候，電流十分微弱，必須經(jīng)過放大才能由 ADC0809 處理。MAX471/MAX472都可通過一個(gè)輸出電阻將電流輸出轉(zhuǎn)化為 對(duì)地電壓輸出。A。 RS－為內(nèi)傳感電阻的負(fù)載端。 系統(tǒng)整體程序框架 本設(shè)計(jì)整體工作主要由單片機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)，其工作過程為：電路啟動(dòng)初始化，電路功能選擇，輸出選擇并確定輸出，單片機(jī)采集計(jì)算輸出 PWM 信號(hào)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)并處理調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)占空比等，程序整體框架如圖 31 所示。因此，在單片機(jī)運(yùn)行后，首先清 0 使之置初始參數(shù)設(shè)定，便于程序設(shè)計(jì)人員掌握，以利系統(tǒng)的工作。讀線、讀取、相連的端口，并將其值判斷處理后存于相關(guān)緩存中。然后判斷 P1 口是否有鍵按下，如果沒鍵按下繼續(xù)判斷。當(dāng)要顯示某字符時(shí)，把表格的起始地址送入數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 中作為基址，將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)作為偏移量送入變址寄存器 A，執(zhí)行查表指令“ MOVCA， A+DPTR”，則累加器 A 中得到的結(jié)果即表格中取出的對(duì)應(yīng)數(shù)字的字形碼。充電過程中，“充電”指示燈亮；充滿時(shí)，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅，通過按鍵設(shè)置可控制充電時(shí)間。充電子程序流程圖如圖 36 所示。 測(cè)試及分析 將太陽能電池連接到 LM7805 的輸入端，同時(shí)，輸出端通過 USB 線接上手機(jī)，檢查完畢后，置于陽光下，觀察手機(jī)是否能正常充電； 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 31 結(jié)果顯示，手機(jī)無充電現(xiàn)象， 且數(shù)碼 管及 LED 都不會(huì)亮， 分析可能是由于太陽光線不強(qiáng)，造成太陽能電池輸入電壓沒有達(dá)到 LM7805 的起振電壓； 用電壓表測(cè)量 LM7805 的輸入電壓即太陽能電池板的輸入電壓，最大只有 3V，而 LM7805 正常起振電壓至少為 8V，因此可以斷定太陽能電池板沒有達(dá)到實(shí)際所需的輸入電壓要求； 分析可能是太陽能電池的輸出功率較低，使得 LM7805 無法正常工作，通過串聯(lián)更換的太陽能電池來提高它的工作電壓，同時(shí)，用手電筒對(duì)著太陽能電池板，提升光照的強(qiáng)度，從而把電池板的輸出功率提上去； 在新的條件下，再次連接好線路，放在太陽光下，觀察 充電效果，可是手機(jī) 、數(shù)碼管和 LED 還是沒有任何的反應(yīng) ； 根據(jù)以上情況， 懷疑電路本身可能出現(xiàn)某種未知的故障，造成整個(gè)電路出現(xiàn)無法正常工作，于是，用萬用表檢測(cè)各個(gè)管腳的連接情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)的 VCC 無電壓，進(jìn)一步檢測(cè)后，原來是單片機(jī)的 20 管腳斷路，排除故障后，再次進(jìn)行充電； 仍然沒有進(jìn)行充電，用萬用表檢測(cè)各個(gè)模塊的電壓，從 LM7805 入手，輸入電壓為 9V，輸出電壓卻為 ，而實(shí)際上 LM7805 輸出電壓為穩(wěn)定的 5V電壓； 為驗(yàn)證是否是 LM7805 的故障，將 5V 的充電器直接加在電路上，而斷開 LM7805 這個(gè) 模塊，結(jié)果，單片機(jī)正常工作，數(shù)碼管及 LED 正常顯示，由此斷定 LM7805 故障； 將 LM7805 從板上拆下來，用萬用表的電阻檔測(cè)了一下，它本身已經(jīng)短路，換了新的 LM7805 后，焊接上去，置于太陽下，手機(jī)有充電的反應(yīng)，但時(shí)常停止充電，數(shù)碼管及 LED 亮度閃爍； 用電壓表測(cè)電路輸入數(shù)碼管及 LED 燈的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓不穩(wěn)定；測(cè)太陽能板的輸出電壓，發(fā)現(xiàn)電壓不能穩(wěn)定，說明太陽能板光電轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定，在太陽光不強(qiáng)的情況下輸出的電壓無法供應(yīng) LM7805 工作。 軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的程序設(shè)計(jì) 方法 ，分為主程序部分、 按鍵采集模塊 、 數(shù)碼管顯示模塊 、 AD 轉(zhuǎn)換采集模塊 以 PWM 脈寬信號(hào)產(chǎn)生 模 塊等。 福州大學(xué)專升本學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 34 謝辭 經(jīng)過幾個(gè)月的努力，在 指導(dǎo)老師陳俊老師 的幫助下，終于完成 了基于單片機(jī)的 太陽能手機(jī)充電器的 設(shè)計(jì)和調(diào)試。在此，對(duì) 陳老師 的幫助表示感謝！ 基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器 35 參考文獻(xiàn) [1] 張紅梅，尹云華．太陽能電池的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) [J]．水電能源科學(xué)，2021： 193197 [2] K. 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