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1、-太阳能应急充电器毕业论文-第 16 页泉 州 师 范 学 院毕业论文（设计）题 目 太阳能应急充电器 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的
2、规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权
3、使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日太阳能智能应急充电器【摘 要】本设计是一种基于STC89C52单片机的应急充电器，能量由太阳能电池板或充电电池来提供，通过单片机对需要充电的电池的实时监控，利用PWM调制实现智能充过程，从而保护电池。本设计具有设计简单，成本低，易于携带等特点，
4、可运用于大多数电子产品的充电功能，具有相当大的实用价值。【关键词】STC89C52；太阳能；PWM；智能充目录摘要1引言31总体设计方案 1.1 系统总体方案设计思路 32充电技术简介 2.1 太阳能充电简介 4 2.2 智能充电简介 43系统硬件部分设计 3.1 电源供电模块 5 3.2 电源变换模块 6 3.3 单片机控制模块 7 3.4 PWM脉宽调制控制模块 7 3.5 数据采集及A/D转换模块 8 3.6 升压模块 104系统软件部分设计 4.1 系统程序主流程图 11 4.2 A/D转换子程序流程图 12 4.3 PWM模块子程序流程图 125 系统实际测试 136 设计总结 14
5、 致辞 14 参考文献 15 7 英文摘要 16附录1系统监测系统的原理图 17附录2系统监测系统的PCB图 18附录3系统测试实物图 19引言如今，社会高速发展，能源问题越来越受到人们的关注，越来越多的国家已经认识到可持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，同时又不会危及后代人的社会。正因为这样，尽可能多用绿色能源代替传统矿物能源，是能源建设应该遵守的原则。太阳能作为一种新兴的可再生能源，在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。随着电子科技的迅速发展，越来越多
6、的电子产品被社会各界广泛使用，例如手机、MP3、数码相机等, 人们使用便携式设备大多数都配备USB接口，使用锂电池供电，太阳能具有取之不尽用之不竭而且环保清洁的特点，将绿色的太阳能作为充电的能量源，代替传统能量，既节约了资源，同时可以制成便携式充电器，在日常生活中可以方便的为电子产品充电，实现智能充还可以保护电池。1总体设计方案1.1系统总体方案的设计思路 本次设计总体包括：电源变换（稳压）电路模块、PWM脉宽调制电路模块、控制模块、数据采集及A/D转换电路模块、储能模块、升压电路模块。储能模块 总体方案设计如图1： PWM模块电源变换（稳压）单片机控制模块LCD显示太阳能电池板升压数据采集A
7、/D转换充电电池图1 系统总体方案 太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过电源变换电路稳压为其他模块提供5V的工作电压，数据采集模块实时采集充电电池两端的电压和电流，并且通过A/D转换电路将采集的模拟量转换成数字量传输到单片机内部，经过单片机处理通过LCD显示，同时单片机根据采集到的电压和电流智能地控制PWM模块决定充电方式。如果充电电池已经达到饱和，控制模块将剩余的能量储存到储能模块中。当天气条件不好时（太能光不足），可以用储能模块经过升压电路为充电电池充电，但此时的充电方式只有一种，即以恒定的电压（并且充电电压大于电池电压）为电池充电的方式浮充1。 本方案主要采用太阳能绿色能源，仅以成本低廉
8、的太阳能电池板为系统提供电压，由于本次设计采用的电池板转换的电流不大，大约在150mA左右，所以充电时间比较长，只能满足应急旅行充的要求，若要缩短充电时间，只要采用能产生较大电流的电池板即可，考虑到该设计的实际情况，并不需要非常大的电流，就能满足设计要求，所以最终选择了成本较低的小电流太阳能电池板，所以最终成品的效果并不是非常好。2 充电技术简介2.1 太阳能充电简介 当前，晶体硅材料是最主要的光伏材料，而硅是地球上储藏最丰富的材料之一，所以用来做太阳能电池板的原材料可以说是用不完的。根据硅材料的不同，太阳能电池板可以分为单晶硅太阳能电池板和多晶硅太阳能电池板，也有非晶硅太阳能电池板，例如薄膜
9、太阳能电池、有机太阳能电池。综合考虑本次设计采用成本低廉的单晶硅太阳能电池板。 太阳能电池发电原理可以概括为：太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。如图2。 太阳能发电方式太阳能发电有以下两种方式：一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，然后再驱动汽轮机发电。这种方式转换效率低而且成本高。光电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的
