【正文】 tic design and production. PROTEUS simulation with circuit simulation software was acplished, and a corresponding circuit board was produced. However, due to time constraints, failed to plete the kind of experimental test. In this paper, also the structure of the principle of solar cells, solar panels of the Volta metric characteristics of leadacid batteries monly used in the work of principle was detailed, and the basis of methods monly used on rechargeable batteries was introduced. Key words: solar。但是由于時間關(guān)系，沒能完成實物的實驗測試。硬件系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源電路， A/D 實現(xiàn)對蓄電池端電壓的動態(tài)監(jiān)測及轉(zhuǎn)換、 AT89S52 控制以及輸出繼電器開關(guān)電路四個部分組成，完成了整個太陽能充電控制器電路原理圖的設(shè)計和制作。 本文重點研究了用 AT89S52 實現(xiàn)太陽能充電控制技術(shù)。因此，太陽能的利用越來越受到人們的重視。 中 國 礦 業(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè) 計 姓 名： XXX 學(xué) 號 ： 學(xué) 院： 信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程與自動化 設(shè)計題目： 單片機控制的太陽能充電器（硬件） 專 題： 指導(dǎo)教師 ： XXX 職 稱： 副教授 2021 年 6 月 徐州 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計任務(wù)書 學(xué)院 信電學(xué)院 專業(yè)年級 電氣工程與自動化 20211 學(xué)生姓名 XXX 任 務(wù) 下 達 日 期 ： 200 9 年 2 月 16 日 畢業(yè)設(shè)計日期： 2021 年 2 月 16 日至 2021 年 6 月 20 日 畢業(yè)設(shè)計題目： 單片機控制的太陽能充電器（硬件） 畢業(yè)設(shè)計專題題目： 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： （ 1）主觀上能以認真的態(tài)度對待畢業(yè)設(shè)計； （ 2）能積極主動與教師聯(lián)系； （ 3）具有較強的動手能力； （ 4）掌握太陽能電池板的工作原理和蓄電池充電方法； （ 5）掌握 51 系列單片機的使用； （ 6）完成 Protel 制作的 單片機控制的太陽能充電器的原理圖； （ 7）完成與畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容有關(guān)的英文翻譯（近三年的文獻），不少于 3000 漢字； （ 8）完成畢業(yè)設(shè)計論文。 院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： i 摘 要 在污染和能源口趨緊張的背景下，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大、利用經(jīng)濟、清潔環(huán)保等優(yōu)點。本文試圖設(shè)計一種切實可行的太陽能充電控制器，通過對蓄電池充電，滿足小功率的用戶需求。詳細介紹了 100 瓦太陽能電池板向 12 伏蓄電池充電的 太陽能 控制器硬件系統(tǒng)， 包括系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、各部分電路的功能、工作原理和電子元器件型號的選取。用 PROTEUS 仿真軟件進行了電路仿真，并且制作了相應(yīng)的電路板。 本文還對太陽能電池的結(jié)構(gòu)原理、太陽能電池板的伏安特性、常用 的鉛酸蓄電池原理及工作情況作了詳細介紹，并在此基礎(chǔ)上介紹常用的蓄電池充電方法。 battery。 AT89S52。能量以電的形式出現(xiàn)，是現(xiàn)代社會文明的重要標(biāo)志和基礎(chǔ)， “電力技術(shù)是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁” 這個論斷已經(jīng)成為共識。但是隨著電能利用比例的提高，也帶來了很多的問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加，目前人類所利用的石油、天然氣和煤炭等化石能源正在逐步消耗，能源危機已經(jīng)展現(xiàn)在人類面前。中國的能源資源儲量情況更是危機逼人，中國各種一次能源資源均低于世界平均水平，中國的能源需求面臨著更嚴重的挑戰(zhàn)。而且隨著科技的進一步發(fā)展、人口的持續(xù)增長等，整個世界面臨著能源需求量成倍增長的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，化石燃料的燃燒已經(jīng)給 人 們的生活環(huán)境帶來嚴重的挑戰(zhàn)：大氣中的顆粒物和二氧化硫濃度增高，由此帶來的直接災(zāi)難就是酸雨，在嚴重被污染的大氣中人類和其他生物的健康遭受著痛苦的折磨；大量碳化物的燃燒使得大氣中的二氧化碳濃度持續(xù)增加，溫室效應(yīng)越趨明顯，并 且這種勢頭正在延續(xù)，由此帶來的直接災(zāi)難就是大氣變暖、水平面上升等。環(huán)境污染所帶來的最直接、最容易被人們所感受的后果就是使人類環(huán)境的質(zhì)量下降，影響人類的生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動。隨著經(jīng)濟和貿(mào)易的全球化，環(huán)境污染也日益呈現(xiàn)國際化趨勢。由此在開發(fā)和使用能源的同時，保護好人類賴以生存的地球環(huán)境與生態(tài)已經(jīng)成為一個全球性的重要問題。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 太陽能的開發(fā)和利用 [4,5,6,7,8,] 正如上面所說的一樣，能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)， 21 世紀是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革的世紀。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的不斷惡化，傳統(tǒng)能源 (如煤、石油、天然氣等 )的供給已出現(xiàn)嚴重短 缺局面，人類開始將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的發(fā)展。 雖然在可預(yù)見的將來，煤炭、石油、天然氣等礦物燃料，仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，但人們對核能以及太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水力能、生物能等可再生能源資源的利用日益重視，在整個能源消耗中所占的比例正在顯著地提高。 其中，可再 生能源主要有以下幾個方面： ① 太陽能：據(jù)天文物理學(xué)家的計算表明，太陽系還能存在 45 億年，太陽每年輻射到地球的總能量相當(dāng)于人類能源消耗的 萬倍。 ③ 風(fēng)力發(fā)電、小水電與潮汐發(fā)電：可提供可觀的電力。這些能源原本是人類的廢棄物所轉(zhuǎn)化過來的，只要有人類的存在，就會有生物能，所以這種能源也可以說是用之不竭的。 其中，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。