太阳能充电器的设计
目录
摘要 (1)
0 引言 (1)
1 电源及负载 (1)
2 太阳能充电器硬件设计 (3)
2.1 系统总体设计方案 (3)
2.2 单片机电路 (3)
2.3 LM7805应用及控制器电源电路 (4)
2.4 充电电路 (5)
2.4.1 DC-DC变流电路 (5)
2.4.2 Buck斩波电路 (5)
2.4.3 实际充电电路 (6)
2.5 电压电流的A/D采集 (6)
2.5.1 主要技术指标和特性 (6)
2.5.2 部结构和外部引脚 (7)
2.5.3引脚连接结构 (8)
2.5.4 MAX472及电流检测 (9)
2.6 液晶显示电路 (9)
3 C51源程序的设计实现 (10)
3.1系统整体程序框架 (10)
3.2 数据采集及模数转换程序 (10)
3.3电路保护子程序 (11)
3.4 充电子程序的设计 (12)
3.5 电源子程序的设计 (12)
结论 (13)
参考文献 (13)
附录1 主电路原理图 (14)
附录2 C51源程序 (16)
太阳能充电器的设计
唐XX
（XX大学XXXX学院20xx XXXXXX专业X班）
摘要：根据独立光伏发电系统理论设计了一种太阳能充电器。该太阳能充电器由多晶硅太阳能电池将光能转换为电能，通过Buck变换器变换为稳定的直流输出，利用锂离子电池充当储能单元。应用AT89S52单片机设计充电电路的控制管理系统并通过调节PWM波形的占空比来控制电路输出。
关键词：太阳能电池；AT89S52单片机；智能充电；Buck变换器
0 引言
由于能源问题的日益紧，引起人们对太阳能应用的热潮。现在，由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池构成的产品发展相对成熟，国外很多专家也正在这方面做深入的研究，太阳能应用拥有广阔的前景。本论文在所掌握的专业基本理论的基础上，结合其它相关学科方面的知识以及前人在这一领域的研究成果，针对节能环保和目前太阳能充电器对蓄电池的保护不够充分，蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于AT89S52单片机的太阳能充电器的方案，在太阳能对蓄电池的充电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计、算法研究和软件编写，实现了对蓄电池的科学管理。
独立光伏发电系统的前级由光伏电池、DC-DC变流器和蓄电池组成一个光伏充电器。[1]本设计由多晶硅太阳能电池板将太阳能转化为电能后，分别经过稳压电路和Buck变换器处理后为控制模块和充电电路供电。并对锂离子电池的充、放电过程和影响锂离子电池使用寿命的各种因素作了详细的分析后，采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到限定值时，自动转入恒压充电的方法。充电过程中采用AT89S52单片机模拟PWM输出来控制开关管的通断，实现电路对锂离子电池的充电控制。系统中设计有过流过压保护，以避免因电池过度充电而损坏。
1 电源及负载
1.1硅太阳能电池特性
太阳能电池是一种利用光伏效应把光能转换为电能的器件，它主要是由硅半导体材料构成，当太照射到半导体P-N结时，会在P-N结两边产生电压，当外电路导通时，使P-N结短路就会产生电流，这个电流随着光的强度增大而增大，当接受的光的强度一定时，就可以由太阳能电池在光伏系统中负载的匹配特性决定
系统的工作特性，并且太阳能电池可以看成恒流源。
在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（MPPT）。MPPT所对应的电流为最佳工作电流，电压为最佳工作电压，功率为最大输出功率，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点，从而求出最大输出功率。但要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池部等效的串、并联电阻的影响。其等效电路如图1所示。
图1 太阳能电池等效电路[2]
本设计选用的太阳能电池板技术参数指标如下：尺寸120mm×120mm，峰值电压5.5V，峰值电流180mA，标称功率1W。实际采用两块相同参数电池板进行串联，实测电池板的输出电压最大值为11.8V，电流最大可达110mA，总标称功率为1.2W左右，实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。
1.2锂离子电池充电方式
锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高，自放电小，没有记忆效应，工作温度围宽为-20℃～60℃，循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大，使用寿命长，没有环境污染，被称为绿色电池。锂离子电池标称电压（表示电池电压近似值）3.7V,充电限制电压（恒流充电转恒压充电时的电压值）4.2V。
图2 锂电池常规充电方法
图2为3.7V锂电池常规充电方法充电过程示意图。首先恒流（0.2C或1C）充电，即电流一定，而电池电压随着充电过程逐步升高，当电池端电压达到充电
限制电压（4.2V）时,改为恒压充电，即电压一定，电流随着充电过程的继续逐步减小，当减小到0.01C时，则认为充电终止。[3]
2 太阳能充电器硬件设计
2.1 系统总体设计方案
图3 系统总体设计方案
太阳能电池在使用时由于太的变化较大，其阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后不及时停止会使电池过度充电。过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来，严重损害电池的寿命，这就需要一个复杂的控制管理系统。51系列单片机是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，是51系列单片机具有强大的生命力。本系统将采用AT89S52做为充电电路的控制器，以较低的成本来实现复杂的充电智能控制。本系统总体设计方案如图3所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程调节PWM波形的占空比来控制开关管关断，从而实现输出电压电流的改变。通过显示电路显示电路状态，由ADC0809和MAX472实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，最终实现电路的智能输出与控制。
2.2 单片机电路
