【正文】 主要參考文獻 [1] [J].物理,1999,28(11). [2] 蔣鴻飛,胡淑婷..綠色能源——太陽能充電[J].上海應用技術學院學報 (自然科學版),2007, (2): 147~149. [3。 (1)、到圖書館搜集圖書及電子資料，并對資料進行理論分析總結，整 理出自己的設計思路； (2)、上網收集相關的資料，完善設計； (3)、請教指導老師與同學，尋求新的思路與切入點。圖11 系統(tǒng)結構圖 (1)、由太陽能到電能的轉化； (2)、由硬件電路實現(xiàn)穩(wěn)定、安全的充電； (3)、由軟件實現(xiàn)按鍵識別、數(shù)碼顯示、電路檢測等功能，實現(xiàn)智能充電。 研究的基本內容，擬解決的主要問題 本設計研究的方向是基于單片機的智能太陽能手機充電器，從硬件電路的設計和軟件程序的設計完成太陽能手機充電器的各項功能。給你的生活帶來很大的方便。因此，本設計研究了一種基于單片機的智能太陽能充電器，它可以很好的解決上述問題。太陽能作為一種新興可再生能源，它具有取之不盡、用之不竭，清潔安全，分布廣泛等特點，在未來社會能源結構中發(fā)揮非常重要的作用。其次，隨著化石能源的日益枯竭，環(huán)境問題的日益突出，未來能源問題和環(huán)境問題越來越受到人們的關注。在國內的研究中，《探討太陽能手機電池充電器的設計研究》一文利用51系列的單片機作為主控制設備,同時與其他電路與芯片結合所組成太陽能手機充電器，并以PWM形式的電壓實現(xiàn)輸出，這種充電器的優(yōu)點在于穩(wěn)定性高、帶載能力強、控制靈活，另外所采用的閉環(huán)控制模式能夠實現(xiàn)太陽能電池板最大輸出功率點的自動尋找，且具備自動調節(jié)功能、控制精度極高，從而能夠使手機電池的使用壽命有效延長、使用效率明顯提高。而在一些發(fā)達國家，由于環(huán)保意識較強，對太陽能的開發(fā)有了更大的投入，因此太陽能充電器在技術領域就有了更好的發(fā)展，科技含量高出國內很多。目前，國內對于環(huán)保的意識普遍不高，又由于太陽能充電器的制作成本高，能源轉換效率不高，所以我國在太陽能充電器的研究與投入并不多。在未來的設計中，還可以設計出具有多種輸出模式的充電器，使充電器可以為多款不同的產品進行充電，更體能現(xiàn)它的多功能性與便捷性，使它擁有更廣闊的市場。但是它只是停留在理論的層面上，在低功耗、電磁兼容、便捷性、接口設計等方面它還有待改進，而且作為人們生活中必不可少的電子產品，它應該更具安全性、智能性。設計主要包括了硬件電路與軟件程序兩部分，還利用了MATLAB仿真軟件，針對太陽能電池最大功率實現(xiàn)、蓄電池充、放電部分進行了仿真研究，從而驗證了所設計內容理論上的正確。在向蓄電池充電控制部分，通過單片機的智能控制，既能實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤，又能用恒流恒壓的方式為蓄電池充電。但它也存在一些不足：電路拆卸困難，維修成本高，故障的檢測不方便，而且太陽能電池不能工作在最大功率點處，也不能在充電過程中實現(xiàn)智能控制。這種類型的充電器在主要電路部分都使用專門的芯片來實現(xiàn)，大大簡化了電路的結構，降低了生產成本。一種是基于集成電路的太陽能手機充電器的設計，這種充電器可以在有陽光的地方把太陽能轉換為電能存儲在蓄電池中，之后蓄電池就可以隨時為手機充電。并且通過程序流程圖的形式介紹了能夠實現(xiàn)太陽能手機充電器太陽能電池最大功率跟蹤、蓄電池充放電、穩(wěn)定輸出等功能的軟件實現(xiàn)方式。放電子程序的流程圖如圖56所示。圖54 數(shù)據采集程序流程圖圖55 充電子程序流程圖 放電子程序：當判斷充電器選擇放電模式后，要采集輸出的電壓、電流信號并作判斷，如果電流過大，要切斷電路進行過電流保護。數(shù)據的采集由ADC0809完成，其程序流程圖如圖54所示。進行預充電；，在這個過程中，若太陽能電池輸出電流小于充電電流，則進行MPPT控制直至輸出電流達到1A，若輸出最大功率時仍無法達到充電電流，則用最大電流進行充電；。按鍵采集的程序流程圖如圖53所示。讀線、讀取、相連的端口，并將其值判斷處理后存于相關緩存中。初始化的程序流程圖如圖52所示。因此，在單片機運行后，首先清0使之置初始參數(shù)設定，便于程序設計人員掌握，以利系統(tǒng)的工作。復位操作完成以后，單片機的寄存器會被置以不同的值，這些值中有相當一部分是未知的值。系統(tǒng)整體的流程圖如圖51所示。整個軟件部分要實現(xiàn)的具體功能有：太陽能電池的最大功率跟蹤、判斷蓄電池是否充滿并作出判斷、使蓄電池兩端電壓低于3V時停止放電、使放電電路穩(wěn)定輸出、檢測按鍵輸入并作出判斷、液晶顯示。