【正文】 or does not timely 220V electricity and not to charge their cell phones affect the normal use of mobile phones. To solve this problem, the course design introduces a multipurpose 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 stops charging after, but also as a general DC power use, so get rid of dependence on electricity obtained the freedom of munication. Compared with the conventional charger, solar charger has a clear advantage. Key words: solar energy, battery, single chip, intelligent, BUCK converter 3 1 緒論 本課題的研究背景 當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制 約國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”， 開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。 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。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。 目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、 農(nóng)業(yè)、通信、家用 電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)地區(qū)、 高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價(jià)很貴的輸電線路。但是，從長 遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光 — 電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明， 各國對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用 太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟 廣闊的前景。 硅太陽能電池及參數(shù) 硅太陽能電池及參數(shù) 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、 多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜 太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。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%。多晶硅薄膜太陽能電池 與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率 為 18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕， 轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。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。 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 。太陽能電池可根據(jù)電壓大小需要，由不 同數(shù)量的太陽能電池片組成，其轉(zhuǎn)換效率受光照、溫度、太陽電池晶體類型及制 造工藝等影響， 2021 年中國平均效率為 %。常見的太陽能電池電壓有 3V、 6V、 9V、 12V、 18V、 32V、 48V 等，更大的用于太陽能電廠發(fā)電項(xiàng)目。 本課題研究的主要內(nèi)容 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。鋰電 池一般不宜采用全過程恒流充電方式，而是 4 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。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，從而獲得通信的自有。 2 太陽能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 總體 DC/DC 變換 太 陽 能 電 池 板 按 鍵 AT89C51 顯示電路 手 機(jī) 電 池 ADC0809 圖 1 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。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 1 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 5 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。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 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 120mm 45mm， 峰值電壓 6V， 峰值電流 100mA， 標(biāo)稱功率 。 考慮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 [7]。 LM7805 應(yīng)用 圖 2 LM7805 典型應(yīng)用電路 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 2 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 6 F～ 1μ F 之間，本文 Ci 選用 F；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 F 左右，本文 Co 即選用 F。 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。 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。 單片機(jī)電路 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。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 [4]。 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。 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 7 度，圖 3 為本設(shè)計(jì)的按鍵接線圖。 圖 3 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)裙ぷ鳎栽诒倦娐分袑存I接在 P1 口，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 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。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 8 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。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﹩? 獨(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