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1、 毕 业 设 计 论 文题 目： 基于单片机的太阳能充电器的设计 学 院： 电气与信息工程 专 业： 自动化 姓 名： 杜XX 学 号： 0924092XX 指导老师： 李老师 完成时间： 2013年06月03日 河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要摘 要化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。使用手机的人都有过
2、这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，因不能及时找到或没有220V市电而无法给手机充电，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本课程设计介绍一种多用太阳能手机充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路变换为稳定直流电给手机充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。关键词：太阳能电池板，单片机， BUCK变换器，光伏发电技术III河南城建学院本科毕业设计（论文）Abstract AbstractIncreasing depletion of fossil energy, its emp
3、hasis on environmental protection are also rising, look for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable energy it has an inexhaustible and clean and safe and so on, so have a broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more at
4、tention, with the PV module continue to lower prices and photovoltaic technology, solar PV systems will gradually supplement the energy from the current transition to alternative energy. People who use mobile phones have had the experience, go out or travel no electricity when the battery suddenly,
5、and because they can not be found or does not timely 220V electricity and not to charge their cell phones affect the normal use of mobile phones. To solve this problem, the course design introduces a multi-purpose solar charger, use MCU control, will transform solar energy through the circuit to sta
6、bilize the direct current to charge their cell phones and can charge the battery automatically stops charging after, but also as a general DC power use, so get rid of dependence on electricity obtained the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has a clear ad
7、vantage.Key words: solar energybattery, single chip, BUCK converte，solar energy河南城建学院本科毕业设计（论文）目录 目录摘 要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 本课题的研究背景及现状11.2 课题设计思想11.3 论文结构22 基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计32.1 设计方案一32.2 设计方案二42.3基于单片机的太阳能充电器的设计的总体设计方案53 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计63.1太阳能电池板的选用63.2 LM7805稳压电路73.3 充电主电路的设计83.4 信号采集
8、处理电路93.5 单片机选型93.6 单片机stc89c52介绍103.7 单片机电路123.7.1单片机复位电路123.7.2 单片机时钟电路123.7.3 单片机A/D转换电路133.7.4按键电路143.7.5数码管显示电路153.8锂电池充电原理164 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计174.1 设计思想174.2 基于单片机的太阳能充电器系统的整体程序设计184.3 基于单片机的太阳能充电器系统的子程序的设计194.3.1电路启动初始化194.3.2按键采集程序204.3.3数据采集及模数转换程序214.3.4数码管显示子程序224.3.5 充电子程序的设计224.3.6电源子
