太陽能激光筆充放電電路設(shè)計(jì)

大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目太陽能激光筆充放電電路設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生姓名指導(dǎo)老師撰寫日期：2011年5月17日摘要太陽能激光筆是利用太陽能板來給激光筆的電池進(jìn)行充電的一種技術(shù)。激光筆作為教學(xué)中常用的一種教學(xué)輔助工具，可以指示講課過程中所要講的內(nèi)容。用激光筆教學(xué)有著指示準(zhǔn)確度高，功耗小的特點(diǎn)，但常見激光筆的電源為干電池或氧化銀電池，電量不足時(shí)需及時(shí)的換電池，給使用帶來極大的不方便。把太陽能充電技術(shù)與激光顯示技術(shù)結(jié)合，保證其正常的能量供應(yīng)，可以使激光筆的應(yīng)用性大大增強(qiáng)，因此太陽能激光筆在現(xiàn)實(shí)的教學(xué)工作中有著廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)通過把太陽能充電技術(shù)引入到激光筆中，利用太陽能充電來保證激光筆的電源供應(yīng)。用LM324運(yùn)算放大器及三極管等來設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動充放電的控制電路，實(shí)現(xiàn)充電的智能化，人性化，并且可以在充電和放電的過程中進(jìn)行狀態(tài)指示。本設(shè)計(jì)利用NIMultisim軟件對設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行仿真測試，完成了充滿后自動停止充電，電量不足時(shí)停止放電等電路控制測試，測試結(jié)果顯示達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。先從理論上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性，然后進(jìn)一步完成了實(shí)物驗(yàn)證，激光器都能正常工作，不僅充放電過程中的參數(shù)都可以達(dá)到較好的控制，而且設(shè)計(jì)的其它各項(xiàng)功能都通過了驗(yàn)證。本論文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在充電過程中的過充控制電路，電量不足時(shí)的放電控制電路。設(shè)計(jì)所用的元器件便宜，易于購買，電路原理簡單，可實(shí)現(xiàn)性較高，在成本控制和封裝上具有一定的優(yōu)勢。在NIMultisim軟件仿真的過程中，電路的反應(yīng)靈敏，各項(xiàng)參數(shù)都顯示正常、穩(wěn)定，為太陽能激光筆的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：太陽能；激光筆；光電轉(zhuǎn)換；充/放電路ConstructionandanalysisofasolarlaserpenAbstractThesolarlaserpenwasusedbyachargingcircuit,whichdesignedbyasolarpanel.Thelaserpenisacommonassistanttoolforteach.Itcanpointatthecontentwheretheteacherwantstoemphasis.Thelaserpenisofhighaccuracy,andlowpowerconsumption,butitusuallywasusedwithdrycellprovidingtheenergy.Whenthebatteryisinlowpower,thelaserpenalwaysneedstobechanged.Withdevelopingofthetechnologyofsolarcharging,thesolarenergycanprovidethestablepowertothelaserpen.Therefore,itcanmakeusmorecomfortabletousethelaserpen.Ofcourse,thesolarlaserpenhasavastpotentialinthefuturemarket.Thisdesignaddedthesolarchargingtechnologytothelaserpenusingthesolarchargingtomakesurethelaserpenhasasufficientenergysupply.ItwasusedwiththeamplifierLM324andtransistorstodesignaautomaticcharginganddischargingcontrolcircuit.Thenitmakesthechargingsmarthumanized.Italsohasadirectionwhileitischarginganddischarging.ThisdesignissimulatedandtestedthroughthesoftwareNIMultisim,ithasagoodtestresultinautomaticallystopchargingwhenthebatterypowerisfullandautomaticallystopdischargingwhenitislow.Itprovedthefeasibilityofdesignintheory.Andthencompletethephysicalverificationbyconnectingthecomponents,thelaserworkswell.Everyfunctioninthedesignisdemonstratedwell.Thekeyofthedesignarethecontrolcircuitofchargingwhenthepowerisfullandthedischargingwhenitislow.Thecomponentsinthedesignarecheapandcommon,theprincipleofthedesignissimple,anditiseasytoimplement,ithasanadvantageinthecostandcapsulation.InthesimulationofNIMultisim,theresponseissensible，everyargumentisstable,soitcanbeusedasaprincipleinsolarlaserpen’sproduction.KeyWords:Solar;LaserPen;PhotoelectricConversion;Charging-dischargingCircuit;目錄1引言 