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  • 太阳能手机充电器设计

    时间:2020-11-24 22:05:54 来源:天一资源网 本文已影响 天一资源网手机站

    太阳能手机充电器设计中文摘要 摘 要 21世纪,是消费的世纪,人类面临的自然问题和能源问题,逐渐成为人类的最大的消费,如石油煤炭等一些不可再生资源的消耗与浪费,最后会被人类取之殆尽,所以,人类必须寻求新的路径找到新的能源来代替传统的不可再生资源,这时候太阳能等清洁能源的应用随之走进人们的视线。现阶段的技术限制,人们想完美地利用太阳的资源不太现实,太阳光却拥有着无限的价值,只要被合理正确的利用起来,就是众人皆知的太阳能。并且太阳能属于清洁类能源,能够对地球无危害、无污染,是人们最值得利用的新型能源。

    太阳能作为一种清洁能源,它能做到零排放无污染,是一种真正值得好好利用的能源,人们怀揣着保护自然和寻求新的能源替代品这两个目的,大力的发展太阳能相关的产业。本设计是一款单片机控制的太阳能手机智能充电器,原理是利用太阳能板接受太阳能,并将接收到的太阳能经过多路转换成直流电给手机进行充电的一款设计,也可为其他一些电子产品及电池进行充电,并且该充电器有完整的自我保护电路,不会存在过度充电而导致电池损害。

    关键词 新能源,太阳能,单片机,智能电池 毕业设计说明书(论文)外文摘要 Title Solar cell phone charger design Abstract In the 21st century, the century is consumption, nature and energy problems facing humanity, gradually become human's biggest consumer, coal oil and other non-renewable resources is the last of the earth, and these assets, will be human take out, so, must seek a new path to find new sources of energy for human instead of the traditional non-renewable resources, then the application of the clean energy such as solar energy then walked into the line of sight of people.With the current technological limitations, it's impossible to make the best use of the sun's resources, but the sun's rays can be put to good use, known as solar energy.As a kind of clean energy, solar energy can achieve zero emission and no pollution, and it is a kind of energy that is really worth making good use of.With the two purposes of protecting nature and seeking new energy substitutes, people vigorously develop the industry related to solar energy.This design is a single-chip microcomputer control of solar mobile charger, the principle is to use solar panels to accept solar energy, and convert the received solar energy through multi-channel into direct current recharge my mobile phone for a design, can also be used for other electronic products and battery charging, and has a full set of self protection circuit, the charger will not produce damage to the battery for the overcharge.Keywords : solar energy, battery, single chip, intelligent 目 次 1 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2 太阳能技术概述 2 1.3 论文的结构 4 2 太阳能手机充电器硬件设计 5 2.1 系统总体设计方案 5 2.2 太阳能电池板的选用 6 2.3 LM2940应用 6 2.4 单片机的选择 8 2.5 单片机电路 11 2.6 本章小结 12 3 按键、斩波、A/D采集、DA转换 13 3.1 按键指示电路及实现 13 3.2 显示电路 13 3.3 BUCK斩波电路 15 3.4 单片机的A/D采集 16 3.5 DA转换电路 18 3.6 KA7500B介绍及工作原理 19 3.7 本章小结 21 4 C语言源程序的设计实现 22 4.1 系统整体程序框架 22 4.2 电路启动初始化 22 4.3 按键采集程序 24 4.4 LCD1602显示子程序 24 4.5 数据采集及模数转换程序 27 4.6 充电子程序的设计 27 结 论 29 致 谢 30 参 考 文 献 31 附录1 主程序代码 32 附录2 硬件电路原理图 53 1 绪论 1.1 课题研究背景 煤炭、石油等这些不可再生资源的宝库正在被人们一点一点的搬空,自然问题和能源问题逐渐成为人类发展的头等问题,这是一个恶性循环,人类对资源的开发使用,造成污染和温室效应,一步一步的上海自然,自然也会“回馈”人类。

    新能源开发利用迫在眉睫,随之经济的发展,科技的进步,人们的保护自然的意识也在逐步的增强,人类也在慢慢的探索,核能、风能、太阳能、潮汐能等等都是人们忙碌的成果,这些都是人类开发的新能源,也是清洁能源 清洁能源的含义包含一下两个方面的内容:

    (1)可再生资源 这类能源是指那些消耗了能够自己恢复补充的能源,而且在被使用的同时,不会产生污染或者只会产生很少的污染,比如太阳能、风能、氢能等等,都是比较闻名的清洁能源。

    (2)不可再生资源 这类能源就是和可再生资源对应的,在使用和消费的过程中也同样不会产生或者产生极少的污染,但是它们在被使用之后不能够自行恢复补充,意思就是它们在地球上的储量是一定的,被用完就是宣告这种能源的消失,比如天然气等等。

    虽然核能是属于清洁能源中的一种,但是使用核能时会导致其他种类的不可再生资源被浪费、消耗,而且核能的利用必须非常的谨慎,这种原理和核弹的原理是一样的,而且现阶段国际上的恐怖主义分子日益猖獗,核能难免会被他们呢利用,造成恐怖主义伤害,更直接的如果核能发电站遭到恐怖主义分子的袭击,那会造成很严重的后果,德国的做法就很谨慎,他们关闭了所有的核能发电站,并且寻找新的能源替代品,虽然这样的做法会比别的方法带来更高的成本。

    可再生能源[1]是最理想的能源,所以人们可以大胆的使用,但是,虽然可再生资源是很好的能源,它们有时候会受到一些条件的限制,比如光、水力、风力等等的限制,这就导致需要在不同的地理环境,不同的条件下合理使用不同的可再生能源,这就要求技术的允许。