10、基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时， 图2 太阳能电池发电原理光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。 当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了2。 太阳能电池的一个单片为一个PN结，单片电池的开路电压在0.45V-0.6V之间，一般情况电压为0.5V，电池串联的数目越多电压就越大；单片电池的电流取决于单个PN结实际受光面积，其短路电流一般为15-30mA/cm2，受光面积或并联的数目越多电流就越大。有了以上理论依据采用一定面积大小的太阳能电池板就可以
11、采集满足充电需要的光能，经转换为电能，为充电提供电源。2.2 智能充简介对于一个可充电电池，选择适当的充电方式，在提高电池充电效率的同时，还可以保护电池延长电池的使用寿命。如图3是手机电池的充电曲线，可以将充电过程分为预充、恒流充、浮充。以本次设计的800mA手机电池为例，其充电终止电压为3.7V，其具体过程是：预充：用1/10C（约为80mA）的小电流为电池预充，当电池两端的电压达到Vmin门限值时，进入下一个充电状态，即恒流充。恒流充：当电池两端电压达到Vmin门限值时，此时通过控制模块控制充电电流，使得充电电流达到最大值，以这个恒定的电流为电池充电，这个充电状态电池两端电压会慢慢变大，当
12、电池两端电压快要接近3.7V时进入下一个充电状态，即浮充。浮充：当电池两端电压接近3.7V时，此时通过单片机控制模块以略大于3.7V的恒压为电池充电， 图3 手机电池充电曲线此时电流会慢慢减小，直到充电终止3。本次设计就是采用以上方式对电池充电，通过单片机控制PWM模块实现控制充电电压和电流的大小，故称之为智能充。3 系统硬件部分设计3.1 电源供电模块方案讨论： 方案一：直接通过稳压电源对系统提供工作电压以及充电电压，这种方式电源能量充足稳定干扰小，但稳压电源需要AC220V供电电压，大大降低了它的便携性，考虑到本次设计是要实现应急充，故此方案不符合要求。 方案二：可以通过串联若干节干电池为
13、系统提供工作电压以及充电电压，这种方式不仅可以让系统稳定工作，还可以实现系统便携性，但是用干电池供电，要考虑电池回收的问题，用完的电池会对环境产生一定的污染。 方案三：利用太阳能无污染储量大的特点，考虑运用太阳能电池板采集光能转换为电能为系统供电，这样不仅实现了能量的转换，提供了系统工作电压以及充电电压，还可以提高系统的便携性，利用太阳能的绿色特性，在为保护环境的同时，还解决了能源问题。 综合整个系统的要求，本次设计结合方案三和方案二，采用太阳能电池板提供工作电压和充电电压，采用可充电电池作为储能模块，这样结合不仅可以满足系统设计的要求，还可以充分利用天气的好的时候的太阳光，在天气条件不能满足
14、充电是，可以用储存的能量为系统充电。 本次设计采用的太阳能电池板实物图如图4，考虑到系统要求满足应急充，所以选择了电流较小的太阳能电池板，因为其参数性能能够满足充电要求，相对于大功率太阳能电池板，节约了成本。 图4 太阳能电池板实物图性能参数4： 工作电压：5.5V 工作电流：130MA 功 率：0.715W 尺 寸：104X81X3mm本次的电源供电模块用了两块这样的电池板串联可以产生大约10V的电压，然后经过电源变换模块产生其他模块正常工作的电压和充电电压。3.2 电源变换模块方案讨论：方案一：因为两块太阳能电池板能产生10V左右的电压，这个电压大于其他模块正常工作的电压，也大于充电电池的
15、电压，因此可以用一个电位器来分压，产生5V的电压，但是这种方式得不到稳定的5V电压，因为太阳能采集的电能本来就是个变化的电压，所以这个方案可能会让整个系统无法正常工作。方案二：采用集成稳压芯片L7805，将太阳能电池板采集的电压经过稳压，产生一个稳定的5V电压，当太阳能电池板产生的电压变化不是很大时，L7805稳压后输出的电压几乎不发生变化，这样就保证了整个系统的正常工作。本设计采用该方案。L7805是一种三端稳压集成芯片，如图5， 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所 图5 L7805封装图需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便而且价格便宜5。
16、 本次设计的电源变换电路原理图如图6， 图6 电源变换原理图 J0和J1分别接太阳能电池板，只要在L7805的1脚和2脚加一个0.33uf的电容，在3脚和2脚之间加一个0.1uf的涤纶电容就可以实现5V的输出电压，为其他模块提供正常工作电压。电路简单容易实现，价格便宜，该方案的性价比也是很高的。3.3 单片机控制模块 系统控制部分采用STC89C52单片机作为控制芯片，如图7所示，STC系列单片机，可靠性高，性价比高，选用40脚的单片机确保了I/O能够满足系统需要；具有看门狗保护功能，当系统发生故障，电路中看门狗将通过RESET 信号向CPU 做出反应，保密性能佳；只需使用MAX232芯片进行