51.1太陽能激光筆研究現(xiàn)狀 51.2課題研究目的和意義 61.3研究內(nèi)容 62太陽能電池轉(zhuǎn)換原理、特性和應(yīng)用 72.1太陽能 72.1.1太陽能簡介 72.1.2太陽能的開發(fā)利用 72.2太陽能電池工作原理 72.3太陽能電池分類 82.4太陽能電池特性 82.5太陽能電池應(yīng)用 93太陽能激光筆設(shè)計(jì) 103.1太陽能激光筆設(shè)計(jì)思路 103.2太陽能激光筆的設(shè)計(jì)框架 113.3太陽能激光筆設(shè)計(jì)的原理圖及分析 113.4設(shè)計(jì)過程中各種參數(shù)的選擇及修改過程 133.5電路設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果 143.5.1仿真軟件 143.5.2仿真結(jié)果及分析 144太陽能激光筆的實(shí)物設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn) 184.1設(shè)計(jì)材料 184.2電路設(shè)計(jì)的實(shí)物效果 184.3太陽能激光筆設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向 195結(jié)語 20參考文獻(xiàn) 21致謝 22附錄一:評語 23附錄二：設(shè)計(jì)任務(wù)書 241引言1.1太陽能激光筆研究現(xiàn)狀激光筆又名激光教鞭或指星筆[1]，利用低功率的可視激光讓使用者在教學(xué)、演示時(shí)最大限度的發(fā)揮肢體語言的優(yōu)勢，讓教學(xué)、演講更生動，更完美，徹底解決以往在課堂和會議上使用鼠標(biāo)的不便，可以在整個(gè)教室里和學(xué)生互動的同時(shí)又能對上課的內(nèi)容進(jìn)行講解和操控，使老師的同學(xué)們之間的交流充分，方便了老師的教學(xué)。激光筆的發(fā)展大致可分為三代：（1）第一代激光筆是指單一激光功能的激光筆。這種激光筆只有激光功能，按發(fā)射的激光的顏色不同，分為紅光激光筆和綠光激光筆。紅光激光筆因?yàn)槌杀镜?，價(jià)格便宜，成為日常應(yīng)用的主流。綠光激光筆價(jià)格較貴。主要應(yīng)用于工程建筑以及天文觀測。激光筆在應(yīng)用中逐漸增加功能，帶有U盤存儲功能的U盤激光筆，帶可伸縮教鞭、普通賀珠筆功能的三合一激光筆。無論這種筆是否能寫字、存儲，是否能拉伸成為教鞭，它始終是以激光的功能為主體，起指示作用。（2）第二代激光筆在普通激光筆的基礎(chǔ)上增加了遙控電腦的功能，叫翻頁激光筆。翻頁激光筆要據(jù)所使用的無線傳輸技術(shù)的不同，分為紅外和射頻兩類。紅外翻頁激光筆采用紅外技術(shù)來傳輸遙控信號，和生活中使用的電視遙控器、DVD遙控器、空調(diào)遙控器的原理相同。紅外技術(shù)出現(xiàn)的比較早，技術(shù)成熟、復(fù)雜性低，由于紅外光不能空透物體，需要可視傳輸。在發(fā)射器的接收器之間，不能有任何物體阻擋，使用時(shí)表現(xiàn)為接收器和發(fā)射器在一定的角度內(nèi)對準(zhǔn)，方可實(shí)現(xiàn)遙控翻頁。射頻翻頁激光筆利用無線射頻技術(shù)來傳輸遙控信號。相對于紅外技術(shù)，射頻技術(shù)可以360度傳輸和繞射，沒有方向性。發(fā)射器和接收器之間也不需要對準(zhǔn)，只要接收器沒有被金屬包圍或者覆蓋，都可以實(shí)現(xiàn)遙控。（3）第三代無線激光筆由一個(gè)RF射頻控制器和一個(gè)接收器（USB接口）組成，RF射頻遙控器內(nèi)嵌有無線ＲＦ射頻發(fā)射器。在使用時(shí)只需將接收器插入電及主機(jī)的USB接口，無需安裝驅(qū)動即可正常工作。使用者只需點(diǎn)擊ＲＦ射頻搖控器的相關(guān)功能鍵便可操縱接收器。并且發(fā)射器不用對準(zhǔn)備接收器，真正體現(xiàn)了無線自由。激光筆可以在教室的任何一個(gè)角落都可以通過無線設(shè)備對幻燈片進(jìn)行操作，進(jìn)行上下頁翻操作，部分的還能夠?qū)崿F(xiàn)電腦的黑屏功能，暫時(shí)的關(guān)掉屏幕等。現(xiàn)在國內(nèi)的市場上，翻頁激光筆多為無線RF射頻發(fā)射器，其特性如下：1)內(nèi)置激光筆、同時(shí)具有相關(guān)遙控功能按鈕。揮動上、下翻頁按鈕等同于按下計(jì)算機(jī)鍵盤的PageUp、PageDown鍵。2）RF無線連接技術(shù)，使用時(shí)無需將發(fā)射器對準(zhǔn)備接收器。3）USB接口，即插即用，功能實(shí)用操作簡單，使用方便。4）發(fā)射器采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，適合長時(shí)間使用；接收器美觀小巧，節(jié)省空間。5）產(chǎn)品采用最先進(jìn)的RF射頻設(shè)計(jì)，微功率發(fā)射，對人體無損害，綠色、健康、環(huán)保。1.2課題研究目的和意義在現(xiàn)在的市場上，激光筆普遍用干電池進(jìn)行供電，沒有能夠利用太陽能板來對電池進(jìn)行充電。這樣在用的時(shí)候的可能會出現(xiàn)電源電壓較低時(shí)不能正常工作，但又不能立即找到合適的更換電源，這樣會給激光筆的使用造成一定的不便。