本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉冲宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。通过单片机编程不仅实现了充电过程的智能控制，而且可以大大简化了硬件电路设计，由于单片机性能全面和适应能力强，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需要简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易
行。本系统设计引脚接线如图4所示，其中P1口接ADC0809数据端口，P0口接LCD1602数据端口。
图4 AT89S52最小系统及引脚连接
2.3 LM7805应用及控制器电源电路
图5 LM7805应用电源电路
单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。图5是三端稳压集成电路LM7805的典型应用电路。电路中C5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，取值围在0.1μF～1μF之间。在输出端接电容C6是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取0.1μF左右。C7是整流后的第一级滤波电容，取值视情况越大越好。一般电容的耐压应高于电源的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接一个二极管，将断电后输入输出端电压钳制在1V以。
LM7805输入电压为7V到35V，最大工作电流1.5A，具有输入电压围宽，工作电流大，输出精度高且工作极其稳定，外围电路简单，成本低等特点，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，从而使单片机等控制电路正常工作。
2.4 充电电路
2.4.1 DC-DC变流电路
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。斩波电路的控制方式有三种：一是周期T不变，调节开关导通时间t on，叫脉冲宽度调制；二是t on不变，改变开关周期T，叫频率调制；三是混合型。直流斩波电路包括六种基本电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。[4]
2.4.2 Buck斩波电路
根据太阳能电池的特性，在本设计中输入始终大于输出，所以设计采用脉冲宽度调制方式的Buck变换器。Buck变换器又称降压斩波电路或串联开关稳压电路。其原理图和等效电路图如图6所示。
图6 降压斩波电路原理图及其等效电路图
Buck变换器由开关管V1、二极管V2、电感线圈L和电容器C组成，开关管V1受占空比为D的脉冲的控制，交替导通或截止，再经L和C组成的滤波器，在负载R上得到直流输出电压U o，从而完成将未经稳压的直流输入电压U i变换成平滑直流输出电压U o的功能。
我们采用图6所示的等效电路图来分析串联开关电路的稳态工作过程。开关管V1用一开关S来代替。
当开关S处于位置1时，表示开关管V1处于导通状态。电流I i=I L，流过电感线圈L时，在电感线圈未饱和前电流线性增加，负载R流过电流I o R上的电压即输出电压U o，其极性为上正下负。当I i>I o时，电容器C处于充电状态，而二极管V2处于反偏置状态。
当开关S处于位置2时，表示开关管V1处于截止状态。I i=0，而电感线圈中的电流I L不会发生突变，电感线圈L中的磁场将改变L两端的电压U L的极性，以
维持电流I L不变。负载R上的电压U o仍保持上正下负。在I L
从上述分析中，可以看出当开关管V1处于导通状态时，I i>0。当开关管V1处于截止状态时I i=0。所以输入电流I i随开关管V1周期性的导通和截止而成为脉动电流，但输出电流I o在电感线圈L、续流二极管V2、滤波电容器C的作用下却保持连续平滑。[5]
2.4.3 实际充电电路
变换器工作在连续模式时，通常选择电感的额定电流大致等于流过此装置的最续电流，然后选择适当的电感使其电流纹波比r约为0.4。这里r定义为
I C为最大负载时电感电流波形的中心，ΔI为其变化摆幅。对于Buck电路，电感电流波形的平均值（几何中心）等于负载电流，当输入电压增加时电流的峰值同时增加。因此在Buck变换器的磁路设计中，高输入电压为其最不利的工作条件。[6]
图7 Buck变换器充电电路
2.5 电压电流的A/D采集
2.5.1 主要技术指标和特性
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行A/D转换的器件。其部有一个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。
分辨率：8位。
总的不可调误差：±1LSB。
转换时间：取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。
单一电源：+5V。
模拟输入电压围：单极性0～5V；双极性±5V,±10V（需外加一定电路）。
具有可控三态输出缓存器。
启动转换控制为脉冲式（正脉冲），上升沿使所有部寄存器清零，下降沿使A/D 转换开始。
使用时不需进行零点和满刻度调节。
2.5.2 部结构和外部引脚
ADC0809的部结构和外部引脚分别如图8所示。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端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。其各引脚定义如下：
图8 ADC0809部结构框图及外部引脚图
IN0～IN7：8路模拟输入，通过地址译码线ADDA、ADDB、ADDC选通一路。
D7～D0：A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，可直接和微处理器数据线连接。
ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道选择地址信号。地址信号与选道对应关系如
表1所示。
表1 通道选择表
地址
选道
ADDC ADDB ADDA
0 0 0
1
IN0
IN1
0 0 1 1 1 1 1
1
1
1
1
1
1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
V R(+)、V R(-)：正、负参考电压输入端，用于提供片DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，V R(+)=5V，V R(-)=0V；双极性输入时，V R(+)、V R(-)分别接正、负极性的参考电压。
START：A/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。
EOC：转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。
OE：输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。