    我国现阶段的国情还算比较乐观,因为我国是太阳能和风能的利用大国,我国的发展建立于科技时代的基础上,并带领着新能源利用在世界占一席之地,新能源开发的行业内的新型材料与新技术的不断更新、突破,产业链的进步和持续的成熟,风力和太阳能发电的成本越发的降低,每家每户应用太阳能发电和风力发电已不是天方夜谭,不仅降低了大型器械发电的成本,同时提高了民众的生活保障和生活质量。

    作为清洁能源,太阳能和风能逐步成为新能源的“明星”,如果能够实现风能发电和太阳能发电互补,将会是最理想的状态,太阳能较为充足的时候用太阳能发电,风能较为充足的时候用风能发电,这样最大限度的利用好这些清洁能源,也能提供更多的保障。

    1.2 太阳能技术概述 1.2.1 太阳能的发展 太阳能作为清洁的新能源有着得天独厚的优势,所以各个国家都争先恐后的组织科研人员区更好的开发和利用太阳能,利用太阳转换为光能发电已经占据了新能源发电中的主要地位,并且太阳能发电被公认为是未来最有发展可能的新型清洁能源。,太阳能技术也是被认为是最受欢迎的新能源技术,太阳能主要从热能以及电能利用这两个大方面进行利用,而热能利用的工作原理就是太阳光照的光热效应,大多是应用于采暖方面,比如太阳能热水器,而点能利用则是利用光伏反应将光能转换为电能效应,而这种发电具有很大的效率,而且成本更低,所以从人类接触太阳能以来,太阳能发电技术在逐步的创新与跟新。目前我国的太阳能发电系统主要是直流系统,太阳能经过光伏转换产生直流电流储存在蓄电池中,再由蓄电池给电子产品等进行充电。

    与常规发电技术和其他绿色发电技术相比,光伏发电技术具有如下的优势:

    1、能够真正做到零污染、零排放,不破坏环境,并且完全符合可持续发展的宗旨;

    2、可以灵活的在各个地方利用,可以独立于电网同时又可以和电网一并运行;

    3、可以持续为用户发电,真正做到不停电的电源;

    4、成本低,蓄电池以及太阳能板等器件的组成了太阳能发电系统的核心;

    5、发电的效率很高而且固定,不会因为发电设施的规模大小影响发电的效率;

    综合太阳能存在上述的种种优势,太阳能发电已成为世界各国瞩目的新能源技术,虽然目前的电网供电比光伏发电的价格要低,但是太阳能发电的维修费用要少,随着电的需求量变大,这种优势也随之变大。所以各国为了缓解能源紧张的现状,并且能够可持续高效率发展,都开始大力的发展太阳能发电。

    1.2.2 硅太阳能电池及参数 硅太阳能电池[9]由材质分类,一共有三类:多晶硅薄膜、单晶硅以及非晶硅薄膜。其中单晶硅太阳能为三者中转换效率最高者,其应用技术也比其它两者成熟。与多晶硅薄膜太阳能相比较,单晶硅的成本比其余两者较低,但是效率却高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率最多为18%,工业规模生产下的转换效率为10%。非晶硅薄膜太阳能电池的成本是最低的,而且它的质量也很轻,它的转换效率比较高,大规模生产很方便,相比较于前两种电池,非单晶硅薄膜可以大范围的进行使用。但事物拥有两面性,由于其材料的特殊性,会导致光电产生效率衰退的现象,因此这便是为何它的稳定性不高的原因之一。这也是这款电池在实际应用中的一大受制点。参数如表1.1 尺寸 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 表1.1 硅太阳能电池参数 1.2.3 本课题研究的主要内容 本次手机充电器的设计采用当太阳照射于太阳能电池板时将太阳能通过光伏效应的方式转化为电能的原理[2]。通过直流变直流的变换电路工作处理后呈负载供电。但锂电池通常都不会采用符合设计要求的持续充电方式。因为这样会损害电池,一般会有先后顺序的充电方式,先采用恒流充电,快速稳定的充电,等到电池电压上升到一定数值时,系统自动变为恒压充电的模式,持续到充满状态。充电的过程中利用LED灯与数码显示管等方式来显示充电时的电池所处的状态,在此次系统设计中对电池过流进行了稳压过压的保护措施,防止电池因为过度负荷的充电而导致损坏,同时充电器选用了模块以及USB接口的结构方式,不局限于单一的电子数码产品的充电使用。

    本文中介绍设计的太阳能手机充电器,与普通的手机充电器相比,它的能源供应为新型能源——太阳能,并且结合了单片机独特的智能特点表现,配备完整的过充保护电路,并可以显示整个电路的充电状态,通过功能键的选择来控制电路输出的电流大小,为不同的电子产品提供电力。把太阳能电池板放在一个太阳光重组的地方,即可称为手机的移动电源,这样的移动电源可以说既方便又能解决当务之急,避免因为手机没电而带来的尴尬。

