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1、广州汽车学院广州汽车学院机械创新设计竞赛说明书机械创新设计竞赛说明书基于单片机的太阳能充电器基于单片机的太阳能充电器 院（系）院（系） 机电工程系 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 07 级机械 3 班 学生姓名学生姓名 李灿辉 指导老师指导老师 王蕊 成成 绩绩 2010 年 12 月 21 日课程设计评语：课程设计总评成绩：指导教师签字：年 月 日目录目录摘要摘要.31 引言引言.32 2 充电器的硬件设计充电器的硬件设计.32 21 1 处理器处理器.42 22 2 采样部分采样部分.42 23 3 PWMPWM 控制电路控制电路.43 3 电池充电原理电池充电原理.54 4 寻
2、找太阳能最大输出功率点寻找太阳能最大输出功率点.65 5 程序总体设计及说明程序总体设计及说明.76 6 结束语结束语.8参考文献参考文献.9摘要：摘要：设计了基于单片机的太阳能充电器通过脉宽调制对手机电池充电曲线进行模拟并且用单片机对充电放电过程进行智能控制。从而提高太阳能电 池输出功率及手机电池的使用效率达到延长电池使用寿命的目的。1 引言引言太阳能是为便携式设备供电的有吸引力的能源。一段时间以来，它一直被广 泛地用于诸如计算器和航天飞机这样的应用。最近人们正考虑把太阳能用于 包括移动电话充电器这样的范围更宽广的消费电子应用。太阳能电池板所提供 的功率高度依赖于工作环境。这包括诸如光密度、
3、时间和位置之类的因素。因 此，电池通常被用作能量存储单元。当来自太阳能板的电能有余的时候就可 以对电池充电；当太阳能板提供的电能不足时，电池就可以为系统供电。目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为： 硅太阳能电池；以无机盐如砷化镓一v化合物，硫化镉铜钢硒等多元化 合物为材料的太阳能电池；功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池； 纳米晶太阳能电池等。我们采用的是硅太阳能电池。2 2 充电器的硬件设计充电器的硬件设计充电器如图l所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制 器和电池组等形成了一个闭环系统。其中，单片机是电路的控制部分PWM电 路是整个
4、电路的核心部分。下面对系统的工作原理分几个部分进行简述。图1 充电器电路模块图2 21 1 处理器处理器处理器采用5l系列单片机89C51。单片机内部有两个定时器、两个外部中断和 一个串口中断、三个八路的IO口采用12MHz的晶振。单片机的任务是通过采 样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，通过计 算决定如何对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。2 22 2 采样部分采样部分如果在系统中要对电流进行检测必须先将电流信号转换为电压信号，然后 才能实现MI)的转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信 号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简
5、单方便，但是这种方法当电流很 小时，影响测量准确度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流 检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器从而增加了电路设计调 试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片MAX472。克服了常规测量 电流方法存在的测量范嗣小、测量误差大等缺点可提高测量精度，并且可以 用单片机进行精确控制。 电压和电流采样采用串行模，数转换器TLC0834，8位分辨率易于和微处理器 接口或独立使用满比例尺工作或用5V基准电压用地址逻辑多路器选通的4或8输 入通道单5V供电。输入范围0-SV。2 23 3 PWMPWM控制电路控制电路控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供
6、电电流的大小。PWM发生器是由的单片 机输出的PWM波通过控制电路实现的。主控制器和它采用中断的方式进行通讯， 控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。开关管、 二极管、Lc电路构成开关稳压电源。用PWM方式控制的开关电源可以减小功耗。 同时便于进行数字化控制，但母线的纹波系数相对较大。PWM控制电路如图2所 示。3 3 电池充电原理电池充电原理锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的 损坏或降低使用寿命，图3为锂电池的充电曲线。共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。以800mAh容量的电池为例，其终止充电电压为42V。 用1
7、10C(约SOMA)的电池进行恒流预充，当电池端电压达到低压门限V(min)后， 以SOOmA(充电率为lC)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压当电池电 压接近42V时改成42V恒压充电电流渐降，电压变化不大，到充电电流 降为110C(约SOMA)时，认为接近充满，可以终止充电。4 4 寻找太阳能最大输出功率点寻找太阳能最大输出功率点在寻找最大功率点时，我们采用比较方式来实现，具体的做法是：首先采集 太阳能电池板的输出电压和电流。计算出此时的功率，然后继续采集。如图4所 示。在图4中C点与B点比较，如比B点大或相等时，就给一个正号权位；如比B 点小时就给一个负号权位。而A点如比B点大或相
8、等时就给一个负号权位； 如A点比B点小时就给一个正号权位。当三点比较完之后如有两个正号权位 则属正斜率，应当增大输出电压，提高输出功率；如有两个负号权位则属负斜 率，应当减小输出电压。提高输出功率；如权位为零即为一正一负表示达到顶 点不做任何变动。在A、B、C三点的功率值的取法为先取B点的功率为立足 点那么先读取c点功率再从c点返回读取A点功率。连续检测i点的功率值并 比较其大小再计算出权位值经由权位值来判定立足点要往C点移动、A点移动、 或不移动。此种方法虽然运算时间比传统的扰动观察法较慢达到最大功率点以 及在日照量快速变化下无法达到最大功率点但可以降低传统扰动观察法中不 明的干扰及判断错误
9、而造成的功率损失。就整个控制效果而言是可以接受。5 5 程序总体设计及说明程序总体设计及说明我们采用的太阳能电池板的输出电压是9v而充电电池的最高输入电压要求 不能高于42V，为了保护电池起见。我们先把输出的电压从低到高逐渐增加。产生PWM波t通过初始化定时器使定时器工作在方式l，其中定时器IGATE端无效， 定时器)GATE端有效在定时器l的服务程序中使P10置l，并用该信号作为定 时器0的门控端。当PI0为1时定时器0开始计数，当计数溢出时进入中断 服务程序，在服务程序中将PI0清零，使定时器0的定时周期小于定时器l的定 时周期这样。同定定时器l的周期改变定时器0的周期。就会产生不同占空
10、比的方波。6 6 结束语结束语利用5l单片机作为主控制器结合其它芯片及电路构成的太阳能手机充电器， 采用PWM电压输出具有控制灵活、带载能力强、稳定性高的优点，该充电器使 用闭环控制控制精度高、具有自我调节能力可以自动寻找太阳能电池板的 最大输出功率点提高手机电池使用效率延长使用寿命。参考文献参考文献【l】童诗白，华成英模拟电子技术基础【M】北京：高等教育出 版社2001 【2】张毅刚等单片机原理及应用【M】北京：高等教育出版社 2006 【3】缪家鼎，徐文娟牟同升光电技术【M】杭州：浙江大学出版 社，1994 【4】董文博，吴知非数字化智能充电器的设计【J】电子技术应 用2006 【5】刘超基于单片机的智能手机电池充电系统们长春理工大 学学报(高教版)，2007