2.5.3引脚连接结构
图9 ADC0809与AT89S52的引脚结构
如图9所示，本设计中用单片机的P1口接收来自ADC0809的转换数据，P3.0、P3.1、P3.2依次接在ADC0809的A、B、C地址线，P3.3接在0809的ALE端，P3.4
接START，P3.5接EOC端，P3.6接OE端，时钟信号由单片机的ALE端经74LS74触发器二分频后提供，单片机采用12MHz晶振，ALE端经二分频后为500KHz。ADC0809具体工作过程为：首先P2.0、P2.1、P2.3输入3位地址，并使P2.3输出高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请，而触发单片机动作准备接收数据，这是使P3.6输出高电平，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，单片机读取P1口然后做下一步处理操作。
2.5.4 MAX472及电流检测
常规测量电流的方法存在测量围小、测量误差大等缺点。采用电流/电压转换芯片MAX472的在线电流检测器，克服了常规方法的缺点，实现了电流的高精度测量。[7]
图10 电流检测电路
2.6 液晶显示电路
图11 LCD1602液晶显示电路
表2 1602液晶的引脚说明
管脚号管脚引脚说明管脚号管脚引脚说明
1 VSS 电源地9 D
2 Data I/O
2 VDD 电源正极10 D
3 Data I/O
3 VL 液晶显示偏压信号11 D
4 Data I/O
4 RS 数据/命令选择端（H/L）12 D
5 Data I/O
5 R/W 读/写（H/L）13 D
6 Data I/O
6 E 使能信号14 D
7 Data I/O
7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正极
8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源负极3 C51源程序的设计实现
3.1系统整体程序框架
图12 程序主流程图
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12所示。
3.2 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，A/D转换程序过程为发送地址和启动转换命令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存，程序流程如图13所示。本设计需要分别采集Buck转换器两端的输入输出电压和输出电流等三个模拟信号，通过ADC0809转换处理成数字信号后分别保存交由单片机处理。其结构流程如图13所示。
图13 数据采集子程序结构流程图
3.3电路保护子程序
本设计设有一套电路保护机制，由电路保护子程序完成。流程如图14所示。
图14 电路保护子程序流程图
3.4 充电子程序的设计
图15 充电子程序结构流程图
充电过程分两阶段进行，第一阶段为恒流充电，充电电流可设定，当充电电压达到4.1V时转入第二阶段，即4.2V的恒压充电方式，恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低，待充电电流降到10mA时，表明电池已充到额定容量的93%～95%，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。充电过程中，液晶显示指示闪烁；充满时，液晶显示指示闪停。充电子程序流程图如图15所示。
3.5 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，其中的5.5V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。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。充电子程序流程图如图16所示。
图16 电源子程序结构流程图
结论
本充电器系统的设计分为硬件电路设计和程序设计两个部分，硬件电路设计属于前期的主要工作，通过方案论证与可行性分析，最终确定由AT89S52单片机完成主电路的控制与设计，并展开外围电路与控制硬件电路设计，硬件电路的设计主要是电路原理图的绘制以及参数的确定。在硬件电路设计上遇到的一些问题主要集中在输出电流的续流与检测上，最终选择用MAX472来简便实现。
软件的设计采用模块化的程序设计方法，分为主程序部分、A/D数据转换采集模块、液晶显示模块、以PWM脉冲信号产生模块等。程序的设计既参考了一些资料里的容，也有相当多的自我设计，比如说PWM脉宽调制信号产生程序，就是参考了网友提供的标志位加定时器实现的方法。主程序中有关数据的处理计算则是都独立完成的，这些涉及到具体硬件电路的实现，在数据处理中有简单的单字节算法，也有双字节的，有的则采用巧妙的算法有效避免出现双字节，从而使程序设计变得简单。
对于本设计，如果进行进一步的的研究，应该在以下几个方面重点考虑：（1）PWM和A/D转换采集可以由集成了PWM及A/D功能的单片机完成，这样解放了单片机的定时计数器，并提高了电路输出精度和效率，降低了成本；（2）充电电路的器件选择可以更合理，使充电及输出更稳定；（3）充电方法可以改进，提高太阳能利用效率。
（指导教师：唐XX）
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The Design of Solar Charger
TANG Xxx
(XXXXXX Class X,grade 20xx,School of XXXX,XX University) Abstract: A solar charger is designed according to the theory of standalone photovoltaic system. Polycrystalline silicon solar cells are used to transform solar energy into electric energy and Buck converter is adopted to stabilize DC output. The Li-ion battery is used as energy storage unit. The AT89S52 SCM is used to design the control and management system and control the output by regulating the duty cycle of PWM waveform.
Keywords: Solar Cell; AT89S52 Single-chip Computer; Intelligent Charging;Buck Converter
附录1 主电路原理
附录2 C51源程序