    1.3 论文的结构 本文所研究的太阳能手机充电器是基于单片机开发,在其基础上,熟练掌握单片机并且对该系统进行功能设计,并根据结果对太阳能使用和充电效果进行分析。

    第1章对本课题产生的背景、太阳能的发展历史、硅太阳能电池进行了简单的介绍。

    第2章主要讲解了关于单片机开发芯片的选择、硬件部分的原理设计以及太阳能电池板材料的选择。LM2940的应用和原理还有对于充放电控制部分的设计。

    第3章对整个系统三个模块进行一系列的解释说明,和对每个模块的功能简单的介绍。

    第4章对C语言程序的设计及各个模块电路的流程进行介绍。

    2 太阳能手机充电器硬件设计 2.1 系统总体设计方案 2.1.1 原理概述 太阳能充电器就是将太阳的光能转换为电能,并且为电子设备提供供电的新型设备,是将太阳能转化为电能储存在蓄电池中,再由蓄电池给手机充电,当然蓄电池可以为各种蓄电装置,也可以直接是手机电池。

    2.1.2 系统总体设计方案 图1 系统总体设计方案 在使用过程中太阳能电池由于阳光的变化交替,同时内阻的阻值很高,从而导致了其输出电压存在不稳定,输出电流过小的现象,这就需要一个控制器来控制系统中的电压电流的稳定。如今充电器一般都采用闪充、快充的方式,而这种充电方式通常都是通过大电流来达到快充的目的,但这种充电方式通常会使处于饱和状态的电池因为没有及时断开充电器以及电池的连接电源,因此电池会发烫从而使电池的使用寿命剪短。本系统将采用单片机STC系列中的12C5A60S2芯片,将它作为充电系统中的中央控制器,并实现“低成本,大效率”的充电智能控制。总体设计方案如图1所示太阳电池板通过了光伏反应后将太阳能转换为电能后,通过单片机中的编程模块实现脉冲宽度调制波来控制直流/直流的转换芯片工作。使电路中的电流电压可以任意调节,确保输出的电压电流合适为电池充电。然后通过显示电路的功能来实现了显示电路的输出状态,通过单片机的ADC模块采集系统中的数据后并转换,再将数据传送给单片机,再由单片机做出预判,从而实现了基于单片机的电路智能控制。

    2.2 太阳能电池板的选用 太阳能电池板是整个太阳能手机充电器系统工作的核心,是该手机充电器的基础部分,其主要功能是将太阳光的辐射的能量转化为能够使用的电能,许多便携式数码电子设备所需的电压电流都不相同,如果一些设备的额定输出功率较大时,就要采用面积更大的太阳能电池板来供电,而这又给用户携带带来诸多不便。因此,这款充电器采用模块化设计的方法,根据不同的充电需要,合理组合太阳能电池板规模,来提红一套具有稳定输出功率和输出电压的光电伏电池组。如图2.1所示,为太阳能发电原理,由P、N型半导体构成的太阳能板接收光能辐射,光透过电池板就会激发一些电子,形成许多的运动着的带负电荷的电子和带正电荷的空穴。同时P-N结形成内部电场,吸引电子往N区、空穴则通往P区进行运动,在此状态下,太阳能板吸收光源的一面将会汇集众多负电荷电子,而背光的一面就会汇集携带正电荷的空穴,与此同时,太阳能板的两端都将会连上负债,电流正常通过负载。,所以持续将太阳能板进行光照,负载上就会又持续的电流通过。

    图2.1 太阳能电池发电原理 2.3 LM2940应用 图2.2 LM2940应用电路 本文采用的单片机电源设计芯片为LM2940,这种芯片三端为集成稳压器,采用串联电路。如图2.2所示为2940芯片的典型实例电路。LM2940特点:低压差三分稳压器、额定输出电压5V、额定输出电流1A,这说明当电路中的输出电流为1安时,最小的输入输出电压差值则会低于0.8A,这时最大的输入输出电压则为26V,区间的工作温度则为-40——+125℃。LM2940芯片能够降低静态电流的电路、电流限制以及电路的过热保护等。

    表2.1 由表2.1可知,当LM2940的输出电压为1A时,最低压差的典型值则为0.5V。

    图2.3 电压电流变化 图2.3表示LM2940输出电压的瞬间改变时,此时输出电压产生的变化显示,由图可得,输出电压最短可在10uS内恢复到正常状态。

    图2.4 输入电压与输出电压关系 图2.4为输入电压低于正常值时,输入电压与输出电压间的关系(输出电流均保持在1A时)。

    图2.5 电压曲线 图2.5为出现输入电压大于限定值时输出电压的情况,由图可得,输入电压<30V时,其内置芯片则会主动的激活过压保护功能,从而是输出的电压为 0V。

    2.4 单片机的选择 宏晶科技生产的STC12C5A60S2系列单片机为单时钟,机器周期为1T的一款单片机,它是新一代的8051单片机,对比传统的51单片机的功能,其指令代码可以完美的与传统互相兼容,并且不易出现错误。引脚如图2.6所示。

    (1)晶振相同时,新一代的单片机速度为传统51单片机的8——12倍。

    (2)有8路10位AD。

    (3)多了两个定时器,有PWM功能。

    (4)有SPI(串行外设接口)接口。

    (5)有EEPROM。

    (6)有1K内部扩展RAM。

    (7)有WATCH-DOG。

    (8)多一个串口。

    (9)输入(IO)口首先被定义,并且定义有四种状态。

    (10)中断的优先级存在着四种状态,均可定义。

    图2.6 2.5 充放电的设计 本系统控制数据的采集过程则是单片机主要任务,把采集得到的数据经过分析与处理在LCD中显示,与此同一时刻输出脉冲宽度调制信号,控制直流/直流转换模块。上电复位的过程,应先检查并且保证充电器功能,从而确定输出电流的大小。转入相应子程序并分析计算脉冲宽度调制信号的占空比,开始输入电流/电压,并将数据送至显示电路进行显示。在输出过程中通过单片机的定时器进行定时的检测系统中的输出电流/电压,与设定值比较后调节脉冲宽度调制信号的占空比,使输出值更趋于设定值。在电池充电过程中,通过检测电流来确定电池充电状态,从而改变充放电模式或决定是否停止充电[6]。