9、程序的设计245 仿真与调试255.1 充电电路仿真255.2 电流采样处理电路仿真255.3 系统做直流电源使用时电路仿真图265.4 系统做充电器使用时仿真结果276 总结与展望29参考文献30致谢31附录A 整体电路图32附录B 整体程序33河南城建学院本科毕业设计（论文）绪论1 绪论1.1 本课题的研究背景及现状当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，
10、是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。光伏发电系统在超过100个国家得到应用。2009年，世界光伏新增装机容量达到790万千瓦，同比增长43.6%，其中欧洲市场占80.1%，北美占7.0%，亚澳占9.8%，其他占3.1%。德国以380万千瓦的新增装机容量位居榜首，占世界光伏市场的48.1%，其次为意大利、西班牙、日本、美国。截至2009年底，世界光伏装机容量累计达到2680万千瓦。并网光伏发电市场发展最快，占总光伏应用市场的80%以上，并逐步发挥着替代能源的作用，受到全世界的关注。目前，太阳能电池的应用已
11、从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，光伏系统并网发电太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。太阳能手机充电器简单，模块小，携带方便，市场价格便宜，能帮助用户在外出旅游远离市电情况下给手机及时充电。太阳能手机充电器使用起来又节省能源，环保无污染，有广阔的发展前景，因此提出本课题。1.2 课题设计思想本设计课题是基
12、于单片机的太阳能充电器的设计。首先，由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动，太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些，太阳光强度弱时，太阳能电池板输出电压会偏低，为了从太阳能电池板输出得到稳定电压，本设计采用稳压管LM7805，LM7805输出口可以输出稳定的5V电压，以来可以供单片机和其他用电芯片使用，二来可以作为下一步电压变换电路的电源。其次考虑到电池充电过程电压要求会有变化，不能简单输出稳定的直流电，因此提出采用DC/DC变换电路，通过控制开关管通断时间占空比来调节输出电压。单片机是控制中心，控制信号的产生由外部电路状态产生，对于充电过程来说，根据外部充电电压和充电电流与理想充电过程的
13、比较发出信号，调节占空比。为此设计单片机单路，电压检测电路和电流检测电路,同时为了方便使用者知道系统处于的状态，本设计设置显示模块和指示灯显示。1.3 论文结构 本论文第一部分绪论部分介绍了太阳能电池及太阳能光伏发电系统的发展现状及前景，本课题研究的背景，并提出了设计思想；第二部分讨论了系统总体设计方案；第三部分对系统的硬件电路进行了设计；第四部分对系统软件部分进行了设计；第五部分进行仿真分析；第六部分，分析了本次设计的结果及展望。38河南城建学院本科毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能充电器系统总体设计方案设计2 基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计2.1 设计方案一 提出方案一方框图如
14、图2.1DC/DC变换单片机按键显示手机电池太阳能电池板图2.1方案一方框图该方案采用DC/DC变换电路，将太阳能电池板输出的电压变换为需要的电压值给手机电池充电，同时单片机可以控制电路变换，还可采用按键设定某些值，有显示部分，可以设定为显示电路状态。由上图方框图可以看出，该方案能够控制DC/DC变换电路，有显示模块，但是该方案没有对外部电路的实时检测，不能根据外部电路情况实时控制DC/DC变换电路。2.2 设计方案二由第一种方案的缺点，为此提出第二种方案，方案二方框图如下图2.2所示。DC/DC变换单片机按键手机电池太阳能电池板PWM芯片模数转换显示图2.2 方案二方框图从上图方框图可以看出
15、方案二弥补了方案一的缺点，设计了对电路状态的检测，并通过模数转换模块将转化的信号送给单片机。单片机可控制PWM芯片生成PWM波实行对变换电路的控制，同时有按键模块和显示模块，但是该设计方案将生成PWM部分用芯片代替，这样使得硬件电路部分复杂，不如用软件实现可以使硬件电路变得简单，也充分利用单片机的功能。2.3基于单片机的太阳能充电器的设计的总体设计方案在方案一和方案二的基础上提出本次设计的整体设计方案如下图2.3所示。DC/DC变换单片机按键手机电池太阳能电池板模数转换显示图2.3 整体设计方案框图 该方案综合方案一和方案二的优点，既具备对充电电路的检测，单片机可根据对检测来的信号处理后的情况
16、的分析进行对充电电路的控制，按键电路可以选择系统可以实现的功能，显示电路可以显示电路的工作状态，控制信号PWM用程序来实现，使硬件电路变得简单，节省资源，提高系统性价比。河南城建学院本科毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计3 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计3.1太阳能电池板的选用硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,
17、工业规模生产的转换效率为10%。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。硅太阳能电池片常用的为单晶125大倒角，其尺寸为125mm*125mm，对角线150mm，功率Pmax2.60W，工作电压Vm0.523V，工作电流Im4.934A，开路电压Voc0.629V，短路电流Isc5.285A。太阳能电池可根据电压大小需要，由不同数量的太阳能电池片组成，其转换效率受光照、温度、太阳电池晶体类型及制造工艺等影响，2010年中国平均效率为17.2%。常见的太阳能电池电压有3V、6V、9V、
