太陽能充電器的設(shè)計

1、目 錄摘 要10 引言11 電源及負載12 太陽能充電器硬件設(shè)計32.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案32.2 單片機電路32.3 LM7805應(yīng)用及控制器電源電路42.4 充電電路52.4.1 DC-DC變流電路52.4.2 Buck斬波電路52.4.3 實際充電電路62.5 電壓電流的A/D采集62.5.1 主要技術(shù)指標和特性62.5.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳72.5.3引腳連接結(jié)構(gòu)82.5.4 MAX472及電流檢測92.6 液晶顯示電路93 C51源程序的設(shè)計實現(xiàn)103.1系統(tǒng)整體程序框架103.2 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序103.3電路保護子程序113.4 充電子程序的設(shè)計123.5 電源子程序的設(shè)

2、計12結(jié)論13參考文獻13附錄1 主電路原理圖14附錄2 C51源程序16太陽能充電器的設(shè)計唐XX（XX大學 XXXX學院 20xx XXXXXX專業(yè)X班）摘 要：根據(jù)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)理論設(shè)計了一種太陽能充電器。該太陽能充電器由多晶硅太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，通過Buck變換器變換為穩(wěn)定的直流輸出，利用鋰離子電池充當儲能單元。應(yīng)用AT89S52單片機設(shè)計充電電路的控制管理系統(tǒng)并通過調(diào)節(jié)PWM波形的占空比來控制電路輸出。關(guān)鍵詞：太陽能電池；AT89S52單片機；智能充電；Buck變換器0 引言由于能源問題的日益緊張，引起人們對太陽能應(yīng)用的熱潮?，F(xiàn)在，由太陽能電池、充放電控制器、蓄電池構(gòu)成的產(chǎn)品

3、發(fā)展相對成熟，國內(nèi)外很多專家也正在這方面做深入的研究，太陽能應(yīng)用擁有廣闊的前景。本論文在所掌握的專業(yè)基本理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合其它相關(guān)學科方面的知識以及前人在這一領(lǐng)域的研究成果，針對節(jié)能環(huán)保和目前太陽能充電器對蓄電池的保護不夠充分，蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于AT89S52單片機的太陽能充電器的方案，在太陽能對蓄電池的充電方式、控制器的功能要求和實際應(yīng)用方面做了分析，完成了硬件電路設(shè)計、算法研究和軟件編寫，實現(xiàn)了對蓄電池的科學管理。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的前級由光伏電池、DC-DC變流器和蓄電池組成一個光伏充電器。1本設(shè)計由多晶硅太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能后，分別經(jīng)過穩(wěn)壓電路和Buc

4、k變換器處理后為控制模塊和充電電路供電。并對鋰離子電池的充、放電過程和影響鋰離子電池使用壽命的各種因素作了詳細的分析后，采取開始恒流快速充電，待電池電壓上升到限定值時，自動轉(zhuǎn)入恒壓充電的方法。充電過程中采用AT89S52單片機模擬PWM輸出來控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)電路對鋰離子電池的充電控制。系統(tǒng)中設(shè)計有過流過壓保護，以避免因電池過度充電而損壞。1 電源及負載1.1硅太陽能電池特性太陽能電池是一種利用光伏效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，它主要是由硅半導體材料構(gòu)成，當太陽光照射到半導體P-N結(jié)時，會在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生電壓，當外電路導通時，使P-N結(jié)短路就會產(chǎn)生電流，這個電流隨著光的強度增大而增大，當接

5、受的光的強度一定時，就可以由太陽能電池在光伏系統(tǒng)中負載的匹配特性決定系統(tǒng)的工作特性，并且太陽能電池可以看成恒流源。在I-V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（MPPT）。MPPT所對應(yīng)的電流為最佳工作電流，電壓為最佳工作電壓，功率為最大輸出功率，光伏電池不工作于最大功率點時，其效率都低于按此定義的效率值，甚至會低到零。原則上講，可對輸出功率求導使其為0，即可得到該電池的最佳工作點，從而求出最大輸出功率。但要求出其解析解，幾乎不可能。因為它受太陽能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響。其等效電路如圖1所示。圖1 太陽能電池等效電路2本設(shè)計選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)指

6、標如下：尺寸120mm120mm，峰值電壓5.5V，峰值電流180mA，標稱功率1W。實際采用兩塊相同參數(shù)電池板進行串聯(lián)，實測電池板的輸出電壓最大值為11.8V，電流最大可達110mA，總標稱功率為1.2W左右，實際輸出可根據(jù)不同的被充電對象進行平滑調(diào)整。1.2鋰離子電池充電方式鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高，自放電小，沒有記憶效應(yīng)，工作溫度范圍寬為-2060，循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大，使用壽命長，沒有環(huán)境污染，被稱為綠色電池。鋰離子電池標稱電壓（表示電池電壓近似值）3.7V,充電限制電壓（恒流充