17、电平转化，通过串口将单片机与PC机连接，通过下载助手可以容易的将程序载进单片机内部。52类型的单片机的内存也相对较大，足以应付日常编程程序的大小。图7为STC89C52外部框图。主要特性6：与MCS-51 兼容8K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定512内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 图7 STC89C52外部框图3.4 PWM脉宽调制控制模块方案讨论：方案一：采用PWM集成模块，只需少许外围器件，与单片机I/O口相连，通过单片机程
18、序控制PWM波，从而实现控制充电电压与电流的大小，该方式PWM波稳定精确，但成本较高，运用在应急充电器性价比不高。方案二：采用MOSFET场效应管为主要控制芯片，结合二极管，LC电路构成开关稳压电源，该方案电路简单，效果虽然没有方案一好，但综合整体考虑，并不需要很精确的PWM波，而且成本比方案一低，总体效果还是可以接受的，所以本次设计采用该方案。方案二的电路原理图如图8所示，图8 PWM控制电路原理图J13接单片机I/O口，PWM信号通过P521光耦驱动MOSFET IRF9540，由J12输出经PWM信号控制的电压7。3.5 数据采集及A/D转换电路模块对电压的采样可以直接将模拟量接到A/D
19、转换器进行转换，而如今A/D转换器众多，选择也多，本设计需要2路以上通道的A/D转换器，因此选择AD0809，虽然这个A/D转换器精度不算很高，但是足以满足本次设计要求，而且价格也便宜。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 如图9所示图9 AD0809内部框图 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电
20、平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。其引脚图如图10所示，ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的 一路模拟量输入。通道选择表如图11所示。 图10 AD0809引脚图 数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号
21、。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当 EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输 出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考 图11 AD0809通道选择表电压输入8。 下面主要讨论电流的采用电路。方案一：通过分立元件对电流放大，通过一
22、个电阻产生电压，只要对这个电压进行A/D转换就可以算出电流的大小，该方案电路简单，但系统对电流的要求比较精确，这个方案较难满足。 方案二：采用MAX471精密电流传感放大器，不仅能够满足设计要求，由于MAX471内部的特殊布局，大大简化了电流监控的设计，可以采集到精确的电流，更好的控制充电电流，因此本设计采用该方案。 u 内含精密的检测电阻。u 具有完美的高端电流检测功能。u 在工作范围内，其精度为2%。u 具有双向检测指示，可监控充电和放电不同状态。u 内部检测电阻和检测能力为3A，并联使用可扩大检测范围。u 功耗低，最大电源电流为100uA，关闭方式时仅为5uA。 MAX471是美国MAX
23、IM公司生产的双向精密电流传感放大器，MAX471内置35m精密传感电阻，可测量电流上下限为3A。其引脚图如图12，SHDN为关闭信号,正常操作时接地;当它为高电平时,供电电流小于5uA，SIGN为低电平表示电流由RS-流向RS+，当SIGN为高电平时,SIGN呈高阻状态9。 图12 MAX471引脚图3.6 升压模块因为储能模块采用两节1.2V的可充电电池， 因此必须采用升压模块才能使储存的能量继续为电池充电。方案讨论：方案一：采用MC34063升压芯片，升压后的电压可以通过电位器来调节，因此该方案可以输出可变化的电压，但是外围器件比较复杂，电路复杂，这也增加了成本，性价比不高，同时它的输出
24、电压若没调节好，可能超过36V，安全性较低。方案二：采用BAU72升压芯片，能将电压升至固定的5V，该方案电路非常简单，只要两个电容，一个电感，一个二极管就可以构成升压电路，升压输出后的电压稳定，能够满足充电的需要，而且成本很低。因此本设计采用该方案。如图13是BAU72的引脚图，它具有一下特点10：u 本芯片是一种由基准电压源、震荡电路、误差比较器、PFM控制电路等构成的CMOS升压DC/DC控制器。u 该芯片可以根据负载大小自动切换占空比系数（轻负载时：66，高输出电流是78），在大范围内可以获得低的输出纹波和高效率。BAU72u 本芯片内置MOSFET，外部只要配合一个3347uH的电感