18、12V、18V、32V、48V等，更大的用于太阳能电厂发电项目。太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的首要部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。本文以手机、MP3等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下： 尺寸95mm95mm，额定输出电压5.5V，电流140180mA，标称功率1W，
19、用两片该电池板串联可以得到11V电压，可以作为LM7805的输入。3.2 LM7805稳压电路由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动，太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些，太阳光强度弱时，太阳能电池板输出电压会偏低，为了从太阳能电池板输出得到稳定电压，本设计采用稳压管LM7805，LM7805输出口可以输出稳定的5V电压，保持输出电压的稳定。LM7805的典型应用电路如下图3.1所示。图3.1 LM7805稳压电路图中C4、C7的作用是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡，减小纹波电压，；在输出端接电容C5、C6是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应。一般电容的耐压应高于电源的
20、输入电压和输出电压。另外，为避免输入端断开时C6从稳压器输出端向稳压器放电，造成稳压器的损坏，在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，对LM7805起保护作用。LM7805输入电压为8V到36V，最大工作电流1.5A，具有输入电压范围宽，工作电流大，输出精度高且工作及其稳定，外围电路简单等特点，太阳能电池电压即使有较大的波动，也能稳定的输出5V电压，从而是单片机等控制电路正常工作，且成本低。3.3 充电主电路的设计 充电主电路如下图3.2所示，充电主电路采用DC/DC变换电路。图3.2电池充电电路DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，
21、一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制（1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压Ui，极性相同。主电路核心由三极管去、电感L1及续流二极管D1构成的典型的BUCK降压DC/DC变换电路；图中Q2的作用是放大PWM信号，驱动开关管Q1。3.4 信号采集处理电路实时检测电池电压和充电电流是保证锂电池安全充电的前提，电流取样处理电路如图3.3所示图3.3电流取样处理电路电池电压直接接到单片机A/D接口，经A/D转换和单片机运算处理得到测量电压值。本设计充电电流流经0.1取样电阻，得到电压采用运算放大器LM358，把电流取样电压放大21倍后送到单片机A/D接口进行
22、采集。电压检测可将输出口电压直接送到A/D输入接口，经模数转换后给单片机进行处理。3.5 单片机选型 对于单片机型号，最熟悉的就是C51系列，其中包括AT89C51，AT89C52在AT89C51的基础上有些改进，但是听有经验的同学说以型号AT开头的的单片机在烧写程序时不容易进行烧写，于是考虑采用以型号是以STC为开头的单片机，通过查资料了解发现STC89C52在功能上与AT89C52相似，为此，本设计单片机采用STC89C52型号单片机。3.6 单片机STC89C52介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC
23、89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作
24、，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52单片机引脚图如下图3.4所示。图3.4 单片机引脚图STC89C52RC引脚功能说明VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
25、P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，可用作输入口。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可
26、用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。ALE/（30引脚）：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（ALE）也用作编程输入脉冲。/VPP（31引脚）：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。注意加密方式1时，将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内
27、部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端除这些功能引脚外，还有一些特殊功能寄存器。3.7 单片机电路3.7.1单片机复位电路本设计复位电路采用按键复位电路，当系统进入死循环时，按下复位键可使系统重启，单片机复位电路如图3.5所示。图3.5按键复位电路系统正常工作时，电源给电解电容充电，电解电容储有电能，单片机复位端口电瓶为低，当按键被按下时，单片机复位端口电平变为高，单片机采集到信号后复位。3.7.2 单片机时钟电路单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,CPU的控制器都要发出一系列特定