    单片机编程能够实现充电器在充电时的智能控制,并且简化了复杂、繁琐的硬件电路设计,对程序进行修改来改变电路的工作状态或者是电路参数。

    充放电的控制:

    (1)充电方式 市场售卖的充电器普遍存在蓄电池充电方式的使用不合适,从而损害了电池的使用寿命。本设计中,蓄电池的充电技术采用了脉冲宽度调制技术,而此项技术就是利用了单片机中的数字输出对模拟电路的影响与控制 11]。

    PWM原理是指在时钟频率一定的情况下,通过改变在一个周期内利用什么时候开启和关闭通电来改变信号的占空比,从而调整输出电压[11]。如图2.7所示,在一个周期T内,开启电压的时间t可以任意变化,当时间t占周期T一半时,对应的占空比为50%。当占空比为50%时,信号电压为10V,实际工作电压5V。

    图2.7 输出电压波形 PWM充电方式是指对蓄电池进行间断的充电,充一会停一会,如此循环下去[9]。因为这种充电方式会降低蓄电池 在停充状态下,内部化学反应会导致内压,因此可以使蓄电池吸收更多的电量,提高电池充电的效率[9]。

    (2)放电方式 市场上售卖的很多充电器没有对蓄电池电压进行实时检测的功能,因此电池很容易在放电时负载过放。本文在对电池电压进行检测时,还将会判断蓄电池是否处于正常的额定电压范围,然后通过了手动的控制开关将开关按照开关按键来操作负载电路接通和关断的控制。

    2.6 本章小结 本章对整个充电器硬件部分进行了整体性的介绍,简单的介绍了太阳能电池板的选择要求并且根据电流等选取较为合适的电池板同时也对太阳能电池板工作原理和功能进行简单的介绍,同时也简单介绍了STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机的基本功能,还有对单片机电路的工作过程和内容进行简单的讲解,也有一部分的充放电的控制设计。

    3 太阳能手机充电器模块及电路组成 3.1 单片机控制模块 3.1.1 单片机控制电路 MCU模块即为单片机部分也是核心部分,因为整个系统的控制都是依靠单片机完成的。STC12C5A60S2的P0口连接着CD1602,作为数据输出的显示输出功能,引脚P24、P25、P26均为控制端口,控制LCD,引脚P13、P14为脉冲信号的输出端口,P16、P17口为ADC采集端口;

    P10、P11、P12接三个独立键盘用来输入数据传输。图3.1是单片机控制电路图。

    图3.1 单片机控制电路 3.1.2 按键控制电路 在单片机应用系统中,按键控制有独立按键方式以及矩形编码按键方式两种方式。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上,通过对端口上的电位感应来识别操作人的各种按键操作,矩形键盘识别与独立按键的操作方法不同,通过行键盘以及列键盘的相互交叉的编码进行识别。

    图3.2 按键接线图 综合考虑电路后,由于在本设计中由于按键不是太多,故采用独立按键法,用这种按键法能够降低编程的难度,图3.2为本设计中的按键方式接线图。将采集电路连接到单片机的P1口,通过P0口收集采编控制的工作,让P0口能够只用于接受数据的额功能,而不是发送系统数据。为了减少电路的开销,如果P0端口用于输出端口,则需要连接up电阻,反之则不需要,而P3口的主要工作是串口传输,因此按键方式连接在P1口端,PB2的对应按键功能是数字减少的按键,PB1的对应按键功能为数字增加,PB0口则对应按键功能为键位确定,P1.3对应按键功能为电路保护指示灯,P1.4与P1.5均对应的按键功能为输出功能的选择,P1.4对应的是给手机充电,P1.5对应的是简单的直流电源,包括可以提供5 v的输出电压可以直接与USB电缆充电的手机连接,手机自带电池充电控制。

    3.1.3 稳压控制设计 (注:KA7500B和TL494是同一种芯片) 下图中的电路图3.3所述为集成电路型号为KA7500B,这是三星公司中的一颗专用型的pwm开关电源集成控制器,它能兼容于TL494并且可以互换。在一定的频率脉宽调制是TL494的特点,涵盖了开关电源控制的所有需求的功能,常广泛的运用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。它的一些主要特性如下:TL494的显著特点为集成了所有的PWM电,它的内置芯片是线性的锯齿波振荡器,外置两个振荡元件(一个电阻和一个电容)。还内置了一个误差放大器以及额定电压为5V的基准电压源。还能调整死区时间。它的内置的功率晶体管可提供500mA的驱动能力。与此同时,还能适应推或拉两种不同的输出方式。

    集成电路靠外部输入出控制信号,分为两路,一路送到死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。TL494芯片中内置的一个5.0V的基准电压源,使用外置偏置电路时,能够提供高达10mA的负载电流。

    图3.3中的电路功能:提供恒流/恒压输出功能。它还带有两路反馈电路,这两路反馈电路一种是电流反馈电路,另一种是电压反馈电路,其中电流反馈电路的正、负极对应着引脚1、2脚,当电流进行取样时,电阻就会产生压降,而这个压降的产生原因是因为输出电流,此压降通过了电阻过R9、R1、R14、R15,再由电阻反馈回来,当KA7500的引脚P1电压大于引脚P2的电压时,KA7500主动的减少输出的PWM脉冲,以此来减少输出电流的大小,其原理公式:

