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1、电子与信息工程学院本 科 毕 业 论 文 论文题目 便携式太阳能充电器的设计 学生姓名 黄祖勋 学 号 093521077 专 业 电气工程及其自动化 班 级 093523 指导教师 邓方雄 2021年5月摘 要目前对太阳能利用主要表达在两方面：光热转换与光电转换，本文利用太阳能光电转换特性，设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地给各种移动设备充电的便携式太阳能充电器。本文设计是以ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制核心,由按键指示电路、数码管显示电路、BUCK斩波电路和A/D采集电路等组成的，实现了将太阳能转化为电能，然后由LM7805提供稳定电压，经过DC/DC变换电路处理后，由
2、充电电路为负载供电。系统还参加了单片机控制按键，以便自由选择充电模式，具有根据返回 电流情况，来控制降低电流的输入和停止充电功能，以免过分充电会损坏电池，反响输出电流的情况，到达充电智能化的效果。关键词：太阳能；单片机；BUCK变换器 ABSTRACT At present the use of solar energy is mainly embodied in two aspects: the sunlight transformation and photoelectric, this paper, by using solar photoelectric characteristics
3、, design a way that there is no power, it can also charger for various mobile anywhere at any time. The design takes AT89C51 produced by ATMEL as the control core and is composed of buttons, digital pipe display circuit, BUCK chopper circuit and A/D acquisition circuit, which can transfer solar ener
4、gy into electric power. With stable electric pressure and then processed by DC/DC transform circuit, it can supply electricity through charging circuit. The system is added with single-chip control buttons for free choice of charging mode. It will control the input of low current and stop charging a
5、ccording to the current return to mobile phones so as to prevent battery from being damaged due to overcharging, and then give the feedback about output of electric current. Ultimately, the goal of intellectual charging can be achieved.KEY WORDS: Solar energy；Single chip；BUCK converter目 录1 绪论11.1 本课
6、题研究背景11.2 本课题研究目的与意义11.3 本课题研究的总体思路11.4 本课题研究的主要任务22 太阳能电池的研究和分析32.1 太阳能电池的原理32.2 太阳能电池的等效电路42.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素52.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响62.3.2温度对光伏电池输出特性的影响72.4本系统所采用的光伏电池83 太阳能充电器硬件设计93.1 系统总体设计方案93.2电源电路设计93.2.1 LM7805芯片介绍93.2.2 LM7805应用电路103.2.3电源模块设计113.3控制电路设计123.3.1单片机简介123.3.2单片机电路133.4 按键电
7、路设计143.5 数码管显示电路设计143.6 降压斩波电路设计163.7 A/D转换电路设计173.8 检测电路设计203.8.1 MAX471介绍203.8.2 工作原理214 太阳能充电器软件设计254.1 系统整体程序框架254.2 电路启动初始化264.3 按键采集程序274.4 数据采集及模数转换程序284.5充电子程序的设计294.6 电源子程序的设计305 电路测试315.1软件测试315.2硬件测试336 结论与展望34致 谢35参考文献36附录1：主电路原理图37附录2：汇编源程序38附录3：元器件清单46附录4：实物图471 绪 论1.1 本课题研究背景 随着电力、煤炭、
8、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开展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光方案，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济开展的新动力。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，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。 目前，太阳能电池的应用已参军事领域、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。而且随着太阳能电池制造技术的改良以及新的光电转换装置的创
9、造，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比拟切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景1。1.2本课题研究目的与意义使用 的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量缺乏，使 变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这样的问题，本课题研究了一种太阳能充电器，它可以很好的解决上述问题，给你的生活带来很大的方便。既节约了能量，又使用方便，是居家旅行的必备品。通过本课题的研究，除了对所学知识的进一步稳固外，还可以把理论与实践结合起来，把知识转变成生产力，创造使用价
10、值，给人们的生活带来方便。1.3 本课题研究的总体思路 本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。充电过程中采用LED灯、数码管指示，系统中设计有完备的过流过压保护，防止因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对 、MP3、摄像机等多种数码产品充电。文中介绍设计的太阳能 充电器，与普通的 充电器相比，它的特殊之处除了能源的供给来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的
11、电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为 充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为 提供一个方便的太阳能充电点。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。1.4 本课题研究的主要任务结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于单片机控制的多功用太阳能 充电器，设计的主要任务有： 硬件设计：电源模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，降压斩波电路模块设计，检测模块设计，A/D转换模块设计以及太阳能 充电器电路原理图设计。软件设计：电路
12、启动初始化程序设计，按键采集程序设计，数码管显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。 2 太阳能电池的研究和分析2.1 太阳能电池的原理太阳能光伏电池外表有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一局部被外表反射掉，其余局部被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子那么同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳
13、能光伏电池都是由半导体构成的。图2-1 掺入硼原子的硅晶体结构图P型 图2-2 掺入磷原子的硅晶体结构图N型 太阳能电池的根本结构相当于一个大面积二极管，其根本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子-电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面图2-3两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一局部除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。假设分别在P型层和N型层焊上金
14、属引线，接通负载，外电路那么有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。图2-1所示为P型区结构图，图2-2所示为N型区结构图。图2-3 半导体P型与N型交界面另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率6。2.2 太阳能电池的等效电路光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-4表示的等效电路来考虑。V 图2-4 理想状态的太阳能电池等效电路图 在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。太阳能 (2-1) 当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压 (2-2) 其中I为电池单元输出电流；IL为PN结电流(A)；IO为二极管的反向饱和电流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(1.610-19K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.38