本畢業(yè)設(shè)計(jì)是采用太陽能來給激光筆的電源進(jìn)行充電，構(gòu)建一個(gè)能用太陽能自動對激光筆電池進(jìn)行充放電控制的太陽能激光筆，設(shè)計(jì)的目的是能夠在激光筆的加上太陽能充電，由于太陽光到處可見，采集方便，所以在電源電壓較低時(shí)，只需放在太陽光下照射一段時(shí)間即可以使激光筆能夠正常工作，使激光筆的使用更為方便，保證了電源的及時(shí)供應(yīng)。因此設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用價(jià)值和市場。1.3研究內(nèi)容本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用太陽能作為激光筆的電源構(gòu)建太陽能激光器，其研究內(nèi)容包括太陽能電池的工作原理、太陽能充放電自動控制電路設(shè)計(jì)、太陽能激光筆的實(shí)物測試等等。設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是使太陽能激光筆充放電的自動控制設(shè)計(jì)，包括以下幾個(gè)基本要求。1）在電量充足的時(shí)候能夠自動停止充電。2）在電量不足的時(shí)候能夠自動的停止供電。3）在太陽能板不供電的時(shí)候，防止電池反向充電。通過設(shè)計(jì)可以有效的保護(hù)電池，進(jìn)一步保護(hù)激光筆，使激光筆的使用壽命大大提高，提供一種能夠滿足教學(xué)需要的低成本太陽能激光筆。2太陽能電池轉(zhuǎn)換原理、特性和應(yīng)用2.1太陽能2.1.1太陽能簡介太陽能是一種清潔的、取之不盡、用之不竭的可再生能源[3-6]。利用太陽能發(fā)電是開拓新能源和保護(hù)環(huán)境的有效途徑。太陽能（SolarEnergy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢能等。2.1.2太陽能的開發(fā)利用它的利用主要在三個(gè)方面:1.光熱利用:將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。2.光化利用:這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學(xué)轉(zhuǎn)換方式。3.光生物利用：通過植物的光合作用來實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)的過程。2.2太陽能電池工作原理太陽能電池[7-10]是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽輻射的光子帶有能量，當(dāng)光子照射半導(dǎo)體材料時(shí)，光能便轉(zhuǎn)換為電能，這個(gè)現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏效應(yīng)）。太陽能電池就是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的一種光電器件。 圖2-1光電轉(zhuǎn)換原理圖如圖2-1所示當(dāng)太陽光線照射太陽電池表面由P、N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，形成新的空穴-電子對。在P-N結(jié)電場的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，形成內(nèi)建靜電場。如果從內(nèi)建靜電場的兩側(cè)引出電極并接上適當(dāng)負(fù)載，就會產(chǎn)生一定的電壓和電流，對外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。2.3太陽能電池分類太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機(jī)太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。（1）硅太陽能電池：硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。其中單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。（2）多元化合物薄膜太陽能電池:多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。（3）聚合物多層修飾電極型太陽能電池:以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。（4）納米結(jié)晶太陽能電池納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10%以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到20年以上。（5）有機(jī)太陽能電池有機(jī)太陽能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。2.4太陽能電池特性太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染；太陽能電池可以大中小并舉，大到百萬千瓦的中型電站，小到只供一戶用的太陽能電池組，這是其它電源無法比擬的2.5太陽能電池應(yīng)用目前,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，如人造衛(wèi)星、無人氣象站、通訊站、電視中繼站以及太陽鐘、電圍桿、黑光燈、航標(biāo)燈和鐵路信號燈等。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。但是在目前階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。但是，從長遠(yuǎn)來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光—電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護(hù)和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實(shí)可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。