【正文】 電。放電電路如圖46所示。將參數(shù)Vin=，Vout=5V，Ipmax=，f=50KHz代入式(44)中，可計算得升壓電感L=。 根據(jù)計算結(jié)果與實際常用值，本設(shè)計選取22μH的電感，560μF的電容。開關(guān)管選擇的型號為N溝道MOSFET管NCE3010，其額定電壓為VDS=30V，額定電流ID=10A。圖47 放電電路simulink模型圖48(a)蓄電池輸出電壓波形圖48(b) BOOST輸出電流波形 圖48(c) BOOST輸出電壓波形 從仿真結(jié)果可以看出，利用單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制，當鋰離子電池輸出的電壓降低時，可以保證輸出電壓與電流的穩(wěn)定，保證了手機充電的穩(wěn)定性。由于AT89C51單片機具有低電壓、高性能的特點，含有定時器能夠控制系統(tǒng)定時采集PWM脈沖控制信號、3個8路的I/O口用來連接按鍵、顯示以及數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求，所以本設(shè)計選取型號為AT89C51的單片機，完成控制數(shù)據(jù)的采集以及對采集的數(shù)據(jù)分析處理后生成PWM脈寬調(diào)制信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示的任務(wù)，從而實現(xiàn)了充電過程的智能控制。包含中央處理器(CPU)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)、中斷系統(tǒng)、串行接口、并行接口和計數(shù)/定時器等幾大單元。單片機AT89C51的管腳說明如下：VCC——供電電壓；GND——接地端； P0口——P0口是一個8位雙向I/O口。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故；P2口——P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口； P3口——P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口；RST——復(fù)位輸入。在由外部程序存儲器取指期間，每圖49 單片機AT89C51引腳圖個機器周期兩次PSEN有效。 單片機的具體工作過程是：上電復(fù)位，查詢按鍵確定功能，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)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。單片機復(fù)位電路的極性電容的大小直接影響單片機的復(fù)位時間，一般采用10uF，容值越大需要的復(fù)位時間越短。單片機的復(fù)位電路如圖410所示，晶振電路如圖411所示。這樣可以使檢測到的電壓信號能夠通過ADC0809進行數(shù)模轉(zhuǎn)化之后輸入單片機進行判斷。 電流采樣電路由電流檢測芯片MAX471來完成。MAX471還有如下的特點： 具有電流檢測功能，所能跟蹤的電流變化頻率高達130KHz；內(nèi)含精密的檢測電阻；具有雙向檢測指示，可監(jiān)控充電和放電兩種狀態(tài)；并聯(lián)使用時可以擴大檢測電流范圍；最大供電電流為100μA，關(guān)閉方式時的電流僅為5μA，所需的供電電壓范圍為3到36V[12]。MAX471各引腳功能說明如下：SHDN——關(guān)閉信號，正常操作時接地；當它為高電平時，供電電流小于5181。RS+——內(nèi)部傳感電阻的電源端。SIGN——集電極開路邏輯輸出，SIGN為低電平表示電流由RS－流向RS+。OUT——電流輸出端，該電流的大小正比于流過傳感電阻的電流。當所設(shè)定的電流增益為5104時，由公式： (411)可知，當輸出電阻Rout=2KΩ時，在傳感電流允許變化范圍(3A≤Isense≤3A)內(nèi),輸出電壓Vout的變化范圍為：3V≤Vout≤3V。 (3)電壓電流的采集與轉(zhuǎn)換 在主電路采集到的電流、電壓模擬信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后，再送到單片機判斷是否需要進行脈寬調(diào)節(jié)使輸出接近設(shè)定值。 ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。ADC0809的引腳圖如圖413所示。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；CLK——時鐘信號。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號；ST——轉(zhuǎn)換啟動信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。