    式中R为电流的取样电阻,PWM为单片机PWM输出滤波后的电压。

    电路里的正负反馈分别对应着引脚15、16,当芯片通电后,单片机就会根据于此产生输出PWM电压,输出的PWM电压的作用:KA7500B的第15引脚的电压基准,在其工作环节中输出电压,前面电压取样电阻分压后,与单片机提供的基准电压做比较,当电压过高时,脉冲宽度会相应减小;但如果电压太小,脉冲宽度则相应的增加,用来确保输出碘盐的稳定。其输出电压值符合下列公式:

    由于KA7500B的两路反馈进行控制之前首先要相“与”,当输出电压低于恒压值时,电流反馈在电路中为主导控制的作用,当输出电压达到设定值时,电压反馈为电路中的主导控制作用,这样电路就完成了整个恒流/恒压的控制功能,它的原理其实是和稳压电源的工作原理完全相同的,只是这两路反馈电路是开关电源控制方法,而且还具有效率高,温升低等好处。

    图中的D1为防止极性反相输入的二极管,D3为开关电源工作中的续流类二极管,T1则为工作于开关状态。

    图3.3 稳压控制电路 3.2 显示模块 3.2.1 显示电路 在单片机人机界面中,一般的输出方式有以下几种:发光二极管、LED数码管、液晶显示器。常用的二极管有LED、数码管,两者在硬件、软件上操作都比较简单。

    在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:

    (1)显示质量高(2)数字式接口(3)体积小、重量轻(4)功耗低 1602字符型的LCD简介:字符型液晶显示模块其作用,显示数字、字母以及符号的等点阵式的LCD。表3.1为LCD规格简介表。

    外形尺寸 80*36*14 单位 可视范围 64.6(W)*16.0(H) mm 显示容量 16字符二行 点尺寸 0.55*0.75 mm 点间距 0.08 mm 表3.1 LCD规格简介 芯片的各个引脚接口以及功能说明如表3.2所示:

    表3.2 LCD引脚间接表 图3.4LCD1602显示电路 图3.4为LCD1602电压显示电路:将LCD的RS端与单片机的P2.7引脚相接实现对写命令还是写数据进行选择,同时将R/W端与P2.6引脚接引能够更好的控制读写操作,将EN端与P2.5接引,为了确保显示电路正常工作,同时将LCD的15号引脚接地,防止LCD因为电压的变化过强而导致烧毁,P0.0到P0.7是输出端口则与LCD的D0至D7接引,实现电压数据的传输。

    3.2.2 BUCK斩波电路 直流/直流转换器能够广泛的应用于便携式设备中,如,笔记本、手机等,一共有线性变换器、开关变换器两种,其中开关变换器受到广泛的使用 [13],因为它有着以下优点:效率高、极性灵活、升压降压方式的优点更容易吸引大众。

    直流/直流变换的工作原理:将固定的直流状态转变为可变式的直流状态,因此也被人们陈佐直流斩波器。直流斩波器有着脉宽调制、频率调制这两种工作模式,脉宽调制工作模式的Ts不变,ton则改变,但频率调制相反。(1)buck电路(降压斩波器),其输出的平均电压U0要比电压Ui小,并且两者极性相同。(2)Boost电路(升压斩波器)它与前者不同的是输出,它的输出电压U0与电压Ui比较的结果很多,但两者极性相反,并且它还是通过电感进行传输。(4))Cuk电路(降压/升压斩波器)与前者有些相似的输出,但是它是靠着电容进行传输。

    在本电路中由于输入电压始终大于输出电压的缘故,所以采用脉宽调制方式的BUCK变换器,BUCK变换器又称串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器等等。其电路如图3.5所示,PWM脉宽调制信号有单片机提供,控制开关管的开、关。

    图3.5 3.3 单片机的A/D转换模块 3.3.1 单片机A/D采集 STC12C5A60S2有着8路10位的高速A/D转换器[6],其最高速度为250KHZ,为一个8路的电压输入的交/直流转换器,当单片机进行电复位的状态时,P1口将会变为弱上拉型的输入输出口,使用时也可以通过对程序的改变或者对软件的设置将8中的任何一路设为A/D转换路。

    STC12C5A60S2系列单片机中的ADC为逐次比较型的ADC,它由比较器以及D/A转换器组成。它的功能为通过顺序比较的方法快速得到最接近模拟值的数值,从最高位的MSB开始,依次将每个输出电压与交流/直流转换器进行内部的输出电压比较,通过不同、多次的方法比较厚,逐渐选出最接近的输入的模拟值。连续比较的交流/直流变换器有着速度快、低功耗的优点。

    图3.6为采集电路。AD1为采集电压。

    图3.6 采集电路 电池电压采样电路:鉴于电流采样,由于电路中的电流可能过小而不被检测到,所以需要采用差分放大电路,对微小的电流进行放大处理,这样容易被检测和采集到。下图图3.7是太阳能充电器中用到的差分放大电路。

    图3.7 差分放大电路 R2=R6;R5=R4;

    放大倍数为:;

    图中的运放为LM358,图3.8为LM358的脚位图。

    LM358的内部拥有两个独立的双型运算放大器,均有高增益、内部频率补偿的优点,它有两种工作模式,可以适用于单电源大范围供电的工作模式,也可适用于双电源供电的工作模式,在推荐的工作条件下,电源的与电源的电压无关。

    图3.8 LM358脚位图 3.3.2 D/A转换电路 PWM信号为一种拥有固定周期(T)且不定占空比( )的数字信号。当PWM信号的占空比根据时间的变化而变化,那么滤波整流厚的输出信号则为幅度变化类型的模拟信号,所以,合理把控PWM的信号占空比就能产生出各种各样的模拟信号。