3太陽能激光筆設(shè)計(jì)3.1太陽能激光筆設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)用的太陽能激光筆，要能夠具備一定簡單實(shí)用而又方便的功能。1）體積較小，簡單而實(shí)用激光筆要能夠靈活的指引屏幕上的內(nèi)容，移動迅速，定位準(zhǔn)確。而且在不用時(shí)候又不占用地方，存取方便，這樣可以參考市場上一般激光筆的產(chǎn)品，而進(jìn)一步對太陽能激光筆進(jìn)行合適的封裝設(shè)計(jì)。2）太陽能板對電池的充放電電路能夠自動控制設(shè)計(jì)可以選擇一個(gè)穩(wěn)壓管產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，一個(gè)比較器作為控制輸出的高低電平控制，一個(gè)三極管作為感應(yīng)高低電平輸入的開關(guān)管。（1）在電量不足的時(shí)候，自動關(guān)斷，不再對負(fù)載有輸出選擇一NPN型三極管充當(dāng)開關(guān)電源，基極作為控制端。通過比較器輸出的一個(gè)高低電平，自動對電源的電量進(jìn)行跟蹤比較，當(dāng)電量不足時(shí)，比較器輸入端的電壓會發(fā)生變化，在比較器的輸出端會產(chǎn)生一個(gè)低電平。這個(gè)低電平可以用來給三極管提供控制信號，使三極管的基極產(chǎn)生一個(gè)低電平，使整個(gè)三極管截止，這樣三極管不工作，幾乎沒有電流通過。比較電壓可以通過一個(gè)比較器進(jìn)行比較電壓輸入端的變化控制輸出的高低電平。如果把負(fù)載加在三極管的電流回路中，就可以起到斷開負(fù)載的作用，這樣就不再對整負(fù)載供電。實(shí)現(xiàn)對電路的防止過放保護(hù)。（2）在電源充足的時(shí)候，可以自動停止太陽能板對充電電池的充電，合理的保護(hù)電池，及整個(gè)激光筆。當(dāng)電量充滿時(shí)，取電壓值為其輸入信號。設(shè)定一個(gè)合適的電壓值，、過電阻分壓產(chǎn)生一個(gè)合適的電壓比較值。當(dāng)電壓達(dá)到該值時(shí)，比較器的兩端可以通過比較輸入的高低電平，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)高電壓，使三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而把充電電池的充電輸入端的電壓拉低，就可以實(shí)現(xiàn)自動斷開充電過程的作用。（3）防止電池電壓較高時(shí)對太陽能板的反向充電。選擇一個(gè)合適的二極管，利用二極管的正向?qū)ǎ聪蜉d止特點(diǎn)完成其進(jìn)行防反充作用。當(dāng)太陽能板電壓過高時(shí)，能夠使二極管正向?qū)?，此時(shí)太陽能板可以正常對充電電池進(jìn)行充電。當(dāng)外界光不足時(shí)，或太陽能板電壓過高時(shí)，可以使二極管進(jìn)行反向載止。阻斷電流的逆向流動，使電池不能夠反向?qū)μ柲馨宄潆?。合理的進(jìn)行保護(hù)電路。3）電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該經(jīng)濟(jì)適用電路的設(shè)計(jì)中所用的元器件應(yīng)該選擇現(xiàn)實(shí)中較常見，價(jià)格較低的元器件，在能夠盡可能的在保證電路性能穩(wěn)定的情況下，使太陽能的成本得到合理的控制。3.2太陽能激光筆的設(shè)計(jì)框架基本的框架應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：1）充電裝置：包括太陽能板及其所屬的部件，能夠采集太陽光，使其轉(zhuǎn)換成為自己需要的電能；2）充電控制電路：能夠?qū)?jīng)過太陽光轉(zhuǎn)換過來的電能進(jìn)行控制，然后連接至能量存儲裝置；3）能量存儲裝置：將太陽光轉(zhuǎn)換過來的電能進(jìn)行存儲，以便在無光的時(shí)候提供負(fù)載正常的電源供應(yīng)；4）放電控制電路：通過電源輸出的電路應(yīng)該進(jìn)行一定的控制，使其合理的對負(fù)載進(jìn)行放電。5）激光器：激光筆工作中使用的部分，用來指示所需要的位置。大致框架圖3-1可以如下表示 圖3-1太陽能激光筆框架圖 3.3太陽能激光筆設(shè)計(jì)的原理圖及分析 設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3-2所示，圖為整體的激光筆設(shè)計(jì)的電路[11-12]。其中V1代表的是太陽能充電板，用來給電源V2充電，V2代表的是蓄電池，給電路進(jìn)行充電，U1A、U1B是集成四運(yùn)放LM324中的兩個(gè)運(yùn)算放大器，通過進(jìn)行電壓比較輸出一高低電平，控制開關(guān)三極管的信號，Q1和Q2是控制充放電的開關(guān)三極管，用于開關(guān)斷電路，R1～R10為電路中的電阻，提供分壓，D3是2.5V的穩(wěn)壓管，用來提供2.5V的穩(wěn)定電壓作為比較電壓，LED1、LED2是指發(fā)光二極管，分別來指示充滿和電量不足狀態(tài)，C2為電容，用來過濾掉高頻信號，LAZER為激光器負(fù)載部分，提供激光源，用于指示作用。圖3-2激光筆設(shè)計(jì)原理圖1）充電控制電路圖3-2中V1、R10、D2、Q2、R9、V2、C2、J1、LED1、U1B、R7構(gòu)成了充電的控制電路，在圖中，V1是太陽能充電板，用來提供充電的輸入電源，其在太陽光下的正常電壓為5.3V。R10為充電時(shí)的保護(hù)電阻，R9為電路中的發(fā)射極電阻，同時(shí)R10、R9也在三極管Q2導(dǎo)通的時(shí)候進(jìn)行分壓，將的蓄電池的輸入電壓拉小，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷充電的作用。Q2來通過基極的電壓的高低來控制充電的自動關(guān)斷和導(dǎo)通。蓄電池V2來提供負(fù)載的電源供應(yīng)。