7、電轉(zhuǎn)恒壓充電時的電壓值）4.2V。圖2 鋰電池常規(guī)充電方法圖2為3.7V鋰電池常規(guī)充電方法充電過程示意圖。首先恒流（0.2C或1C）充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到充電限制電壓（4.2V）時,改為恒壓充電，即電壓一定，電流隨著充電過程的繼續(xù)逐步減小，當減小到0.01C時，則認為充電終止。32 太陽能充電器硬件設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案太陽能電池在使用時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，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。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后不及

8、時停止會使電池過度充電。過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來，嚴重損害電池的壽命，這就需要一個復雜的控制管理系統(tǒng)。51系列單片機是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系列單片機具有強大的生命力。本系統(tǒng)將采用AT89S52做為充電電路的控制器，以較低的成本來實現(xiàn)復雜的充電智能控制。本系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖3所示，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由單片機編程調(diào)節(jié)PWM波形的占空比來控制開關(guān)管關(guān)斷，從而實現(xiàn)輸出電壓電流的改變。通過顯示電路顯示電路狀態(tài)，由ADC0809和MAX472實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換并傳給單片機做判斷處理

9、，最終實現(xiàn)電路的智能輸出與控制。2.2 單片機電路本系統(tǒng)單片機主要完成的任務(wù)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脈沖寬調(diào)制信號控制開關(guān)管的導通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。通過單片機編程不僅實現(xiàn)了充電過程的智能控制，而且可以大大簡化了硬件電路設(shè)計，由于單片機性能全面和適應(yīng)能力強，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需要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。本系統(tǒng)設(shè)計引腳接線如圖4所示，其中P1口接ADC0809數(shù)據(jù)端口，P0口接LCD1602數(shù)據(jù)端口。圖4 AT89S52最小系統(tǒng)及引腳連接2.3 LM7805應(yīng)用及控制器電源電路圖5 LM7805應(yīng)用

10、電源電路單片機電源電路的設(shè)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5是三端穩(wěn)壓集成電路LM7805的典型應(yīng)用電路。電路中C5的作用是消除輸入連線較長時其電感效應(yīng)引起的自激振蕩，減小紋波電壓，取值范圍在0.1F1F之間。在輸出端接電容C6是用于消除電路高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取0.1F左右。C7是整流后的第一級濾波電容，取值視情況越大越好。一般電容的耐壓應(yīng)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C6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接一個二極管，將斷電后輸入輸出端電壓鉗制在1

11、V以內(nèi)。LM7805輸入電壓為7V到35V，最大工作電流1.5A，具有輸入電壓范圍寬，工作電流大，輸出精度高且工作極其穩(wěn)定，外圍電路簡單，成本低等特點，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，從而使單片機等控制電路正常工作。 2.4 充電電路2.4.1 DC-DC變流電路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。斬波電路的控制方式有三種：一是周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間ton，叫脈沖寬度調(diào)制；二是ton不變，改變開關(guān)周期T，叫頻率調(diào)制；三是混合型。直流斬波電路包括六種基本電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波

12、電路，Zeta斬波電路。42.4.2 Buck斬波電路根據(jù)太陽能電池的特性，在本設(shè)計中輸入始終大于輸出，所以設(shè)計采用脈沖寬度調(diào)制方式的Buck變換器。Buck變換器又稱降壓斬波電路或串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電路。其原理圖和等效電路圖如圖6所示。圖6 降壓斬波電路原理圖及其等效電路圖Buck變換器由開關(guān)管V1、二極管V2、電感線圈L和電容器C組成，開關(guān)管V1受占空比為D的脈沖的控制，交替導通或截止，再經(jīng)L和C組成的濾波器，在負載R上得到直流輸出電壓Uo，從而完成將未經(jīng)穩(wěn)壓的直流輸入電壓Ui變換成平滑直流輸出電壓Uo的功能。我們采用圖6所示的等效電路圖來分析串聯(lián)開關(guān)電路的穩(wěn)態(tài)工作過程。開關(guān)管V1用一開關(guān)S來代