    在电子和自动化技术的应用,单片机和DAC(数字模拟转换器)通常需要在同一时间使用,但许多单片机内部不能集成DAC,即使有一些单片机内部能够集成DAC,也达不到要求,因为这些集成的DAC往往精度不够高,如果应用系统中需要用到高精度的DAC就需要用到外部DAC集成电路,这就会增加成本的预算。几乎所有的单片机都能提供提供定时器或PWM输出功能。如果可以应用单片机的PWM输出(或者通过定时器和软件一起实现PWM输出),那么DAC就可以通过简单的变换电路实现,这将大大降低电子设备的成本,并且减少体积,也更加容易提高工作效率的精度。基于PWM与DAC的转换关系理论,本文将会设计出DAC输出为0-5V的DAC。图3.9为简易的交流/直流电路图。

    一般来说,基于PWM定时器和滤波器的PWM,DAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。PWM信号的分辨率取决于计数器的长度以及PWM计数器能够达到的最小占空比。以下为数学表达式:

    Rcounts = L/C 其中 = Lcounts,C是最小占空比 比特分辨率用下式计算:

    当PWM的计数器长度为512个计数值时,其最小的占空比则为2个计数值,这时PWM与DAC的分辨率则为:,或者以bit表示:。

    图3.9 简易D/A电路图 3.4 本章小结 本章对各类的电路系统有了简单的概述,重点的介绍了电路的三个模块构建部分:①单片机控制模块,单片机控制模块涵盖了控制电路、按键控制电路和稳压控制设计;

    ②显示模块,其中包括显示电路和BUCK斩波电路;

    ③A/D转换模块,其中包括单片机的A/D采集和单片机D/A转换电路。并且同时表述了各个模块的、各个电路的功能、组成和原理。4 C语言源程序的设计实现 4.1 系统整体程序框架 此次设计的总体内容是由单片机程序控制。其工作过程主要是:电路启动初始化、电路功能选择、输出选择和输出确定。当单片机对输出的脉冲宽度调制信号进行采集以及计算时,则会对数据进行定时的采集以及处理,并且调整了它的占空比达到调节电压的目的。

    程序整体框架如图4.1中所示。

    图4.1 4.2 电路启动初始化 所谓初始化就是单片机在运行时设置了初始的运行环节,主要有:清片内,当单片机进行加电时,就会造成单片机上电复位的操作进行完成,而寄存器会被设置成为不同的值,但其中绝大部分为未知值。这些未知值会在单片机进行复位完成后正式操作,但是程序员却不能掌握后果,极有可能对系统造成不同层次的损害,因此单片机运行后,需要进行清0操作,设置初始的参数,方便后期程序员的工作,在设置中设置运行系统所需要的不同参数,还需要设置定时器以及中断设置。图4.2为单片机的初始化程序流程。

    图4.2 4.3 按键采集程序 键盘子程序的作用主要是运用于于检测开关的一个有效状态,是否开关。凭借这个来判定是否能够启动系统运行。读线、读取以及相连的端口,都将其数值通过系列的判断处理后,将其存储在相关类型的缓存中。并且读取端口在结束时一定要有延时工作,这是为了防止按键抖动的消抖程序,图4.3为按键的子程序结构流程图。

    图4.3 4.4 LCD1602显示模块 身为一个慢显示器件,液晶显示模块在执行每一条指令的时候都要求确定设置模块的忙标志处于低电平状态,这意味着是不忙的状态,判断否者会导致指令失效。显示想要的字符时就需要先输入显示字符的地址,就是告诉模块操作者需要在哪个位置显示字符,图4.4是1602的内部显示地址。

    图4.4 4.4.1 LCD1602显示器初始化 1602LCD的一般初始化(复位)过程:

    延时15mS 写指令38H(不检测忙信号) 延时5mS 写指令38H(不检测忙信号) 延时5mS 写指令38H(不检测忙信号) 以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 写指令38H:显示模式设置 写指令08H:显示关闭 写指令01H:显示清屏 写指令06H:显示光标移动设置 写指令0CH:显示开及光标设置 4.4.2 LCD1602基本时序 理解其基本操作时序是对LCD1602液晶屏的正确读写的关键,1602显示屏的基本时序如下表4.1所示:

    表4.1 LCD1602基本操作时序表 4.4.3 LCD1602显示模块流程 LCD液晶屏主要用来在屏幕上显示信息,因此一般对其进行写操作,如下图4.5所示,为进行写操作的时序图。

    由图可知,LCD1602写操作流程为以下几个步骤:首先,将R/W置为低电平,即首先设定写模式。然后由RS端指定写指令或者写数据。写数据是让屏幕显示相关信息。写指令是指对液晶屏显示执行什么操作如让数据在屏幕的哪个位置显示。指令或数据被送到数据线后,给E端一个高电平,输出线上的数据被送入显示屏内存储器,内部存储器依据程序在屏幕上显示。

    LCD液晶显示软件设计流程图如下图4.5所示 图4.5 4.5 数据采集及模数转换程序 对数据的采集则需要由单片机内部中的模数转换为模块,才能完成,采集流程为:1、ADC寄存器进行初始化,2、后发送启动的转换命令,3、等待转换结束后,4、产生中断并且接收来自转换时的数据,5、处理、存储数据。如图4.6、4.7所示为程序流程。