C2是穩(wěn)定電路的作用，防止充電等過程中電路中較大的電壓變化損壞電路。LED1實(shí)現(xiàn)當(dāng)充滿電壓進(jìn)的指示作用，在充電滿的時(shí)候會有一個(gè)發(fā)出紅光。R7和D3提供了一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，提供給比較器，作為輸入端。U1B是LM324比較器中的一個(gè)運(yùn)算放大器，用來提供一個(gè)高低電平控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷，當(dāng)蓄電池電壓超過4.2V時(shí)，電源經(jīng)R2、R4分壓會提供一個(gè)比2.5V高的電壓，使比較器U1B輸出一個(gè)高電平的電壓來使三極管的導(dǎo)通。R8用防止發(fā)光二極管LED1電流過大而損壞。控制過程：在正常狀態(tài)下，如果在室內(nèi)光情況下或無光情況下，太陽能板的電壓不足以提供充電電壓，二極管截止，同時(shí)三極管也處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)不充電；當(dāng)在室外光正常照射下，太陽能電池板兩端會達(dá)到5.3V的電壓此時(shí)二極管導(dǎo)通對蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池充電電壓達(dá)到4.2V時(shí)，經(jīng)R2、R4分壓會產(chǎn)生一個(gè)比2.5V高的電壓，比較器會輸出一個(gè)高電平，此時(shí)三極管導(dǎo)通，太陽能板電壓通過R9、R10進(jìn)行分壓之后，充電的輸入電壓會變低，會使二極管進(jìn)行反向截止?fàn)顟B(tài)，電流通R10、R9、三極管進(jìn)行放電，從而實(shí)現(xiàn)電路的過充保護(hù)功能。同時(shí)也因二極管的截止實(shí)現(xiàn)在防止反充的功能。2）放電控制電路電阻R7、R1、R3、R6、R5，穩(wěn)壓管D3、比較器U1A、發(fā)光二極管LED2、三極管Q1組成了放電電路。同樣R7和D3提供2.5V的基準(zhǔn)電壓，R1、R3組成了分壓電路檢測電源電壓的變化，比較器U1A用來根據(jù)電壓的變化，輸出一個(gè)高低電平來控制三極管Q1的導(dǎo)通與關(guān)斷，發(fā)光二極管LED2在電壓過低的時(shí)候發(fā)光，進(jìn)行電壓過低的提示。LAZER是代表激光筆部分。R5來防止電流過大，而且可以防止在負(fù)載在正常工作的時(shí)候三級管基極電壓過低，使LED2誤導(dǎo)通。當(dāng)蓄電池電壓在3.5V～4.2V以上時(shí)，處于電量正常狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)J1合上時(shí)，電源電壓通過R1、R3分壓產(chǎn)生比2.5V高的電壓，使比較器U1A輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通，激光器正常工作。當(dāng)蓄電池電壓在3.5V以下時(shí)，處于電量過低狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)J1合上時(shí)，電源電壓通過R1、R3分壓產(chǎn)生比基準(zhǔn)電壓2.5V低的電壓，比較器U1A輸出一低電平，三極管Q1截止，激光器不工作，同時(shí)LED2因?yàn)槠銻6端的的低電壓因此可以導(dǎo)通，這時(shí)會產(chǎn)生一紅光，指示電壓狀態(tài)電量過低。從而實(shí)現(xiàn)低電壓自動斷開負(fù)載，并有指示電量過低的作用。綜上所述，此電路整體實(shí)現(xiàn)有三個(gè)主要的功能，1）在電壓過高的時(shí)候能自動截止防止過充，并進(jìn)行警示。2）在無光或光線不強(qiáng)的時(shí)候能防止反向充電。3）在電壓過低的時(shí)候能有自動關(guān)斷防止過放，同時(shí)有電壓過低指示。3.4設(shè)計(jì)過程中各種參數(shù)的選擇及修改過程太陽能電池板的選擇，由于在實(shí)際的焊接過程中，選取鋰離子電池作為電源，它的標(biāo)準(zhǔn)電壓是3.7V，所以選擇了5V的太陽能板，實(shí)測電壓為5.3V。三極管Q1、Q2選取2N4014來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的關(guān)斷作用，二極管選取最為常見的1N4004來實(shí)現(xiàn)防反充的作用，也可以用一個(gè)發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)，即可以顯示正在充電的狀態(tài)指示，又可同時(shí)實(shí)現(xiàn)防反充的作用，考慮的封裝的因素，最好用普通的二極管來實(shí)現(xiàn)。LED1可以用綠光二極管來表示提示作用，LED2可以用紅光二極管來實(shí)現(xiàn)警示的作用。比較器選擇性能穩(wěn)定，常見的LM324四集成的運(yùn)算放大器，二極管選取可以提供較低穩(wěn)壓值2.5V的1N5222B，激光器選取常見的小功率激光器。R2、R3、R4、R1等電阻選取較大的電阻，提供一定的電壓值即可，而又不過度浪費(fèi)電源的能量。C2可以選取330uF瓷片電容來使封裝易于進(jìn)行。在修改之前的摸擬過程中，沒有設(shè)置R5將其發(fā)射極直接連地，但是這時(shí)會將三極管基極的電壓拉低，致使LED2誤導(dǎo)通，影響了摸擬效果。而且在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)過程中，也會出現(xiàn)同樣的情況，但如果R5過大會影響激光器的正常工作。選取100Ω較為合適，也可以在實(shí)際的電路中跟據(jù)需要進(jìn)行改變。