因為它具有以下的特點： ① 存儲量巨大：太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用量巨大。其中到達地球的能量高達 10? KW，穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為 10? KW。太陽的壽命至少尚有 40 億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源不斷供給地球能源的時間可以說是無限的。 ③ 清潔無污染，無任何物質(zhì)的排放，既不會留下污染物，也不會向大 氣中排放廢氣。太陽能發(fā)電又分為光電發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。與常規(guī)發(fā)電和其他綠色發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢： ① 是真正的無污染排放、不破壞環(huán) 境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算器的幾個毫伏，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價格還比較高，不過其維修費用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價格會下降，優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)出來。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段： ① 限流限壓式充電器 最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時間，沒有次數(shù)，比如 10 年。 ② 恒流 /限壓式充電器 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場近半個世紀。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。 ③ 自適應(yīng)智能充電器 隨著大規(guī)模集成 IC 的出現(xiàn)，充電設(shè)備進入了一個全新的自適應(yīng)、智能階段，即稱為第三代充電器。并且具有溫度補償功能。 充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，相應(yīng)的就出現(xiàn)了各種類型的充電器，以下就是一些簡單的充電器類型： 普通型充電器 這是最基本和最常用的一種簡單型充電器，實際上就是一個變壓器降壓、二級管整流電路； 可調(diào)型充電器 簡單地說就是電池充電可調(diào)節(jié)，它是根據(jù)充電電池的電壓來調(diào)節(jié)充電的方式； 自動型充電器 顧名思義就是可以實現(xiàn)充電自動化的裝置，它分為全自 動型和半自動型，大多都可以進行軟件編程，通過為處理起來實現(xiàn)特定的功能； 多功能型充電器 就是可是實現(xiàn)多種功能的充電器，它的作用不僅僅局限于充電了，比如穩(wěn)壓充電器、恒流 恒壓充電器，具有自檢功能的充電器、具有停電記憶充電器、帶放電功能的充電器等等； 還有其他許多的充電器，比如快速型充電器、恒流型充電器、太陽能充電器，都是在充電器發(fā)展的過程中逐漸產(chǎn)生的。一般的市電充電器都是在引出來電網(wǎng)電壓之后先進行降壓處理，再通過整流裝置給 各種蓄電池充電，這種充電器的優(yōu)點就是當(dāng)市電穩(wěn)定時它可以提供穩(wěn)定的充電平臺。另外，太陽能充電器可以很方便的攜帶，這樣它在一些比較惡劣的環(huán)境下也能夠提供充電作用。 在 簡單的了解了太陽能充電器與一般市電充電器的差別，但是無論在細節(jié)上有多大的差別，其總體設(shè)計思路是一樣的：都是電源供電、充電控制、蓄電池和負載這幾部分構(gòu)成，圖 11 就表示了太陽能充 電控制器的整體結(jié)構(gòu)。 ② 根據(jù)太陽能電池輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計蓄電池的充電控制方法。 ④ 編寫單片機的執(zhí)行程序。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 2 太陽能電池的研究和分析 太陽能電池的原理 [8,9] 太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生 電子 —— 空穴對 。薄片的另一側(cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。對于半導(dǎo)體 PN 結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。 太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。半導(dǎo)體內(nèi)在 P 型和 N 型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅(qū)向 N 區(qū)，空穴驅(qū)向 P 區(qū)，從而使得 N 區(qū)有過剩的電子， P區(qū)有過剩的空穴，在 PN 結(jié)附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。若分別在 P 型層和 N 型層焊上金屬引線，接通負載，外電路 則 有電流通過。這樣，太陽的光能就直接變成了可付 諸實用的電能。 太陽能電池的分類 [9,13,14] 目前，有許多材料可以用來做太陽能光伏電池的半導(dǎo)體層，但是能產(chǎn)生高能量轉(zhuǎn)換效率的光伏材料并不多。從對太陽能光吸收效率、能量轉(zhuǎn)換效率、制造技術(shù)的成熟與否以及制造成本等多個因素來看，每種光伏材料各有其有缺點。 這里 采用的是硅太陽能電池 。 在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù) .開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池，電池轉(zhuǎn)化效率 20%左右 。 非晶硅薄膜太陽能電池與結(jié)晶硅電池相比轉(zhuǎn)換效率偏底 ， 但其成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，受到人們普遍的重視并得到迅速發(fā)展，電池最高轉(zhuǎn)換效率為 10%左右 。這個電流隨著光強的增加而增大，當(dāng)接受的光強度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。 太 陽 光 LI OIIV 圖 21 理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負荷的電壓 V 和流過負荷的電流 I 之間的關(guān)系式，可由下式給出。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻 SR 來表示。此時的等效電路可根據(jù)圖 22 來描述，其伏安特性可由 22 式給出。 太陽能電池板的輸出特性及影響因素 [12,13,42,44] 光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過 IV 和 PV 特性曲線來加以體現(xiàn)。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。 ② 開路電壓 OCV ：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 ④ 最大功率點電壓 ( MV )：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點 的電壓。 ⑥ 填充因子 MOC SCPFF VI? ? (24) ⑦ 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率 MP 與陽光投射到電池表面上的功率 SP 之比，其值取決于工作點。 以上各個參數(shù)可以在圖 23 中表示如下： I VO MPMVSCOCV 圖 23 太陽能電池的 IV 特性關(guān)系曲線 圖 23 中，在 IV 曲線上總可以找到一個工作點，此點處的輸出功率最大，此點就是最大功率點 (MPP