25、、一个47uF/16V的钽电容、一个5819或5817肖特基二极管等就可以构成DC/DC控制器。u 最低输入：0.9V（输出I1mA）输出电压：5.5V2工作效率：88（typ）工作频率：180KHZ（typ）带载能力：当输入电压V=3.0v，输出电压V=5.0V时，输出电流I=400mA。 图13 BAU72引脚图 如图14所示是升压模块电路原理图，从图上可以明显的看到外围器件非常简单，储能模块2.4V的电压经升压模块升压后由BAU72的2脚输出稳定的5V的电压，然后再对充电电池充电，其充电过程和上面所述相同。图14 升压模块电路原理图4 系统软件部分设计4.1 系统程序主流程图LCD显示结
26、束充电电池PWM控制决定充电方式单片机对转换后的数据处理对电压电流进行A/D转换电池电压电流的采集各模块初始化开始系统程序主流程图如图15， 图15 程序主流程图 如图15，系统控制模块采用单片机STC89C52，对实时采样转换后的值处理后送给LCD显示出来，同时对电压电流的大小值判断，输出相应的PWM信号，控制PWM模块从而决定充电方式。4.2 A/D转换子程序流程图 结束已被采集10次？EOC=1？开始计算转换次数COUNT=COUNT1启动转换选择通道初始化开始 A/D转换子程序流程图如图16， N Y N Y查询是否进入下一轮转换？重新设定COUNT的值 N Y 图16 A/D转换子程
27、序流程图该A/D转换器采用AD0809，可以采样8个路模拟量，在这只选用其中两路，对电流电压分别转换，经处理，输出到显示模块以及PWM模块。4.3 PWM模块子程序流程图 PWM模块是控制充电方式的重要模块，该模块采用场效应管IRF9540为主，控制模块对采样值进行比较，输出相应的PWM信号，就可以决定充电方式，其程序流程图如图17所示，方式二方式三方式一单片机处理采集电压U、电流IA/D转换开始UUmin UminU3.6 图17 PWM程序流程图5 系统实际测量 由于本次设计测量的数据较少，测量的工具只要用到万用表，手机电池就可以完成实际测试。 在太阳光充足的条件下经测试，凉快太阳能电池板
28、可以输出11V左右的电压，如图18图18 太阳能电池板输出电压测试图 用电量不同电池让充电器充电以及用储能模块充电，测试充电方式，如图附图所示。经过测试可以实现预充、恒流充、浮充三种方式的智能充。6 设计总结本系统将太阳能作为充电的能源，代替了传统的电能，利用太阳能的无污染，储量大等特点，很好的为全球能源问题提出一种方案。采用PWM控制充电方式，可以很好的保护电池，防止电池的过充和过放，延长了手机电池的使用寿命。经过了几个月研究设计，在反复的学习与改进中，基于太阳能电池板智能充电器功能基本上已经实现，经调试试验，各项测试数据证明已达到预期目标，但是由于本人的知识能力所限，所以本系统仍存些缺陷，
29、如PWM灵敏度的不是很好，充电效率还不算很高，希望能在将来的不断学习中得以完善。致谢在本次毕业设计中, 得到了我的指导教师林顺达的大力支持，在电路功能的实现中提出了许多相当宝贵的意见，毕业论文中也给予了悉心的指导，使我的毕业设计得以顺利完成，对此我表示衷心的感谢。参考文献1 赵云丽,宋振灿.太阳能手机充电器的设计J.电子报,2009.4.2 太阳能电池板.百度文库3 刘超.基于单片机的智能手机电池充电系统J.长春理工大学学报(高教版),2007,(1).4 太阳能电池板参数.5 L7805.百度百科 6 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社,2006.7 孙立志.PWM与数字化电动
30、机控制技术应用M.北京:中国电力出版社,2008.1.8 AD0809产品数据手册.9 MAXM.MAXM产品设计手册(第九版)M.2003.10 BAU72产品参数. Design of Solar chargerCollege Of Physcis and Information Engineering Electronics and Information science and technology 070303014 Lin Pei-huiTeacher: Lin Shun-Da an Lecturer【Abstract】: The paper presents an emergen
31、cy charger based on STC89C52 single chip (MCU, AVR).The energy is provided by solar panel or recharging batteries. Taking read-time supervision to the batteries that need to be charged via single chip, using PWM modulation to achieve the process of intellect charge, batteries can be protected. It features with simple design, low cost and easily portable etc. It can be used to charging function for most of electronic products. It owns high practical value.【Keywords】 STC89C52;Solar;PWM;Intelligent Charger附图1附图2附图3