3.5電路設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果3.5.1仿真軟件Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench)公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NIMultisim軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NIMultisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NIMultisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題。學(xué)員可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NIMultisim軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具。它具有以下特點(diǎn)：直觀的圖形界面、豐富的元器件強(qiáng)大的仿真能力、豐富的測試儀器、完備的分析手段、獨(dú)特的射頻(RF)模塊、強(qiáng)大的MCU模塊、完善的后處理、詳細(xì)的報(bào)告、兼容性好的信息轉(zhuǎn)換。3.5.2仿真結(jié)果及分析電路的仿真過程：用NIMultisim仿真結(jié)果。驗(yàn)證的過程應(yīng)包括：電路進(jìn)行防過充作用，防反充作用，防過放作用的過程仿真結(jié)果如下：1）激光器不工作：當(dāng)開關(guān)的時(shí)候，太陽能板處于強(qiáng)光照射的情況下?？梢钥吹匠跏紶顟B(tài)如圖3-3所示 圖3-3開關(guān)斷開時(shí)狀態(tài)圖狀態(tài)：此時(shí)可以看到電流表A1有電流，電流表A2無電流，U3、U4均為低電平，三極管Q1、Q2均截止。激光器LAZER不發(fā)光，指示燈LED1、LED2都熄滅。 仿真結(jié)果：在太陽光強(qiáng)，開關(guān)斷的時(shí)候，開太陽能板給電源充電，激光器不工作。2）正常工作：當(dāng)合上開關(guān)時(shí)，電源電壓選為正常區(qū)間里的3.8V，而且太陽能板處于強(qiáng)光照射下，可以看到仿真結(jié)果如圖3-4所示 圖3-4正常工作狀態(tài)圖狀態(tài)：A1為正向電流，A2為正向電流，U3為低電平，U4為高電平，激光器正常發(fā)光，指示燈LED1、LED2都為熄滅狀態(tài)，兩三極管Q1正常工作，Q2截止。仿真結(jié)果：太陽能板可以對電源進(jìn)行充電，太陽能激光器正常發(fā)光。3）防過充效果圖：當(dāng)太陽能板處于強(qiáng)光照射，且電池V2電量過高時(shí)。效果圖如圖3-5所示:圖3-5電量充滿狀態(tài)圖狀態(tài)：電流表A1、A2有電流通過，電壓表U2示數(shù)為3.112V，比較器U1B、U1A輸出均為高電平，Q1、Q2均導(dǎo)通，激光器正常發(fā)光，指示燈LED1亮，LED2熄滅。仿真結(jié)果：U2的電壓不足以使D1導(dǎo)通，太陽能板不充電。激光器在強(qiáng)光照射下可以正常工作。結(jié)論：設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)電池電量過高時(shí)的自動斷開充電，同時(shí)激光器可以正常工作。4)防止反充效果：當(dāng)無太陽能照射的，且電池電壓正常的時(shí)候。如圖3-6所示：圖3-6無光照射狀態(tài)圖工作狀態(tài)：A1幾乎無電流通過，A2有電流通過。U2電壓幾乎為0，U1B輸出為低電平，U1A輸出為高電平，激光器正常工作，指示燈LED1,LED2熄滅。三極管Q1導(dǎo)通，Q2截止。仿真結(jié)果：太陽能激光筆正常工作，D1處于反向截止?fàn)顟B(tài)。結(jié)論：設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)防止反充的作用。5）防過放電路仿真效果圖：當(dāng)電源電壓低于3.5V時(shí)。如圖3-7所示 圖3-7電量過低狀態(tài)圖狀態(tài):LASER不發(fā)光，LED2亮，LED1熄滅，U1A、U1B輸出均為低電平，電流表A1有電流通過，A2幾乎無電流。仿真結(jié)果：當(dāng)電量過低時(shí)，激光器不工作，太陽能板可以正常進(jìn)行充電。結(jié)論：電路可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的防過放功能。綜上所述，設(shè)計(jì)電路的仿真較為系統(tǒng)的驗(yàn)證了設(shè)計(jì)過程中理論方面的設(shè)計(jì)目的，如仿真結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)充放電控制的三個(gè)基本要求：防止過充，防止反充，防過放電路，系統(tǒng)的仿真達(dá)到了預(yù)期的目的，證明了此電路在理論上和現(xiàn)實(shí)上的可行性。4太陽能激光筆的實(shí)物設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)4.1設(shè)計(jì)材料實(shí)物所用的器件：電源（用手機(jī)電池作為替代），太陽能板（5V,40mA）.電阻100Ω（5個(gè)）,20kΩ(2個(gè))，30kΩ(1個(gè))，51kΩ(1個(gè))，發(fā)光二極管（2個(gè)），二極管4004（1個(gè)），三極管9014(1個(gè))，2.5V穩(wěn)壓器（1個(gè)），LM324(一個(gè))，萬能表（1個(gè)），通用板（1塊），激光器一個(gè)。4.2電路設(shè)計(jì)的實(shí)物效果通過自己焊接完成的實(shí)物圖如圖所示，左下角用手機(jī)充電器來代替電源，在通用板上焊接的器件大概和原理圖一致，右上角為激光器。和電路圖不同的地方是用了在左上角用了一個(gè)黃色的發(fā)光二極管作為備用代替二極管，可以用來監(jiān)測充電狀態(tài)（如果充電進(jìn)行，指示燈亮）。如圖4-1所示 圖4-1實(shí)物效果圖開始進(jìn)行實(shí)際測試，各點(diǎn)的狀態(tài)如下。