、B、C地址線；；；；時鐘信號由單片機的ALE端經(jīng)74HC74觸發(fā)器二分頻后提供，單片機采用12MHz晶振，ALE端經(jīng)二分頻后為500KHz。而觸發(fā)單片機動作準備接收數(shù)據(jù)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，單片機讀取P0口然后做下一步處理操作。在本設(shè)計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法。按鍵接線圖如圖414所示。其中，上拉電阻的阻值選擇10K。它顯示的內(nèi)容主要是：太陽能手機充電器的工作模式、蓄電池的充放電程度以及系統(tǒng)工作時出現(xiàn)的故障[15]。圖415 LCD1602與單片機的連接圖LCD1602的引腳功能說明如下：GND——接地端；Vcc——電源正極； VL——液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度；RS——寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器； RW——讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 (6)驅(qū)動電路 為了避免強弱電互相干擾，在主電路與控制電路之間要加入光電隔離措施。 6N137光電耦合器是用于單通道的高速光耦合器，由一個高發(fā)射強度的紅外發(fā)光二極管和一個高速高增益的光敏檢測集成電路組成。其引腳圖如圖45所示。為低時，輸出都為高。 (2)6N137工作原理 由于6N137輸入正向電流為3mA，即可導(dǎo)通二極管， 單片機AT89C51輸出低電壓時的灌電流為3mA，輸出為高電平時的拉電流為10uA，顯然，3腳接地，控制2腳不能驅(qū)動內(nèi)部二極管，因此2腳接+5V，控制3腳，可以控制內(nèi)部二極管的導(dǎo)通，通過PNP飽和導(dǎo)通即可實現(xiàn)，且2腳應(yīng)串接一個限流電阻。6腳輸出電路是集電極開路電路，必須有上拉一個電阻。 軟件設(shè)計 (1)整體軟件功能設(shè)計 整個控制系統(tǒng)的核心就是單片機，而單片機發(fā)出的所有控制命令都要通過軟件來實現(xiàn)。 (2)各部分流程設(shè)計 系統(tǒng)整體的工作過程為：電路啟動初始化，電路功能模式的選擇，輸出選擇并確定輸出，單片機采集信號并計算輸出PWM信號，定時采集數(shù)據(jù)并調(diào)節(jié)PWM信號占空比。圖51 系統(tǒng)整體流程圖初始化是為單片機的運行設(shè)置初始的運行環(huán)境，主要完成以下工作：清片內(nèi)，每次單片機加電時，都將引起單片機的上電復(fù)位操作。這些未知的值在單片機復(fù)位完成，正式運行以后，會產(chǎn)生無法讓程序設(shè)計人員掌握的后果，甚至?xí)斐上到y(tǒng)的損壞。設(shè)置系統(tǒng)運行所需的各個參數(shù)，設(shè)置定時器和中斷設(shè)定[16]。鍵盤子程序用于探測開關(guān)、是否處在有效的開關(guān)狀態(tài)，以決定是否啟動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。其中讀取端口后要做一定的延時以排除鍵抖引起的誤動作。 圖52 初始化程序流程 圖53 按鍵采集程序流程圖 充電過程為：采集并判斷蓄電池的電壓與充電電流。轉(zhuǎn)入浮充充電。充電子程序的流程圖如圖55所示。正常工作時要根據(jù)BOOST電路輸出電壓調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，使電路穩(wěn)定輸出5V。圖56 放電子程序流程圖 本章小結(jié)本章主要介紹了以單片機為控制核心的太陽能手機充電器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計，還具體介紹了基于MPPT的蓄電池充放電電路、控制電路按鍵及顯示電路的參數(shù)計算與器件選型。結(jié)論 結(jié)論本文完成了關(guān)于太陽能手機充電器的兩種設(shè)計。在蓄電池充電的部分采用專用的太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，放電部分采用升壓芯片將蓄電池輸出電壓升壓到5V為手機充電。因此，這種充電器具有能耗低、體積小、經(jīng)濟、可靠的優(yōu)點。另一種是以單片機為控制核心的基于MPPT的太陽能手機充電器的設(shè)計，這種充電器在陽光下可以向蓄電池存儲能量，也可以直接問手機充電，蓄電池還可以隨時為手機充電。并且設(shè)計了三種工作模式，即太陽能電池向蓄電池充電模式、太陽能電池向手機充電模式、蓄電池向手機充電模式，可以通過按鍵來選擇工作模式，還可以由液晶顯示屏顯示充放電的狀態(tài)與故障提示。