【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 約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”， 開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。 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，使用中不釋放包括二氧化碳在內的任何氣體，是對環(huán)境 無污染的可再生能源。這對改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害 hk 作用具 有重大意義。 目前，太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業(yè)、商業(yè)、 農(nóng)業(yè)、通信、家用 電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區(qū)、 高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是，從長 遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光 — 電轉換裝置的發(fā)明， 各國對環(huán)境的保護和對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換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室 里最高的轉換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 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，其實驗室最高轉換效率 為 18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉換效率為 10%。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕， 轉換效率較高，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，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應用。 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)電項目。 本課題研究的主要內容 本充電器通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，經(jīng)過 DC/DC 變換電路處 理后，由充電電路為負載供電。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定值時， 自動轉入恒壓充電的方式， 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 設計有完備的過流過壓保護，避免因電池過度充電而損壞，并且充電器采用模塊 式結構和 USB 接口，可對手機、 MP攝像機等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。 文中介紹設計的太陽能手機充電器，與普通的手機充電器相比，它的的特殊 之處除了能源的供應來自太陽能電池板外，充分利用單片機的智能性，設有完備 的電壓電流檢測保 護電路，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有陽光 的地方，即可以為手機提供一個方便的太陽能充電點。這種便捷的太陽能充電器 幾乎可以在任何地方補充電力，從而獲得通信的自有。 2 太陽能手機充電器硬件設計 系統(tǒng)總體設計方案 系統(tǒng)總體設計方案 總體 DC/DC 變換 太 陽 能 電 池 板 按 鍵 AT89C51 顯示電路 手 機 電 池 ADC0809 圖 1 系統(tǒng)總體設計方案 太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內阻又比較高，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。當光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能 轉換為電能。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 停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。這就需要一個復雜的控 制系統(tǒng)， 51 系列單片機時當前使用最為廣泛的 8 位單片機系列，其豐富的開發(fā) 資源和較低的開發(fā)成本，是 51 系列單片機現(xiàn)在 以至將來都會有強大的生命力。 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現(xiàn)復雜 的充電智能控制，同時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) 總體設計方案如圖 1 所示，通過太陽能電池板將太陽能轉換為電能，由單片機編 5 程實現(xiàn) PWM 波控制開關管從而實現(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。 太陽能電池板的選用 太陽能電池板是太陽 能供電系統(tǒng)工作的基礎，是該充電器的核心部分，其功 能是將太陽光的輻射能量轉化為電能，如今的便攜式數(shù)碼設備種類較多，所需電 壓電流不等，對于輸入功率較大的設備，必須采用面積較大的電池板，而這又給 攜帶帶來不便。因此該設計采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負載的需要，將太陽 能板進行組合以達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備為例，說明其太陽能充電器的設計過程。 所選用的太陽能電池板技術參數(shù)指標如下： 尺寸 120mm 45mm， 峰值電壓 6V， 峰值電流 100mA， 標稱功率 。 考慮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 450mA，總標稱功率為 5W 左右 ,實際輸出可根據(jù)不同的被充電對 象進行平滑調整 [7]。 LM7805 應用 圖 2 LM7805 典型應用電路 單片機電源電路的設計以三端集成穩(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 典型應用電路，三端集成穩(wěn)壓器設置的啟動電路，在穩(wěn)壓電源啟動后 處于正常狀態(tài)時，啟動電路與穩(wěn)壓電源內部其他電路脫離聯(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其電感效應引起的自激振蕩，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，改善負載的瞬態(tài)響應，一般取 F 左右，本文 Co 即選用 F。 一般電容的耐壓應高于電源 的輸入電壓和輸出電壓。另外，為避免輸入端斷開時 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 出端之間跨接一個二極管，對 LM7805 起保護作用。 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，太陽能電池電 壓即使有較大的波動，也能穩(wěn)定的輸出 5V 電壓，從而是單片機等控制電路正常 工作，且成本低。 單片機電路 單片機電路 本系統(tǒng)單片機主要完成的任務是控制數(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 脈寬調制信號控制開關管的導通與關斷， 從而控制輸出 大小。具體工作過程是上電復位，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，然后轉入相應子程 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， 與設定值比較后調節(jié) PWM 占空比，使輸出趨于設定值。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 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易行。 按鍵指示電路及實現(xiàn) 在單片機應用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式： 獨立按鍵； 矩陣編碼鍵 盤。獨立按鍵的每個按鍵都單獨接到單片機的一個 I/O 口上，獨立按鍵則通過判 斷按鍵端口的電位即可識別按鍵操作； 而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進行識 別。 通常所用的按鍵為輕觸機械開關， 正常情況下按鍵的接點是斷開的，當我們 按壓按鈕時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地 接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而機械觸點在閉合及斷開的瞬間均伴隨有 一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性及操作人員按鍵動作決定，一 般為 5ms～ 20ms； 按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短是由操作人員的按鍵按壓時間長短決 定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒不等。 在本設計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難 7 度，圖 3 為本設計的按鍵接線圖。 圖 3 按 鍵接線圖 對電路總體考慮后，將 ADC0809 采集電路接在了單片機的 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，其中 是數(shù)字減鍵， 為數(shù)字加鍵， 鍵位確定鍵， 為過電流保護指示 燈， 、 為輸出功能選擇鍵，按下 代表給手機電池充電，按 下 則做普通直流電源使用，其中 5V 輸出可直接用 USB 連接線給手機充電，電池 充電控制則有手機提供。 數(shù)碼管顯示電路 數(shù)碼管顯示電路 AT89C51 單片機內有一個串行 I／ O 端口， 通過引腳 RXD 和 TXD 可與外部 電路進行全雙工的串行異步通信， 發(fā)送數(shù)據(jù)時由 TXD 端送出， 接收時數(shù)據(jù)由 RXD 端輸入。串口有四種工作方式，通過編程設置，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 寄存器以擴展 I／ O 端 口。串口的工作方式可以參看相關的書籍，此處不做詳細 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 接一個移位寄存器就可擴展一個 8 位的并行輸入／輸出接口， 如果想多擴展幾個 并口就需要在外部級連幾個移位寄存器。 本設計采用基于串口的 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，在串口擴展中最常用的 就是基于串口的 LED 數(shù)碼管顯示電路。在單片機應用系統(tǒng)中，LED 數(shù)碼管的顯 8 示常用 兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器 都要占用單獨的具有鎖存功能的 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 , 再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中 CPU 的開銷小?？梢蕴峁﹩? 獨鎖存的 I／ O 接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉換器 74LS164， 擴展并行的 I／ O 口。需要幾個數(shù)碼管就擴展幾個并行接口，數(shù)碼管直接接在 74LS164 的輸出腳上， 單片機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