（1）正常工作：當(dāng)開關(guān)打開的時(shí)候，激光器可以正常工作。（2）過放電路測試：實(shí)測電路中，把比較器輸出的低電平加平Q1的基極，用來模擬電壓過低的狀態(tài)，激光器不再放電，而且設(shè)置的指示燈LED2會亮，指示電量過低。（3）過充電路測試：把比較器輸出的高電平到Q2的基極，來模擬較高電壓時(shí)情況時(shí)，實(shí)測二極管D1的左端電壓為3V左右，充電二極管不再亮，表明沒有再進(jìn)行充電。由于電路已焊接，沒有進(jìn)行防反充電路的測試，防反充的功能是理論上的推理。4.3太陽能激光筆設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向1）添加上下翻頁等無線功能在所做的太陽能激光筆的過程中，預(yù)先計(jì)劃是把無線控制翻頁的功能加在此電路中，當(dāng)封裝的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)一種真正功能全面的教師用激光筆。但由于時(shí)間問題及一些技術(shù)問題，最終沒能完成把翻頁功能的無線發(fā)射裝置添加上去，這是以后設(shè)計(jì)的努力的一個(gè)方向。2）利用集成塊或?qū)ｉT設(shè)計(jì)一個(gè)集成塊，利于封裝電路中所用的元器件相對來說比較多的，作為一種小型封裝的太陽能激光筆，還是屬于過多的，不利于其封裝，可以通過用直接利用集成塊的功能或者自行設(shè)計(jì)一個(gè)專用的集成塊來實(shí)現(xiàn)綜合電路的功能。3）添加防短路設(shè)置為了使設(shè)計(jì)簡單，電路中并沒有設(shè)置防止短路的裝置，而在實(shí)際封裝的過程中，一般負(fù)極即為激光筆的外殼，這樣有可能會使電路進(jìn)行短路，損壞電池，以后的設(shè)計(jì)過程中，可以在封裝效果和防短路裝置中進(jìn)行一個(gè)合理的設(shè)計(jì)，使太陽能激光筆的產(chǎn)品即安全，又方便。5結(jié)語在實(shí)際的應(yīng)用過程中，太陽能發(fā)展的方向[13-20]提高太陽能轉(zhuǎn)換效率和降低太陽能發(fā)電的成本，可以通過尋找光電轉(zhuǎn)換新材欄，太陽能電池加工工藝革新，最大功率點(diǎn)跟蹤，聚光技術(shù)等方面的改變可大大提高太陽能轉(zhuǎn)換的效率。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，剛開始的設(shè)計(jì)工作開始的有點(diǎn)漫長，主要是參考各種資料，及對現(xiàn)有的充電電路的設(shè)計(jì)的認(rèn)真理解過程，在準(zhǔn)備充分之后，開始動手自己一步完成每一模塊電路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，之后的工作就是去優(yōu)化電路，使個(gè)電路圖的設(shè)計(jì)更加簡化明了。設(shè)計(jì)完成之后，選擇了NIMULTISIM軟件進(jìn)行仿真，把自己在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的考慮不周到的地方進(jìn)行改進(jìn)，每個(gè)元器件的參數(shù)達(dá)到準(zhǔn)確，使效果更為明顯。例如在電路的模擬中，一個(gè)電阻值的選取不合適可能會引起示數(shù)指示狀態(tài)發(fā)生改變，達(dá)不到預(yù)期的效果。可見參數(shù)的選擇對電路起到關(guān)鍵的作用。最后的內(nèi)容是準(zhǔn)備實(shí)物進(jìn)行模擬，在現(xiàn)實(shí)中的元器件的功能效果和仿真圖還是有一定差別的。在仿真效果里，各元器件的參數(shù)是按照理想狀態(tài)來模擬的，而在實(shí)際電路中，各元器件的參數(shù)除了本身的誤差之外，還有電路連接后參數(shù)會出現(xiàn)一定的變化。比如運(yùn)算放大器的電壓是隨著輸入電壓會有一個(gè)較大的變化，但在仿真效果上是比較穩(wěn)定的。實(shí)物的連接之后效果較為理想在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)該使自己設(shè)計(jì)的電路盡可能的簡潔明朗，連接的時(shí)候應(yīng)該布局簡單明了，焊接的時(shí)候要保證連接不虛焊，焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)等，使電路最小程度的受到實(shí)驗(yàn)的干擾。在此次的設(shè)計(jì)過程中遇到過許多的困難，在這個(gè)過程中學(xué)習(xí)解決困難的方法更是這次設(shè)計(jì)最大的收獲。積極的解決困難，尋求老師同學(xué)們的幫助，多參考資料，暫時(shí)沒有解決可以考慮通過換種思路來完成任務(wù)等學(xué)習(xí)的基本方法是以后的學(xué)習(xí)中更應(yīng)該做到的。綜上所述，本設(shè)計(jì)具有較大的生產(chǎn)價(jià)值和社會應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]王靜.激光翻頁筆原理淺析[J].中國科技信息，2009.11：128[2]劉政怡，吳建國，李煒.紅外激光筆遙指虛擬觸摸系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(5):1073-1076[3]馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.7[4]王長貴，崔容強(qiáng).太陽能[M].北京：能源出版社,1985.4[5]蘇劍峰，牛強(qiáng)，唐春娟，王昶清，張永勝.新穎的第三代太陽能電池[J]材料導(dǎo)報(bào)(綜述篇).2010.8(上)第24卷第8期：118-121[6]冷長庚.太陽能及其利用[M].北京：科學(xué)出版社，1975.10[7]李崇華，太陽能電池工作原理與種類[J].