本文設(shè)計的太陽能手機充電器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)其作為充電器的基本功能指標。因此，在進一步的設(shè)計中要注重電磁兼容與保護電路的設(shè)計，做出一個真正節(jié)能環(huán)保、安全可靠、可以投入實際應(yīng)用的產(chǎn)品。參考文獻[1] 黃春耀.《基于單片機的智能充電控制器的設(shè)計與應(yīng)用》[J].《龍巖學(xué)院學(xué)報》.2007:12 [2] 王鵬.《產(chǎn)業(yè)鏈視角下中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析》[J].《產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟學(xué)》.2009[3] 余翔.《太陽能發(fā)電技術(shù)簡介》[J].《科技交流》.2005[4] 徐德鴻.《電力電子系統(tǒng)建模及控制》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：117121[5] 曹祖亮.《光伏發(fā)電系統(tǒng)及最大功率點跟蹤控制方法比較》[J].《廣東電力》.2010[6] 王兆安，[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011[7] 鄭俊欽.《鋰離子蓄電池及其安全保護性能的檢測》[J].《海峽科學(xué)》.2014[8] Boico f.,Lehman B.,Shujaee K..Solar Battery Chargers for NiMH Batteries[J].Power Electronics Specialists,2005 IEEE 36th Conferench:146152[9] 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首先，手機已普及到世界范圍，而手機的電池儲能卻是十分有限的，使用手機的人都有過這樣的經(jīng)歷，外出或旅游時電池突然沒電了，特別是在火車、汽車、輪船等沒有電源的交通工具上，因充電器不在身邊或找不到充電的地方，影響了手機的正常使用，使手機變成了信息交流的盲區(qū)，造成不必要的麻煩和經(jīng)濟損失。為了子孫后代的生存和發(fā)展，尋找清潔的替代能源問題已迫在眉睫。而在中國，蘊藏的豐富的太陽能資源，太陽能應(yīng)用和市場廣闊。只要有光，就可以隨時隨地給手機充電，大大方便了我們的外出生活。所以說，太陽能充電器既節(jié)約了能量，又使用方便，是居家旅行的必備品。其中硬件電路的設(shè)計包括斬波電路、穩(wěn)壓電路、單片機電路、信號采集電路等的閉環(huán)電路的設(shè)計；軟件程序設(shè)計包括電路啟動程序、按鍵采集程序、數(shù)碼管顯示程序、數(shù)模轉(zhuǎn)換程序等的編寫。 圖12 工作原理圖 研究步驟、方法及措施 (1)、查閱理解相關(guān)資料，做好前期的準備工作； (2)、了解手機充電器市場現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，確定研究方向； (3)、針對太陽能手機充電器進行學(xué)習(xí)和研究，爭取提出創(chuàng)新； (4)、根據(jù)設(shè)計思路進行電路硬件及軟件部分的設(shè)計； (5)、對電路進行仿真測試，查找不足，進行改進，完善設(shè)計，論文定 稿，繪制圖； (6)、對論文進行裝訂整理，準備論文答辯。 研究工作進度 ~： 拿到畢業(yè)論文題目，接受畢業(yè)設(shè)計任務(wù)； ~： 明確設(shè)計任務(wù)和目的，查閱相關(guān)資料； ~： 消化理解資料，了解手機充電器的相關(guān)技術(shù)特征和技術(shù)要求， 收集、對比研究手機充電器實用方案，分析工作原理，開展 實用性，工程價值等的對比研究，完成理論知識的學(xué)習(xí)，選 定研究方向，初步確定設(shè)計思路，完成系統(tǒng)總體方案的設(shè)計； ~：完成開題報告； ~：準備開題答辯； ~： 深入學(xué)習(xí)太陽能充電技術(shù)，完善資料； ~： 在了解工作原理的基礎(chǔ)上研究光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和充電技術(shù)，完 成電路各個具體部分的設(shè)計； ~：準備中期答辯； ~： 對課題進行創(chuàng)新和突破； ~： 對選定的充電器電路開展仿真研究，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，給出研 究結(jié)論； ~：整合資料，完成論文撰寫以及圖紙繪制； ~：交給指導(dǎo)老師評閱，對論文進行修改； ~：準備畢業(yè)答辯