    图4.6 图4.7 4.6 充放电子程序的设计 其充电过程大致分为2个阶级:第一阶段是恒流充电阶段,可以主观设定恒定的电流进行充电,在充电电压达到4.2V这个设定值时充电器便会转入第二阶段,即4.2V之后时恒压充电方式。在恒压充电的过程中,电流是会根据时间的变化而产生变化的,如果时间越长电流就越低,当充电电流降到10mA时,这就表示电池已充到额定容量的80%~85%,此时便能确定是电池基本充满,假若继续充电,充电电流会慢慢降低到零,直至电池完全充满为止。充电曲线图如下图4.8所示 图4.8 充电曲线图 在充电的过程中,正在充电的指示灯会发出亮光,当电池处于饱和状态时,表示充满的指示灯就会发亮,此时可以通过对按键的控制进行电池充电的时间控制。如图4.9所示为程序流程图。

    图4.9 充电子程序流程图 结 论 太阳能和风能都是本世纪应用最为广泛也是应用前景最为广阔的绿色能源。市场上太阳能发电、风能发电的产品已经很常见,充电器部分作为这些产品的核心,自身性能稳定的同时越来越需要能够保护电路。此次手机充电系统的设计主要分为两大部分:硬件设计,软件设计,早期的主要工作就是硬件电路设计,最终确定由89C51单片机为本次设计的主要控制单片机 ,硬件电路设计主要是电路原理图的设计。

    本文的系统软件设计采用了单片机里的时模块化,而它由主程序、按键采集、LCD数码管、直/交转换采集以及脉冲宽度调制信号。参考了网上提供的标志位加定时器实现方法,由于数据处理部分涉及到硬件的设计和参数的选定,这些是比较主观也是比较具体的,所以这之中那个有一部分是自己设计的内容。在数据的处理过程中,有时候会用到单字节算法,也有时候会用到双字节算法,当然还有别的算法也可以是程序设计便的简单。

    硬件搭建和检测部分,硬件搭建按照原理图在面包板上合理布置,焊接时需要了解器件的每一个引脚,还要防止短路、断路以及虚焊,调试时存在误差,要多准备些元器件比如不同阻值的电阻,在调试时需要不断更换,控制在理想的误差范围内。

    太阳能充电器是一款便捷且惠民的一款充电器,它的出现和使用具有很大的意义,不仅是对传统充电器的革新,更是人们对能源的更高追求和对自我提升的优越表现。以太阳为能量的新能源电器在未来的道路上一片光明,在未来,再平常生活中会经常的见到这类产品。

    遇到任何问题,首先自己考虑解决方法,如果遇到阻碍可以向导师合同学寻求帮助,术业有专攻,导师会给予一切在可控范围内的最可行的帮助。

    致 谢 本论文是在指导老师仲爱民教授悉心指导下完成的。仲爱民教授渊博的专业知识,严谨的治学态度,精益求精的工作作风,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在仲爱民教授指导的半年里,每次有疑惑,向他询问,都能得到及时且有效的解答和帮助,不仅使我掌握了基本的理解思路和解决方法,同时也让我对老师这个职业有了深刻的认识。本论文从选题到完成,每一步都离不开仲爱民教授的指导和帮助,许多有想懈怠的时候,仲爱民教授总是在提醒我们需要投入加倍的精力,找到并解决问题,理解毕业设计的各方面的意义。在此,谨向仲爱民教授表示崇高的敬意和衷心的感谢! 此外,还要感谢辅导员陈新新,班导师李昂,电光院孟迎军院长,以及教过我的各专业课老师,大学四年,我的学业都是倾注了他们的心血和指导, 是他们让我了解了各种专业知识,让我解决了很多专业上的问题,同时开阔了我的眼界,让我了解到跟深层次的知识问题,提升了我的自身价值,对以后的生活方向提供了明灯,在此衷心的感谢他们! 本文最终得以顺利完成,也离不开同学和朋友的关心和帮助,感谢毕设小组的其他组员,在我们遇到问题是,我们互帮互助,解决了一个又一个的细节方面的问题,在此向他们表示深深的感谢! 大学四年时光匆匆,转眼间就是毕业季,脑袋里还回想着刚刚踏入校园是的情景,感谢父母,感谢老师,感谢同学,让我拥有体会这么充实的大学生活的能力,也让我体会到了除了家人以外的温暖。最后再次表达诚挚的感谢,感谢我的父母老师以及老师! 参 考 文 献 [1] 常振明, 韩平, 曲春洪.可再生能源利用现状与未来展望[J].当代石油石化, 2004, 12(12):19-23.[2] 蒋鸿飞,胡淑婷..绿色能源——太阳能充电器[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2007,(2):147-149 [3] 蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M]..北京:北京航空航天大学出版社,2006年11月 [4] 付靖祺.基于单片机的频率计设计[J].科技展望,2015,03:89-90.[5] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2005,(05) [6] 王凯,邢林海.基于单片机的8位频率计的设计[J].电脑与电信,2008,05:65-67.[7] 张伯文.简易镍镉电池定时恒流充电器[J].电池,1997,(6) [8] 康华光.电子技术基础 (模拟部分) [M].北京:高等教育出版社, 2000 [9] 张红梅,尹云华.太阳能电池的研究现状与发展趋势[J].水电能源科学,2008,26(6):193-197 [10] 滨川圭弘.太阳能光伏电池及其应用[M].北京:科学出版社, 2008 [11] 沈德金等.接口电路与实用程序实例[M].北京大学出版社, 2003年 [12] 张军军,孙佩石,梁海涛.智能化小区LED路灯光伏充电器的设计[J].电源技术,2007,31(2):157-159 [13] 陈维,沈辉,王东海等.太阳能半导体照明驱动技术研究[J].照明工程学报,2005,16(3):7-10 [14] 徐大诚,邹丽新,丁建强.微型计算机控制技术及应用[M].高等教育出版社,2003年 [15] 肖鹏,陈国呈,吴春华等.一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略[J].上海大学学报(自然科学版),2008,14(6):633-636 [16] 周林,武剑,栗秋华等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术, 2008,34(6):1145-1154 [17] Huang Ji-wu,Yang Hong-wei,Ming Feng.Study on an application using AT89c51 to measure frequency in UHF and VHF[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences,2002,71:2-3. 附录1 主程序代码 附录2 硬件电路原理图