電氣技術(shù)，2009年每8期：128-130[8]ZhiyueHan,JingchangZhang,XiuyingYang,WeiliangCao,SolarEnergyMaterials&SolarCells95(2011):483-490[9]KanekaCorporation,2-1-1,Hieitsuji,Otsu,Shiga520-0104,Japan.SolarEnergy77(2004):939-949[10]WeihuaTang,JiefengHai,YunDai,ZongjunHuang,BingqinLu,FeiYuan,JianTang,FujunZhang.Recentdevelopmentofconjugatedoligomersforhigh-efficiencybulk-heterojunctionsolarcells[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells94(2010):1963-1979.[11]李斌.一種實(shí)用高性價(jià)比太陽能移動電話充電器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，第24期：30-32[12]ShafiqurRehman,LuaiM.Al-Hrdhrami.StudyofasolarPV-diesel-batteryhybridpowersystemforaremotelylocatedpopulationnearRafha,[13]董鏞.迎接太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新高潮（二）.[J].真空2008.11vol.45,no.6:1-7[14]呂芳.太陽能發(fā)電[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009[15]郭廷瑋.太陽能的利用和前景[M].北京：科學(xué)普及出版社，1984[16]趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.10[17]王長貴.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.06[18]方玲,李曉波,廖蘭蘭,朱志華，提高太陽能電池板光電轉(zhuǎn)化率的研究[J].高新技術(shù)，2008nov.11(下)：3[19]高援朝.太陽能實(shí)用技術(shù)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1988.12[20]高榮生.太陽能應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1985.9致謝在這里，首先要感謝指導(dǎo)老師老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間對我的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。在設(shè)計(jì)期間，及時(shí)給我們講述理論上的難點(diǎn)，讓我們能夠及時(shí)解決理論上的困難。在實(shí)物設(shè)計(jì)方面，給我們準(zhǔn)備元器件的資金來進(jìn)行實(shí)物測試，并且提供完善的實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備，更好的進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的測試，讓我們的實(shí)驗(yàn)輕松的完成，同時(shí)還熱心的給我聯(lián)系，詢問畢業(yè)設(shè)計(jì)的情況，對我們論文進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的修改，給我們提出了許多寶貴的意見，在學(xué)術(shù)發(fā)展方向也給我做了很多前瞻性的指導(dǎo)。其次，要感謝系里指導(dǎo)組時(shí)的期間對我們在學(xué)業(yè)上和畢業(yè)設(shè)計(jì)上認(rèn)真的輔導(dǎo)和無私的幫助。另外要感謝畢業(yè)設(shè)計(jì)上的指導(dǎo)，同班同學(xué)們組在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的相互學(xué)習(xí)，認(rèn)真探討，互相幫助，同班同學(xué)習(xí)上和生活上的幫助。最后，要感謝我的父親母親在上學(xué)期間我生活上這么多年無微不至的關(guān)心和愛護(hù)，使我的學(xué)習(xí)和生活有了充分的保證。在這里感謝你們給我的幫助！附錄一：指導(dǎo)教師評語（主要評價(jià)論文的工作量、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、論文的主要內(nèi)容與特點(diǎn)、寫作水平等）：簽名：年月日答辯委員會評語及論文成績（主要評價(jià)論文的性質(zhì)、難度、質(zhì)量、綜合訓(xùn)練、答辯情況、不足等。評定論文成績）：主任委員簽名：年月日附錄二：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目太陽能激光筆構(gòu)建原理及實(shí)現(xiàn)學(xué)院專業(yè)班級學(xué)號姓名年月日論文（設(shè)計(jì)）選題的來源、目的與意義：來源：生活中激光筆的電源是干電池，需經(jīng)常更換，給使用帶來一定的不便。目的與意義：太陽能是一種可再生的清潔能源，不產(chǎn)生環(huán)境污染。在太陽能的有效利用當(dāng)中，大陽能光電利用是近些年來發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，也是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽能已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，利用太陽能建立實(shí)時(shí)土壤水分監(jiān)測的無線遙測系統(tǒng)和利用太陽能作為補(bǔ)充能源的農(nóng)業(yè)耕作系統(tǒng)。現(xiàn)有的教學(xué)用激光筆由氧化銀等電池供電，使用成本高，電源電壓低時(shí)有時(shí)找不