【正文】 2010級 指導(dǎo)教師： （簽名）2012年05月20日基于單片機(jī)的太陽能手機(jī)充電器中文摘要能源的日益枯竭、人們對環(huán)境保護(hù)問題的重視程度也在不斷提高，尋找潔凈的替代能源問題變得越來越迫切。太陽能作為一種可再生能源它具有取之不盡、用之不竭和清潔安全等特點(diǎn)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景，光伏發(fā)電技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注，隨著光伏組件價(jià)格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在的補(bǔ)充能源向替代能源過渡。本文設(shè)計(jì)是以Atmel公司的AT89S51單片機(jī)作為控制核心,由按鍵指示電路、數(shù)碼管顯示電路、BUCK斬波電路和A/D采集電路等組成的，實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后由LM7805提供穩(wěn)定電流，經(jīng)過DC/DC變換電路處理后，由充電電路為負(fù)載供電。關(guān)鍵詞：太陽能，電池，單片機(jī)，智能Multipurpose solar mobile chargerAbstractIncreasing depletion of energy, it39。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，是對環(huán)境無污染的可再生能源。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。太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式——電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽光輻射，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，是當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。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%。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。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，%。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路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。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，可對手機(jī)、MP攝像機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。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)。 本課題研究的主要任務(wù)結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和任務(wù)要求，我設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的多功用太陽能手機(jī)充電器，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有：硬件設(shè)計(jì)：電源模塊設(shè)計(jì)，電源控制模塊設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)，顯示電路模塊設(shè)計(jì)，太陽能手機(jī)充電器電路原理圖設(shè)計(jì)。第2章 太陽能手機(jī)充電器硬件設(shè)計(jì) 本章主要介紹太陽能手機(jī)充電器的硬件設(shè)計(jì)方案，根據(jù)太陽光的變化較大，輸出電流不穩(wěn)定這一特點(diǎn)，在電路中加入LM7805保證輸出電流的穩(wěn)定；由單片機(jī)控制按鍵，自由選擇模式，以及充電時(shí)間；考慮到過分充電會損壞電池，因此加入ADC0809和單片機(jī)的控制，返回手機(jī)電流情況，來控制降低電流的輸入和停止充電。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。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)在以至將來都會有強(qiáng)大的生命力。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖21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。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。所選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下：尺寸40mm20mm3mm，峰值電流60mA，如圖22所示。圖23 串聯(lián)后的太陽能電池板,電流最大可達(dá)120mA，,但由于忽略了實(shí)際狀況下，所以若想達(dá)到理想電壓和LM7805最大承受電流，則需要此型號的電池板49塊，且在太陽光強(qiáng)度最佳的時(shí)候，可達(dá)到理想值，而充電時(shí)的實(shí)際輸出可根據(jù)不同的被充電對象進(jìn)行平滑調(diào)整。功能：輸出穩(wěn)定電壓5V，輸出電流接近1A。LM7805為三端系列穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，輸出電壓5V，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流、過熱和過載保護(hù)電路，帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1A，雖然是固定的穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電路[5]。圖24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)置的啟動電路，在穩(wěn)壓電源啟動后處于正常狀態(tài)時(shí)，啟動電路與穩(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。一般電容的耐壓應(yīng)高于電源的輸入電壓和輸出電壓。LM7805輸入電壓為8V到36V，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，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。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。51系列單片機(jī)不僅是國內(nèi)用得最多的單片機(jī)之一，同時(shí)也是最適合上手學(xué)習(xí)單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的一款單片機(jī)。 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。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)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會一下子斷開。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度，圖25為本設(shè)計(jì)的按鍵接線圖。、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。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。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。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連幾個(gè)移位寄存器。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。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。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的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。Q0Q7(第3—6和10—13引腳)并行輸出端分別接LED顯示器的DPA各段對應(yīng)的引腳上。要顯示某字段則相應(yīng)的移位寄存器74LS164的輸出線必須是低電平。 BUCK斬波電路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，為了防止輸出電壓過高，破壞電路燒毀元件，或者是輸出電壓太低元器件不能正常工作，本設(shè)計(jì)中引入斬波變換電路對輸出電壓進(jìn)行升壓或者降壓變換，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。它有兩種類型，即線性變換器和開關(guān)變換器。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波[11]。其具體的電路有以下幾類[12]：（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。還有Sepic、Zeta電路。 電壓電流的A/D采集受外界環(huán)境因素的影響，太陽能電池輸出的電壓極不穩(wěn)定，而且隨著手機(jī)電池充電的飽和，恒壓充電的電流會隨著時(shí)間的推移逐漸降低，因此需要采集太陽電池輸出的電壓電流信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送由單片機(jī)進(jìn)行判斷是否需要進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)使輸出接近設(shè)定值。其內(nèi)部有一個(gè)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(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,可以和單片機(jī)直接接口。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（2）引腳結(jié)構(gòu) IN0－IN7：8條模擬量輸入通道 ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0