【文章內(nèi)容簡介】 能，由單片機編程實現(xiàn) PWM 波控制開關(guān)管從而實現(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 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換并傳給單片機做判斷處理，從而實現(xiàn)電路的智能輸出與控制 。 太 陽 能 電 池 板 AT89C51 DC/DC 變換 顯示電路 手 機 電 池 ADC0809 鄭佳：太陽能充電器的設(shè)計 4 總電路原理圖 銅陵學(xué)院 畢業(yè)論文 （設(shè)計） 5 第二章 太陽能充電器硬件電路設(shè)計 太陽能電池板部分 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。因此該設(shè)計采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負(fù)載的需要，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、 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 120mm 45mm，峰值電壓 6V，峰值電流 100mA，標(biāo)稱功率 ?？紤]被充電池的電流不同所需充電時間不等，采用八塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串、并聯(lián)，實測電池板的輸出電壓最大值為,電流最大可達(dá) 450mA，總標(biāo)稱功率為 5W 左右 ,實際輸出可根據(jù)不同的被充電對象進(jìn)行平滑調(diào)整。 太陽能光伏電池的工作原理如圖 所示，當(dāng)光波照射到半導(dǎo)體表面時，半導(dǎo)體內(nèi)部N 區(qū)和 P 區(qū)中的價帶電子由于受到太陽光子的沖擊，吸收太陽能量發(fā)生能級躍遷被激發(fā)導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生了許多處于非平衡狀態(tài)的電子一空穴對。由于 PN 結(jié)電場的存在，這些電子一空穴對運動到 PN 結(jié)區(qū)產(chǎn)生分離，其中正電荷和負(fù)電荷分別聚集從而產(chǎn)生了與 PN 結(jié)勢電場相反的光生電場，當(dāng)接通外部電路環(huán)路時，電子一空穴對的運動產(chǎn)生直流電流，從而對外出電能因為單個 PN 結(jié) 產(chǎn)生的光生電勢比較小 (約 左右 )，在實際應(yīng)用中，多將許多個小的太陽能光伏電池單元通過串聯(lián)或者并聯(lián)組合在一起構(gòu)成光伏電池組件，從而可以輸出更大的電能。 圖 顯示了太陽能電池的輸出特性。太陽能電池的輸出隨著二極管的 IV 特性不同而略有變化，且串聯(lián)電阻 (RS) 也會造成較小的壓降，但輸出電壓基本保持為常量。不過，在某一時刻，通過內(nèi)部二極管的電流會非常小，導(dǎo)致偏置不足，這樣二極管上的電壓會隨負(fù)載電流的上升而快速下降。最后，當(dāng)所有生成的電流都流經(jīng)負(fù)載而不通過二極管時，輸出電壓為零。這種電流稱作太陽 能電池的短路電流 (ISC)，它與 VOC 都是決定電池工作性能的主要參數(shù)，因此，我們將太陽能電池視為 “電流有限的 ”電源。當(dāng)輸出電流增加時，輸出電壓會下降，最后降為零，這時負(fù)載電流為短路電流。 鄭佳：太陽能充電器的設(shè)計 6 圖 21 太陽能光伏電池工作原理 圖 22 太 陽能電池 IV 特性 銅陵學(xué)院 畢業(yè)論文 （設(shè)計） 7 在大多數(shù)應(yīng)用中，理想情況是盡可能從太陽能電池獲得最大電力。由于輸出功率是輸出電壓與電流的乘積，因此我們應(yīng)明確電池哪部分工作區(qū)能實現(xiàn)最大的輸出電壓與電流乘積值，即所謂的最大功率點 (MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為最大值 (VOC)，但輸出電流為零；在另一種極端情況下，輸出電流為最大值 (ISC)，但輸出電壓為零。在上述兩種情況下，輸出電壓與電流的乘積均為零，因此， MPP 必須在兩種極端情況之間。 我們可以很容易地證明（或通過實驗觀察到），不管在何種應(yīng)用， MPP 實際上總會出現(xiàn) 在太陽能電池輸出特性圖的轉(zhuǎn)彎處（見圖 23）。實踐中的問題在于，太陽能電池 MPP 的確切位置會隨著光照和環(huán)境溫度的變化而變化，因此，為了盡可能利用太陽能，系統(tǒng)設(shè)計時必須在實際工作條件下實現(xiàn)或接近 MPP。 圖 23 太陽能電池輸出特性 蓄電池部分 太陽能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個系統(tǒng)的正常、可靠運行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，為了尋求最佳方案，在設(shè)計充電器之前必須做的一項工作是對蓄電池原理作一個詳細(xì)的分析研究。 電池的定義 在現(xiàn)代技術(shù)中電池有了更為精確地定義：能夠產(chǎn)生電能的便攜、獨立化學(xué)系統(tǒng)。電池按轉(zhuǎn)換能量方式分為兩大類：一類是物理電池，如太陽能電池；另一類是化學(xué)電池，即把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。化學(xué)電池按工作性質(zhì)可分為：一次電池（原電池）；二次電 池（可充電電池）。其中，一次電池可分為：盒式鋅錳電池、扣式鋅銀電池、鋅空氣電池等。二次電池可分為：鎳鎘電池、氫鎳電池、鋰電池和鉛酸蓄電池等。一次電池，又叫不可充電電池或原電池，從電池單向化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能。原電池放電導(dǎo)致化學(xué)成分永久和不可逆的改變。但可充電電池，又叫二次電池，可在應(yīng)用中放電，也可由充電器充電。所以二鄭佳：太陽能充電器的設(shè)計 8 次電池儲存能量，而不是產(chǎn)生能量。充電和放電電流（安培）通常用電池額定容量的倍數(shù)表示，叫做充電速率（ Crate）。例如，對于額定為 1 安培時的電池， C/10 的放電電流等于1Ah/10=100mA。電池的額定容量（ Ah 或 mAh ）是電池在特定條件下完全放電所能儲存的電能。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時。任何一種電池由四個基本部件組成，這四個主要部件是正負(fù)兩個電極、電解質(zhì)、隔膜和外殼。 充放電特性 本系統(tǒng)中，采用閥控式密封鉛酸蓄電池 (VRLA 電池 )。 