CHG通過一個非門接到單片機的外部中斷口，當外部中斷發(fā)生后表示 快速充電結束，充電進行恒壓充電階段，這時啟動定時器開始計時，計時到達安全充電時間停止，這時恒壓充電結束，單片機AT89C51發(fā)出指令斷開充電電源。VCC與GND之間和VO與GND之間應接一個濾波電容，以濾除高頻干擾，輸出電壓波動。不使用時，懸空即可； VCC——電源輸入端。圖45 6N137內部電氣圖6N137引腳功能說明如下：NC——懸空； +、——發(fā)光二極管的正、負極； GND——接地端；VO——輸出端； VE——使能端。具有溫度、電流、電壓補償功能。本設計選用6N137光耦合器作為隔離驅動電路，既保證了主電路與控制電路的隔離也具備驅動MOSFET管的能力。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據； E——使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令；D0～D7——8位雙向數(shù)據線； BLA——背光源正極；BLK——背光源負極。LCD1602與單片機的連接圖如圖415所示。圖414 按鍵接線電路圖 (5)顯示電路 基于液晶顯示器畫質高且不會閃爍、和單片機系統(tǒng)的接口簡單可靠、操作方便、功耗低的特點，本設計選擇LCD1602作為系統(tǒng)的顯示模塊。本設計將按鍵接在P3口上，；；。每個按鍵都單獨接到單片機的一個I/O口上，通過判斷按鍵端口的電位即可識別按鍵操作[14]。 在單片機應用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：獨立按鍵和矩陣編碼鍵盤。ADC0809具體工作過程為：、將地址存入地址鎖存器中，此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器，ST上升沿將逐次逼近寄存器復位，下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行，直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉換結束，結果數(shù)據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。 本設計中用單片機的P0口接收ADC0809轉換的數(shù)據。ST上升沿時，復位ADC0809；ST下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，ST應保持低電平；ALE——地址鎖存允許信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供。圖413 ADC0809引腳圖ADC0809的引腳功能說明如下：D7D0——8位數(shù)字量輸出引腳；IN0IN7——8位模擬量輸入通道；VCC——+5V工作電壓；GND——接地端；VREF(+)——參考電壓正端；VREF()——參考電壓負端；EOC——轉換結束信號輸出引腳，開始轉換為低電平，當轉換結束時為高電平；使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用；OE——輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據輸出鎖存器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據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行A/D轉換，可以和單片機直接接口[13]。這部分功能由A/D轉換器來實現(xiàn)。 在本設計中，需要采集太陽能電池板的輸出電流，當輸出電阻采用20K/，在傳感電流最大為168mA時，可使輸出的電壓不超過5V，便于ADC0809采集并作數(shù)字化處理。MAX471包含兩個放大器，傳感器電流通過傳感器電阻從RS+流向RS，或從RS流向RS+。圖412 MAX471引腳圖RS－——內部傳感電阻的負載端。GND——地端或電源負端。A。MAX471的引腳圖如圖412所示。MAX471是雙向精密電流傳感放大器，它內置35mΩ精密傳感電阻，可測量電流的上下限為3A，可通過一個輸出電阻將電流輸出轉化為電壓輸出。在太陽能電池板輸出端檢測電壓時，選擇兩個為50Ω的電阻；蓄電池輸出端采用兩個500Ω的電阻串聯(lián)采樣；BOOST電路輸出端采樣兩個1KΩ的電阻采樣。 圖410 單片機復位電路圖 圖411 單片機晶振電路如 (2)采樣電路 電壓采樣電路采用兩個電阻串聯(lián)分壓的方式。