28、的控制信号。外部时钟信号一般为12MHZ的方波。单片机时钟电路如下图3.6所示图3.6单片机时钟电路3.7.3 单片机A/D转换电路 ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。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。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。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端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。A/D转换
29、电路如图3.7所示 图3.7A/D电路ADC0809的引脚功能介绍：IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V；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1所示。C B A选择的通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1
30、 1IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7表1 CBA通道选择表数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。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，VR
31、EF（），VREF（）为参考电压。3.7.4按键电路在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。按键接线图如下图3.8所示。图3.8按键电路通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms20
32、ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。在本设计中设置按键个数为3个，其中一个作为按键复位用；一个作为电压选择用，本设计提供3V、3.5V、4.0V、4.5V四种电压值的循环，可以通过“电压选择”键选择某一电压值作为输出；另一个作为开始充电用，装上电池要对电池进行充电时按下“开始充电”键，系统开始对对锂电池进行充电。故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度。3.7.5数码管显示电路LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管显示电路如图3.9所示图3.9 数码管显
33、示电路 本设计采用4位LED数码管段数为7段另加一个小数点即8段数码管，数码管有共阴和共阳两种，本设计使用共阴数码管，8段发光二极管的阴极接在一起接地，若某段发光二极管的阳极为高电平，则该段二极管被点亮。设计时可根据需要显示的数字让某一组合的数码管的阳极置高。3.8锂电池充电原理锂电池额定电压视生产厂家的不同而不同，有3.6V和3.7V两种；额定容量C从几百毫安时到几安时；充电终止电压根据样机材料有4.1V和4.2V两种；充电电流常以C的百分比来衡量，充电电流过小会导致充电时间过长，充电电流过大会使电池过热，导致电池损坏。本设计根据锂电池的充电特点，采用由预充电、恒流充电、恒压充电、涓流充电四
34、阶段组成的充电模式。锂蓄电池的充电特性曲线如图3.10所示：图3.10锂电池充电特性曲线 为保证安全充电，开始充电时若锂电池电压VBAT3.0V后，则以IREF（0.5C A）的恒流进行充电；当VBAT上升至VREF时，转入恒定电压充电阶段；随着电池电量的不断升高，充电电流逐渐降低，当充电电流小于IFULL后，电池电量全部恢复，充电过程结束。为克服电池自放电，系统继续以IFULL的电流进行涓流充电。C为电池容量。河南城建学院本科毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计4 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计4.1 设计思想主程序包含两个部分，一部分为初始化段，另一部分为循环主
35、体段。在主程序循环体中，并不是直接执行程序，而是去调用一个个任务模块。每个任务都是一个子函数，这些任务的调度机制为轮询机制。即：这些子函数功能的执行与否取决于其条件标志是否满足。比如：当某个子函数被主程序调用时，会先判断其执行条件是否成立（标志位是否有效），如果有效则执行实际功能语句，否则不执行任何动作直接返回。PWM的控制调节和A/D采样速度不宜太快，用200ms调用一次，因为它会影响到数码管刷屏，调节和采样太快，数码管上的数值会跳变的厉害。按键处理则为10ms调用一次。子程序可分为初始化程序，按键采集程序，信号采集与转换程序，显示程序，PWM波程序；也可以按照系统能实现的功能分为充电子程序
36、、电源子程序，其中充电子程序和电源子程序都要用到初始化子程序、按键采集子程序、PWM波子程序、信号采集与转换子程序和显示子程序。PWM波的生成采用了输出在高电平与低电平的延时及转换，本设计中PWM波用来调节开关管的占空比，当输出为高电平时，将输出信号放大驱动开关管开通，当输出信号为低电平时，开关管关断，用高电平与低电平的时间的比值来表示PWM波的占空比，以此来控制开关管的占空比。本设计及检测电压又检测电流，单片机采用STC89C52芯片，内部没有AD转换模块，单片机需外接转换模块，本设计采用ADC0809（第三章硬件电路设计中也有介绍）因此模拟信号输入有两路，一路是电压信号，一路是电流信号。A
37、DC0809 在对多路输入的模拟量进行模数转换时采用分时复用的方法，即AD转换器对两路信号轮换采集转换。轮换周期根据模数转换时间和控制的情况设定。河南城建学院本科毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计4.2 基于单片机的太阳能充电器系统的整体程序设计本设计整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择，输出选择并确定输出，单片机采集计算输出PWM信号，定时采集数据并处理调节PWM信号占空比等，程序整体框架如图4.1所示。开始初始化电池充电充电子程序电源子程序YesNo结束图4.1 程序整体框架流程4.3 基于单片机的太阳能充电器系统的子程序的设计