它的充放電特性如下： 1 ）充電特性 c c bU E I r??? （ 21） 式中 cU 為蓄電池充電時端電壓， E 為蓄電池電動勢， cI 為蓄電池充電電流， br 為蓄電池內(nèi)阻。 當(dāng)以穩(wěn)定的電流對蓄電池充電時，由于蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，從而蓄電池內(nèi)阻發(fā)生變化，引起蓄電池端電壓的變化如圖 24 所示。（實線為充電過程的變化，虛線為停充 后的變化。） 2 . 4? ?Uv01 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 11 . 62 . 02 . 8abcde ? ?tho 圖 24 充電時端電壓的變化曲線 在充電初期，蓄電池的端電壓升高很快（曲線的 oa 段）。充電中期，電勢增高漸慢（曲線的 ab 段）。充電后期，端電壓比較緩慢地上升。如繼續(xù)充電，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)使蓄電池的內(nèi)阻增大，因而端電壓又繼續(xù)上升，如曲線中 bc 段。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲線的 cd 段時，如再繼續(xù)充電，端電壓也不再升高，只是無謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。如果在 d 點停止充電，端電壓迅速降低（曲線的 de 段）。隨后端電壓慢慢地下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（曲線的 de 段）。 應(yīng)當(dāng)指出，充電速度的快慢 (充電率的大小 )將影響到充電蓄電池的端電壓以及充電時間。充電率的大小是指在一定時間內(nèi)將蓄電池充滿所需電流的大小。如以 10 小時率充電容量 (C)為 120Ah 的蓄電池，則充電電流為 120Ah/10h=12A，常用 10C 表示 10 小時率。在充電末期采用較小的充電電流有益于電池的使用壽命延長。 銅陵學(xué)院 畢業(yè)論文 （設(shè)計） 9 2） 放電特性 dd bU E I r? ? ? (22) 式中 dU 為蓄電池放電時端電壓， E 為蓄電池電動勢， dI 為蓄電池放電電流， br 為蓄電池內(nèi)阻。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時，蓄電池端電壓的變化如圖所示。（實線為放電過程的變化，虛線為停放后的變化。） 01 0987654321 1 11 . 62 . 22 . 01 . 8? ?Uv? ?tho a b cde 圖 25 蓄電池放電時端電壓的變化曲線 由放電曲線可知，放電曲線基本由三部分組成：放電開始（曲線的 oa 段）短時間內(nèi)電壓快速下降，然后電壓緩慢下降（曲線的 ab 段）；最后端電壓在極短的時間內(nèi)迅速降低（曲線的 bc 段）。第二部分（曲線的 ab 段）的時間越長，平均電壓就越高，其電壓特性也就越好。放電至 c 點時，放電便告結(jié)束。如果繼續(xù)放電，使電池的端電壓急劇下降，如圖中虛線部分的 cd 段所示。這種現(xiàn)象叫過放電，雖然能放出部分能量，如經(jīng)常過放電會降低蓄電池的充電、放電反應(yīng)速度，加速蓄電池的老化和降低其使用容量。一般規(guī)定的放電截止時的電壓稱為放電終止電壓。如果停止放電，則鉛蓄電池的端電壓立即回升，如圖中曲線的虛線部分 ce 段所示。 蓄電池作為電源模塊的設(shè)計 本系統(tǒng)所采用的電器元件需要外部供電，如果接上外加電源，則使得電路復(fù)雜化，并且破壞了系統(tǒng)的獨立性。本系統(tǒng)設(shè)計的就是蓄電池的供電系統(tǒng)，所以直接從蓄電池取出電壓來為單片機以及外圍電路供電。 這里采用三斷集成穩(wěn)壓器件 7805 設(shè)計電路的電源模塊，如圖 26 所示。 鄭佳：太陽能充電器的設(shè)計 10 圖 26 電源模塊電路 單片機部分 本系統(tǒng)采用 AT89C51 系列的單片機。這是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除的只讀存儲器 （ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓高性能 的 CMOS8 微處理器 。 該單片機內(nèi)部有兩個定時器、兩個外部中斷和一個串口中斷、三個八路的 I/O 口，本設(shè)計采用 12MHz 的晶振。 單片機最小系統(tǒng)的核心部分包括單片機芯片、振蕩電路及復(fù)位電路。 單片機主要任務(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)制信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。具體工作過程是上電復(fù)位，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定時器定時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。 通過單片機編程實現(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，由于單片機良好的可重用性，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現(xiàn)，從而使電路的升級改造變得簡單。圖 27 為單片機的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)。 銅陵學(xué)院 畢業(yè)論文 （設(shè)計） 11 圖 27 AT89C51 單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 電壓電流的 A/D 采集 ADC0809 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 CMOS 工藝 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器 ， 其內(nèi)部有一個 8 通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8 路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的 8 位通用A/D 芯片 1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如下圖 28 左圖所示） ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共 用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。