單片機晶振電路的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快，晶振電路的起振電容一般采用30pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機越近越好。 單片機具備了CPU、程序存儲器、數(shù)據存儲器和輸入輸出口等硬件資源之后，還需要供電電源、時鐘觸發(fā)和復位等控制的支持才能正常工作。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。但在訪問外部數(shù)據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)； XTAL1——反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入； XTAL2——來自反向振蕩器的輸出。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間；PSEN——外部程序存儲器的選通信號。P0能夠用于外部程序數(shù)據存儲器，它可以被定義為數(shù)據/地址的第八位； P1口——P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。單片機的引腳圖如圖49所示。 (1)單片機AT89C51 AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機。 控制系統(tǒng)電路設計 控制系統(tǒng)的核心器件是單片機，主要功能是控制信號的采集、按鍵的操作以及控制顯示器的輸出。 在MATLAB中對蓄電池的放電電路進行仿真，仿真的電路模型如圖47所示，仿真結果如圖48所示。二極管選擇的型號為快恢復二極管IN5817,其反向峰值電壓VRRM =20V，正向平均整流電流IF=1A。將參數(shù)ΔVO=，ΔIL=，代入(47)、(48)，可計算得濾波電容為520μF。圖46 BOOST放電電路 。而且為了給輔助電源提供能量以及對蓄電池的保護，利用單片機關斷放電電路。 蓄電池放電電路 本設計選用BOOST電路為蓄電池的放電電路。 考慮開關管流過的電流的最大值與關斷時承受的最大反向電壓，本設計最終選擇N溝道的MOSFET管NCE3010，其額定電壓為VDS=30V，額定電流為ID=10A。輸出電壓紋波由輸出電容Co和等效電阻Rco確定，而CoRco的值一般為常數(shù)，本設計取為65μF，因此輸出電容的選擇通過選擇合適的Rco來確定。 為了減小電感紋波電流對太陽能電池板的沖擊，需要在BOOST電路的輸入端加入一個電容，設計的目標是在電感紋波電流達到最大的情況下，電容上的紋波電壓不能超過輸入電壓的1%，在連續(xù)工作模式下，電感與電容能量相互傳遞，可以得到以下計算公式： (45) 即： (46)將參數(shù)L=47μH，I=1A，Ipmax=，Vin=4V代入公式(46)中，計算得C=。BOOST電路在連續(xù)工作模式下有: (41) (42)由式(41)和式(42)可得： (43) ，紋波電流達到最大，可得電感的計算公式： (44)式中 Vin——太陽能電池的輸出電壓； Vout——BOOST電路的輸出電壓； D——占空比； T——周期； f ——開關頻率； Ip——電感紋波的峰值電流； Ipmax——電感紋波最大峰值電流。 (2)BOOST電路設計 綜合考慮單片機的時鐘頻率、PWM分辨率、電感體積、電路損耗以及噪聲干擾等因素，本設計選擇的開關頻率為50KHz。 (1)屏蔽二極管 屏蔽二極管的作用是用來防止太陽能電池輸出電壓低于蓄電池兩端電壓時，蓄電池向太陽能電池倒送電能從而消耗蓄電池的能量并導致太陽能電池板發(fā)熱的情況?？梢愿鶕蓸拥奶柲茈姵剌敵龅碾妷号c電流信號，調節(jié)BOOST電路占空比來實現(xiàn)太陽能最大功率跟蹤和蓄電池充電控制；可以根據蓄電池兩端電壓信號的檢測判斷是否可以充放電，保護蓄電池；可以根據蓄電池輸出電壓信號的檢測，調節(jié)放電電路BOOST電路占空比使輸出電壓穩(wěn)定。 放電電路是BOOST升壓電路，將蓄電池輸出的電壓升壓到5V，為手機提供穩(wěn)定的電源進行充電。 圖41 系統(tǒng)總體結構框圖 當選擇為蓄電池充電模式時，太陽能電池后所加BOOST電路的作用是:，輸出100mA的電流進行預充電；，即在恒流充電階段，首先進行太陽能電池的最大功率跟蹤(通過PWM控制變換器的占空比，來調整太陽能電池的負載為最佳匹配負載，通過直接檢測太陽能電池的輸出電壓和輸出電流，連續(xù)計算太陽能電池的輸出功率，通過尋優(yōu)的方法來獲得太陽能電池的最大輸出功率)，輸出電流會逐漸上升直至達到闕值