13、替。當開關(guān)S處于位置1時，表示開關(guān)管V1處于導通狀態(tài)。電流Ii=IL，流過電感線圈L時，在電感線圈未飽和前電流線性增加，負載R流過電流IoR上的電壓即輸出電壓Uo，其極性為上正下負。當IiIo時，電容器C處于充電狀態(tài)，而二極管V2處于反偏置狀態(tài)。當開關(guān)S處于位置2時，表示開關(guān)管V1處于截止狀態(tài)。Ii=0，而電感線圈中的電流IL不會發(fā)生突變，電感線圈L中的磁場將改變L兩端的電壓UL的極性，以維持電流IL不變。負載R上的電壓Uo仍保持上正下負。在IL0。當開關(guān)管V1處于截止狀態(tài)時Ii=0。所以輸入電流Ii隨開關(guān)管V1周期性的導通和截止而成為脈動電流，但輸出電流Io在電感線圈L、續(xù)流二極管V2、濾波

14、電容器C的作用下卻保持連續(xù)平滑。52.4.3 實際充電電路變換器工作在連續(xù)模式時，通常選擇電感的額定電流大致等于流過此裝置的最大連續(xù)電流，然后選擇適當?shù)碾姼惺蛊潆娏骷y波比r約為0.4。這里r定義為IC為最大負載時電感電流波形的中心，I為其變化擺幅。對于Buck電路，電感電流波形的平均值（幾何中心）等于負載電流，當輸入電壓增加時電流的峰值同時增加。因此在Buck變換器的磁路設(shè)計中，高輸入電壓為其最不利的工作條件。6圖7 Buck變換器充電電路2.5 電壓電流的A/D采集2.5.1 主要技術(shù)指標和特性ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進行A/D轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)

15、，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進行A/D轉(zhuǎn)換。分辨率：8位。總的不可調(diào)誤差：1LSB。轉(zhuǎn)換時間：取決于芯片時鐘頻率，如CLK=500kHz時，TCONV=128s。單一電源：+5V。模擬輸入電壓范圍：單極性05V；雙極性5V,10V（需外加一定電路）。具有可控三態(tài)輸出緩存器。啟動轉(zhuǎn)換控制為脈沖式（正脈沖），上升沿使所有內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D轉(zhuǎn)換開始。使用時不需進行零點和滿刻度調(diào)節(jié)。2.5.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳分別如圖8所示。由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)

16、可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。其各引腳定義如下：圖8 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及外部引腳圖IN0IN7：8路模擬輸入，通過地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC選通一路。D7D0：A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道選擇地址信號。地址信號與選中通道對應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1 通道選擇表地 址選中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1I

17、N2IN3IN4IN5IN6IN7 ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效。當此信號有效時，A、B、C三位地址信號被鎖存，譯碼選通對應(yīng)模擬通道。在使用時，該信號常和START信號連在一起，以便同時鎖存通道地址和啟動A/D轉(zhuǎn)換。VR(+)、VR(-)：正、負參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準電壓。在單極性輸入時，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時，VR(+)、VR(-)分別接正、負極性的參考電壓。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正在進行轉(zhuǎn)換時又接到新的啟動脈沖，則原來的轉(zhuǎn)換進程被中止，重新從

18、頭開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，高電平有效。該信號在A/D轉(zhuǎn)換過程中為低電平，其余時間為高電平。該信號可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號，也可作為對CPU的中斷請求信號。在需要對某個模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動信號反饋接到START端，但在剛加電時需由外電路第一次啟動。OE：輸出允許信號，高電平有效。當微處理器送出該信號時，ADC0809的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線被讀走。2.5.3引腳連接結(jié)構(gòu) 圖9 ADC0809與AT89S52的引腳結(jié)構(gòu)如圖9所示，本設(shè)計中用單片機的P1口接收來自ADC0809的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，P3.0、P3.1、P3.2依次接在ADC0809的A

19、、B、C地址線，P3.3接在0809的ALE端，P3.4接START，P3.5接EOC端，P3.6接OE端，時鐘信號由單片機的ALE端經(jīng)74LS74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。ADC0809具體工作過程為：首先P2.0、P2.1、P2.3輸入3位地址，并使P2.3輸出高電平，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請

20、，而觸發(fā)單片機動作準備接收數(shù)據(jù)，這是使P3.6輸出高電平，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P1口然后做下一步處理操作。2.5.4 MAX472及電流檢測常規(guī)測量電流的方法存在測量范圍小、測量誤差大等缺點。采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472的在線電流檢測器，克服了常規(guī)方法的缺點，實現(xiàn)了電流的高精度測量。7圖10 電流檢測電路2.6 液晶顯示電路圖11 LCD1602液晶顯示電路表2 1602液晶的引腳說明管腳號管腳引腳說明管腳號管腳引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)

