【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電池電壓有 3V、6V、9V、12V、18V、32V、48V 等，更大的用于太陽(yáng)能電廠發(fā)電項(xiàng)目。銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 太陽(yáng)能電池板AT89C51DC/DC 變換顯示電路手機(jī)電池ADC0809 圖 11 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池在使用時(shí)由于太陽(yáng)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(guò)太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)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(guò)度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。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(kāi)發(fā)資源和較低的開(kāi)發(fā)成本，是 51 系列單片機(jī)現(xiàn)在以至將來(lái)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 1．1 所示，通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn) PWM 波控制開(kāi)關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的改變，通過(guò)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。鄭佳：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 4 總電路原理圖銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 第 2 章 太陽(yáng)能充電器硬件電路設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能電池板部分太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)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(yáng)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(lái)不便。因此該設(shè)計(jì)采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負(fù)載的需要，將太陽(yáng)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(shuō)明其太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)過(guò)程。所選用的太陽(yáng)能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下： 尺寸 120mm45mm，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(shí)間不等，采用八塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串、并聯(lián)，實(shí)測(cè)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(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。太陽(yáng)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(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部 N 區(qū)和 P 區(qū)中的價(jià)帶電子由于受到太陽(yáng)光子的沖擊，吸收太陽(yáng)能量發(fā)生能級(jí)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(duì)。由于 PN 結(jié)電場(chǎng)的存在，這些電子一空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shì)電場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，當(dāng)接通外部電路環(huán)路時(shí)，電子一空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直流電流，從而對(duì)外出電能因?yàn)閱蝹€(gè) PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電勢(shì)比較小(約 左右)，在實(shí)際應(yīng)用中，多將許多個(gè)小的太陽(yáng)能光伏電池單元通過(guò)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(yáng)能電池的輸出特性。太陽(yáng)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(huì)造成較小的壓降，但輸出電壓基本保持為常量。不過(guò)，在某一時(shí)刻，通過(guò)內(nèi)部二極管的電流會(huì)非常小，導(dǎo)致偏置不足，這樣二極管上的電壓會(huì)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(guò)二極管時(shí)，輸出電壓為零。這種電流稱作太陽(yáng)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(yáng)能電池視為“電流有限的” 電源。當(dāng)輸出電流增加時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，最后降為零，這時(shí)負(fù)載電流為短路電流。鄭佳：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 6 圖 21 太陽(yáng)能光伏電池工作原理圖 22 太陽(yáng)能電池 IV 特性 銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 在大多數(shù)應(yīng)用中，理想情況是盡可能從太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)最大的輸出電壓與電流乘積值，即所謂的最大功率點(diǎn) (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(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到） ，不管在何種應(yīng)用，MPP 實(shí)際上總會(huì)出現(xiàn)在太陽(yáng)能電池輸出特性圖的轉(zhuǎn)彎處（見(jiàn)圖 23） 。實(shí)踐中的問(wèn)題在于，太陽(yáng)能電池 MPP 的確切位置會(huì)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(yáng)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須在實(shí)際工作條件下實(shí)現(xiàn)或接近 MPP。圖 23 太陽(yáng)能電池輸出特性 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽(yáng)電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)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(jì)充電器之前必須做的一項(xiàng)工作是對(duì)蓄電池原理作一個(gè)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(dú)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(yáng)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?；瘜W(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，也可由充電器鄭佳：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 8 充電。所以二次電池儲(chǔ)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(duì)于額定為 1 安培時(shí)的電池，C/10的放電電流等于 。電池的額定容量（ 或 ）是電池在特定條件下完1Ah/0=mAhm全放電所能儲(chǔ)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(shí)。任何一種電池由四個(gè)基本部件組成，這四個(gè)主要部件是正負(fù)兩個(gè)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 （21 ）ccbUEIr???式中 為蓄電池充電時(shí)端電壓， 為蓄電池電動(dòng)勢(shì)， 為蓄電池充電電流， 為蓄c cIbr電池內(nèi)阻。當(dāng)以穩(wěn)定的電流對(duì)蓄電池充電時(shí)，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(shí)線為充電過(guò)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(shí)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 段） 。充電中期，電勢(shì)增高漸慢oa（曲線的 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)ab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 段。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲線的bc段時(shí)，如再繼續(xù)充電，端電壓也不再升高，只是無(wú)謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。如果cd在 d 點(diǎn)停止充電，端電壓迅速降低（曲線的 段） 。隨后端電壓慢慢地下降，最后達(dá)到穩(wěn)de定狀態(tài)（曲線的 段） 。de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(shí)間。充電率的大小是指在一定時(shí)間內(nèi)將蓄電池充滿所需電流的大小。如以 10 小時(shí)率充電容量(C) 為 120Ah 的蓄電池，則充電電流為 120Ah/10h=12A，常用 表示 10 小時(shí)率。在10C銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 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(zhǎng)。2） 放電特性 (22)ddbUEIr???式中 為蓄電池放電時(shí)端電壓，E 為蓄電池電動(dòng)勢(shì)， 為蓄電池放電電流， 為蓄dUdIbr電池內(nèi)阻。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時(shí)，蓄電池端電壓的變化如圖所示。 （實(shí)線為放電過(guò)程的變化，虛線為停放后的變化。 ）01 0987654321 1 11 . 62 . 22 . 01 . 8??v ??thoabcde圖 25 蓄電池放電時(shí)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(kāi)始（曲線的 段）短時(shí)間內(nèi)oa電壓快速下降，然后電壓緩慢下降（曲線的 段） ；最后端電壓在極短的時(shí)間內(nèi)迅速降低ab（曲線的 段） 。第二部分（曲線的 段）的時(shí)間越長(zhǎng)，平均電壓就越高，其電壓特性bc也就越好。放電至 c 點(diǎn)時(shí)，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 段所示。這種現(xiàn)象叫過(guò)放電，雖然能放出部分能量，如經(jīng)常過(guò)放電會(huì)d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(shí)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 段所示。ce 蓄電池作為電源模塊的設(shè)計(jì)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(dú)立性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)為單片機(jī)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(jì)電路的電源模塊，如圖 26 所示。鄭佳：太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì) 10 圖 26 電源模塊電路本系統(tǒng)采用 AT89C51 系列的單片機(jī)。這是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)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(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)外部中斷和一個(gè)串口中斷、三個(gè)八路的 I/O 口，本設(shè)計(jì)采用 12MHz 的晶振。單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心部分包括單片機(jī)芯片、振蕩電路及復(fù)位電路。 單片機(jī)主要任務(wù)是控制數(shù)據(jù)的采集過(guò)程并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后生成 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。具體工作過(guò)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(jì)算 PWM占空比，開(kāi)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(guò)程中通過(guò)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。在電池充電過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)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(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程的智能控制，而且大大簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)單。圖 27 為單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。銅陵