    利用太阳能为便携式电子产品充电

    摘要:随着社会的发展和进步,石油和煤碳、天然气等不可再生能源濒临告捷,同时这些能源消耗过程中的排放造成巨大的环境污染,给人类的生存带来巨大压力。因此风能、太阳能等清洁能源越来越受到人们的青睐。本文所述之研究就是为了节省有限能源,利用清洁能源而做的太阳能充电器。

    关键词:
    太阳能;
    充放电速率;
    稳压;
    最佳倾角;

    一、功率计算

    随着便携式电子产品的普及和技术的进步。对电池的容量要求越来越高。锂电池以其轻便、安全、容量大等优点被应用于绝大部分的便携式电子产品中。比如手机、相机、平板电脑、游戏机、对讲机、MP

    3、MP

    4、IPAD等。因此大容量的锂电池不断涌现。现阶段我们使用的手机电池的容量普遍在2000~4000mAH。与此同时,人们又希望充电速度快,OPPO手机就做出了“充电一分钟通话两小时”的广告。事实证明,快速充电对电池的使用寿命是不利的。并且具有安全隐患,容易引起电池爆炸。那么以多大的电流为电池充电较为合适呢?现引入“充放电速率”的概念。用来表示电池充放电时电流大小的比率,即速率。用字母C表示。如1200mAh的电池,0.2C表示240mA(1200mA的0.2倍),1C表示 1200mA(1200mA的1倍)。充放电效率也与C(速率)相关,在0.2C条件下,聚合物锂电池的充放电效率应该在99.8%。充放电效率=放电容量/充电容量×100%。多大的充电电流算是合适的?理论上越小对电池越有好处。但你总不能为了一块电池充电等三天吧。国标规定的低倍率充电是0.2C。

    冬天阳光温暖,夏日阳光爆烈,天气或阴或晴,因此太阳能电池板所能提供的电压和电流并不稳定,因此需在太阳能电池板和手机之间增加稳压电路。本人采用的是成品太阳能稳压电路。输入电压范围是5~20V,输出电压是5V。峰值电流是2A。转换效率按80%计算。

    本人所用的手机电池容量是2300mAH,以0.2C的充电速率充电,其电流为2300*0.2=460mA 所需功率为460 mA *5V=2.3W 按照太阳能电池板参数计算:太阳能电池板厂家提供的参数:外形尺寸270mm*175mm,实际受光面积是250*160=4万平方毫米。工作电压6V,开路电压7.4V,工作电流1A,短路电流1.1A,最大功率6W。由以上参数可知手机充电需要2.3W功率,太阳能电池板能提供6W功率,用此太阳能电板板为我的手机充电能够满足要求。但是,厂家提供的参数是在什么条件下测得的呢?是在光普为AM1.5,辐射强度为1000瓦每平米,温度为25摄氏度的条件下测得的。实际应用中不一定是这个条件。因此需按照太阳辐射强度进行计算。

    德州地处北纬37.45度,东经116.3度,海拔22米。春分日(3月20日前后)上午

    2十时至下午14时水平面上的太阳辐射强度大于等于550W/m。秋分日(9月20日前后)上

    2午十时至下午14时水平面上的太阳辐射强度大于等于550W/m。太阳能电池板的光电转换率按15%计算,稳压器的转换效率按80%计算,那么在以上时段中太阳能电池板能够提供给手22机的功率是550W/m*0.04 m*15%*80%=2.64W。大于2.3W,能够满足为手机充电的要求。

    在春分和秋分时节能够满足要求,也就是说在半年时间内的睛天日都能够满足使用要求。预计此充电装置一年内有半年的时间能够得到应用,每天自上午10时至下午14时使用效果较好。

    二、实验 2017年7月27日,时节已过大暑,尚未立秋,星期日,微风轻抚,碧空万里。笔者于11点20分开始为手机充电,其时显示电量为48%,12点08分再去观察,电量已充至71%。

    三、最佳倾角计算

    如果不采用太阳追踪系统,那么太阳能电池板以什么角度放置效果最佳。在炎炎夏日的正午,太阳能电池板很容易满足使用要求。最佳倾角就是在春分日和秋分日的上午十点和下午14点,让阳光直射太阳能电池板。经计算这四个时刻的太阳高度角大约是43度。(用太阳高度角在线计算程序算得)。也就是让太阳能电池板与水平面的夹角呈47度,这就是最佳倾角。

    四、结论

    此充电装置经实际验证,能够为便携式电子产品的电池充电,且效果较好,能够节约市电,为“节能降耗、减排治污”做出贡献。更重要的是解决了远郊旅游、野外探险等情况下的电子产品用电问题。

    参考文献:

    (1)《全国主要城市太阳辐射强度表》 (2)《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》GB31241-2014

    相关关键词: 太阳能手机充电器设计论文

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