21、據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/O5R/W讀/寫（H/L）13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極3 C51源程序的設(shè)計實現(xiàn)3.1系統(tǒng)整體程序框架圖12 程序主流程圖本設(shè)計整體工作主要由單片機程序控制實現(xiàn)，其工作過程為：電路啟動初始化，電路功能選擇，輸出選擇并確定輸出，單片機采集計算輸出PWM信號，定時采集數(shù)據(jù)并處理調(diào)節(jié)PWM信號占空比等，程序整體框架如圖12所示。3.2 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序數(shù)據(jù)采集主要由單片機控制ADC0809完成，A/D轉(zhuǎn)換程序過程為發(fā)送地址和啟動轉(zhuǎn)換命

22、令，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，接收數(shù)據(jù)，處理并存入緩存，程序流程如圖13所示。本設(shè)計需要分別采集Buck轉(zhuǎn)換器兩端的輸入輸出電壓和輸出電流等三個模擬信號，通過ADC0809轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號后分別保存交由單片機處理。其結(jié)構(gòu)流程如圖13所示。圖13 數(shù)據(jù)采集子程序結(jié)構(gòu)流程圖3.3電路保護子程序本設(shè)計設(shè)有一套電路保護機制，由電路保護子程序完成。流程如圖14所示。圖14 電路保護子程序流程圖3.4 充電子程序的設(shè)計圖15 充電子程序結(jié)構(gòu)流程圖充電過程分兩階段進行，第一階段為恒流充電，充電電流可設(shè)定，當充電電壓達到4.1V時轉(zhuǎn)入第二階段，即4.2V的恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時間的推移而逐漸降低，待充電電流

23、降到10mA時，表明電池已充到額定容量的93%95%，此時即可認為基本充滿，如果繼續(xù)充下去，充電電流會慢慢降低到零，電池完全充滿。充電過程中，液晶顯示指示閃爍；充滿時，液晶顯示指示閃停。充電子程序流程圖如圖15所示。3.5 電源子程序的設(shè)計本太陽能手機充電器與傳統(tǒng)充電器相比，最大的優(yōu)點就是不僅能直接給電池充電，還能作為普通的直流電源使用，其中的5.5V直流輸出也可以直接給手機充電，或作為MP3等其他小電子設(shè)備的供電電源。數(shù)字顯示，并有完善的過流保護功能，從而確保電子產(chǎn)品的安全使用。充電子程序流程圖如圖16所示。圖16 電源子程序結(jié)構(gòu)流程圖結(jié)論本充電器系統(tǒng)的設(shè)計分為硬件電路設(shè)計和程序設(shè)計兩個部分

24、，硬件電路設(shè)計屬于前期的主要工作，通過方案論證與可行性分析，最終確定由AT89S52單片機完成主電路的控制與設(shè)計，并展開外圍電路與控制硬件電路設(shè)計，硬件電路的設(shè)計主要是電路原理圖的繪制以及參數(shù)的確定。在硬件電路設(shè)計上遇到的一些問題主要集中在輸出電流的續(xù)流與檢測上，最終選擇用MAX472來簡便實現(xiàn)。軟件的設(shè)計采用模塊化的程序設(shè)計方法，分為主程序部分、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采集模塊、液晶顯示模塊、以PWM脈沖信號產(chǎn)生模塊等。程序的設(shè)計既參考了一些資料里的內(nèi)容，也有相當多的自我設(shè)計，比如說PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生程序，就是參考了網(wǎng)友提供的標志位加定時器實現(xiàn)的方法。主程序中有關(guān)數(shù)據(jù)的處理計算則是都獨立完成的，這

25、些涉及到具體硬件電路的實現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理中有簡單的單字節(jié)算法，也有雙字節(jié)的，有的則采用巧妙的算法有效避免出現(xiàn)雙字節(jié)，從而使程序設(shè)計變得簡單。對于本設(shè)計，如果進行進一步的的研究，應(yīng)該在以下幾個方面重點考慮：（1）PWM和A/D轉(zhuǎn)換采集可以由集成了PWM及A/D功能的單片機完成，這樣解放了單片機的定時計數(shù)器，并提高了電路輸出精度和效率，降低了成本；（2）充電電路的器件選擇可以更合理，使充電及輸出更穩(wěn)定；（3）充電方法可以改進，提高太陽能利用效率。（指導教師：唐XX）參考文獻：1 肖鵬,陳國呈等.一種新型光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)拓撲及控制策略J.上海大學學報（自然科學版）,2008,14(6).633-636.2 熊紹珍,朱美芳.太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用M.北京:科學出版社,2009.106-108.3 GB/T 18287-2000,蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)則S.4 王兆安,劉