38、4.3.1电路启动初始化初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：清片内，每次单片机加电时，都将引起单片机的上电复位操作。复位操作完成以后，单片机的寄存器会被置以不同的值，这些值中有相当一部分是未知的值。这些未知的值在单片机复位完成，正式运行以后，会产生无法让程序设计人员掌握的后果，甚至会造成系统的损坏。因此，在单片机运行后，首先清0使之置初始参数设定，便于程序设计人员掌握，以利系统的工作。设置系统运行所需的各个参数，设置定时器和中断设定。图4.2为初始化程序流程。清片内RAM初始参数设定AD设定定时器设定中断设定返回开始图4.2 初始化程序流程4.3.2按键采集程序键盘子程
39、序用于探测开关、是否处在有效的开关状态，以决定是否启动系统运转。读线、读取、相连的端口，并将其值判断处理后存于相关缓存中。其中读取端口后要做一定的延时以排除键抖引起的误动作。图4.3为按键子程序结构流程图。入口读I/O口处理后存入缓存延时Y返回N图4.3按键子程序结构流程图4.3.3数据采集及模数转换程序数据采集主要由单片机控制ADC0809完成，程序分为数据初始化，发送启动转换命令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存，程序流程如图4.4所示。入口初始化启动转换处理存储返回N0Y转换结束图4.4 数据采集子程序结构流程图4.3.4数码管显示子程序开机时，初始化数码管，通过串口将“0”的字形
40、码输出使数码管显示“O”。然后判断是否有键按下，如果没键按下继续判断。显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式0，再读取显示缓冲区内的数据(显示缓冲区主要是用来存放即将要显示的数据)，然后通过查表的方式找到对应的字形码，最后把字形码写入串口寄存器SBUF通过串口方式0发送出去。显示子程序是怎么将显示缓冲区中的数据变成相应的字形码呢?具体的方法是将每个数字的字形码以16进制数从小到大的次序依次存放在存储器中的固定区域中，构成显示代码表。当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针寄存器DPTR中作为基址，将显示缓冲区内的数据作为偏移量送入变址寄存器A，执行查表指令“MOVCA，A+DPTR”
41、，则累加器A中得到的结果即表格中取出的对应数字的字形码。4.3.5 充电子程序的设计充电过程分两阶段进行，第一阶段为预充电，充电电流以0.01CA的小电流进行充电；第二阶段，当充电电压达到3V时转入第二阶段(一般认为三分钟后电池电压大于3V)，以0.5CA的电流进行恒流充电方式，第三阶段，以限额充电电压值进行恒压充电阶段。第四阶段当充电电流降到小于0.01CA时，表明电池已充到额定容量，此时即可认为基本充满，如果继续充下去，充电电流会慢慢降低到零，电池完全充满4。充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭，通过按键设置可控制充电时间。充电子程序流程图如图4. 5所
42、示。电流小于0.01CA入口采集电压电流电压大于3V否电压大于4V预充电恒流充电恒压充电是电压大于3V是电压大于4V否O是充电完成结束是否O否否图4.5 充电子程序4.3.6电源子程序的设计本太阳能手机充电器与传统充电器相比，最大的优点就是不仅能直接给电池充电，还能作为普通的直流电源使用，在本设计中系统可以提供3V、3.5V、4V、4.5V四种伏值电压，可以用过按键选择其中某一电压作为输出。直流输出也可以直接给手机充电，或作为MP3等其他小电子设备的供电电源。其输出电压可由数字显示，并有完善的过流保护功能，从而确保电子产品的安全使用。电源程序流程图如图4.6所示。入口按键采集输出控制电压检测输
43、出电压判断增大占空比跳过减小占空比小大相等返回图4.6 电源子程序结构流程图河南城建学院本科毕业设计（论文）仿真与调试5 仿真与调试5.1 充电电路仿真我们知道buck斩波电路可以通过控制开关管开通和关断时间调整输出电压值得变化， multisim仿真电路如下图5.1所示图5.1电压检测仿真5.2 电流采样处理电路仿真前文提出将电流采样电压运用LM358电路放大21倍后送给单片机的A/D接口，如下5.2仿真图，输入为5V电压时，输出为125V，可以看出电流采样处理电路确实具有放大21倍的功能。图5.2电流采样处理电路仿真5.3系统做直流电源使用时电路仿真图由于protues中没有太阳能电池模拟
44、模块，仿真时将稳压输出电压值用直流5V电源来代替，系统作为直流电源时，要求输出电压为3.5V时，显示输出为3.47V，差值约为0.03V，在允许范围之内。仿真图如下图5.4所示图5.3 整体电路仿真图5.4 系统做充电器使用时仿真结果系统做充电器使用时刚开始随着充电的进行，充电电压越来越大，充电时指示灯“正在充电”亮，充电完成时“充电完成”指示灯亮。为保证电池的安全使用，最高充电电压为4.0V。仿真结果如下图5.5、5.6、5.7所示。图5.4 充电过程仿真图5.5 充电过程仿真图3.6 充电过程仿真河南城建学院本科毕业设计（论文）总结与展望6 总结与展望毕业设计进入尾声，做毕业设计的这段时间让我感觉很充实，有努力也有收获，虽然本次设计没能达到期望的结果，但也实现也一部分功能。根据前文的设计方案，我设计了两个按键，一个“电压选择”键，作直流电源选择电压值使用，可以选择2.0V、2.5V、3.0V、3.5V、4.0V、4.5V五种电压值，五个电压值按顺序每按一次“电压选择”键即选择下一个电压值作为输出，按键按下后数码管会显示所选择的相应的电压值，由于BUCK斩波电路输出电压的波形不是平直的方波，有一段锯齿形，系统作为直流电源时，其输出电压值会有跳变。另一个按键“开始充电”键，当用作充电器使用时，装上电池，按下该键，系统就会给电池充电。由于锂电池过