太阳能充电器的设计.

1、目录摘 要 10 引言 11 电源及负载 12 太阳能充电器硬件设计 32.1 系统总体设计方案 32.2 单片机电路 32.3 LM7805 应用及控制器电源电路 42.4 充电电路 52.4.1 DC-DC 变流电路 52.4.2 Buck 斩波电路 52.4.3 实际充电电路 62.5电压电流的A/D采集62.5.1 主要技术指标和特性 62.5.2 内部结构和外部引脚 72.5.3 引脚连接结构 82.5.4 MAX472 及电流检测 92.6 液晶显示电路 93 C51 源程序的设计实现 103.1 系统整体程序框架 103.2 数据采集及模数转换程序 103.3 电路保护子程序 1

2、13.4 充电子程序的设计 123.5 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

3、 引言由于能源问题的日益紧张，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，国内外很多专家也正在 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

4、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

5、主要是由硅半 导体材料构成，当太阳光照射到半导体 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

6、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 为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响。其等效电路如图1所示。、IdiIDS4Ir411-Rs3J Jr1F1FV1*44l。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。Ii=0,而电感线圈中 的电流IL不会发生突变，电感线圈L中的磁场将改变L两端的电压UL的极性， 以维持电流Il不变。负载R上的电压Uo仍保持上正下负。在Il0。当开关管V 处于截止状态时1尸0。所以输入电流li随开关管周期性的导通和截止而成为脉 动电流，但输出电流I。在电感线圈L、续流二极管V2

7、、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 最大连续电流，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AIr =IcIC为最大负载时电感电流波形的中心，AI为其变化摆幅。对于Buck电路，电感电6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。Olnf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

8、的器件。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。分辨率：8位。总的不可调误差：LSB。转换时间：取决于芯片时钟频率，如 CLK=500kHz时，TCONV=12j8s 。 单一电源：+5V。模拟输入电压范围：单极性 05V;双极性i5V, 0V （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），上升沿使所有内部寄存器清零，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内部结构和外部引脚ADC0809的内部结构和外部引脚分别如图 8所示。由一个8路模拟开关、 个地址锁存与

9、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:込融出必(1-5H) /EOC OR* CLX：K 诃GND 21282273264AOC255246刚肌809曲722驚21gin20 aI wIIl12171?161415*ADDa -ADDC-ADDf*ALE-中制5国 %巧%卜)耳图8 ADC0809内部结构框图及外部引脚图IN0IN7 : 8路模拟输入，通过地址译码线 ADDA、AD

10、DB、ADDC选通一路D7D0: 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。地址信号与选中通道对应 关系如表1所示。表1通道选择表地址选中通道ADDCADDBADDA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE :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。Vr(+)、Vr(-):正、负参考电压输入端，用于提供

11、片内 DAC电阻网络的基准 电压。在单极性输入时，Vr(+)=5V，Vr(-)=0V ;双极性输入时，Vr(+)、Vr(-)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

12、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CDlVCCCD2CLKlD2SD1CLK2SD2Q2GNLQ2674LS74ALE 34U3iHvcc121110-LK33IN42INS34IN75ST6EOC73OE3CLKTo121314IN31IVCCM3IK2IN4IH1IN5IHOIK6AmBSTARTCEOCALED3D7OEDfiCLKD5VCCD4VREF+DOGNDVREr-DID2ADC0C0928IN227INI25INC25A24B23C22A

13、LE21P1720P1619P1518P141?PIO1615P12P11P13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

14、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范围小、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

15、 度测量。R114 rR12100R10100SHDKOUTNCVCCRG1RG2GNDSIGbTC4MAX472图10电流检测电路1I34二20KIVCC5P212.6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1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读/写（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data

16、I/O16BLK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

17、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充电子程序的设计幵始D增大D减小追回图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

18、，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。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

19、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 资料里的内容，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

20、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）参考文献：J上海大学学报（自然科学1 肖鹏，陈国呈等一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略版）,2008,14（6）.633-636.2 熊绍珍 ,朱美芳 .太阳能电池基础与应用M.北京:科学出版社，2009.106-108.3 GB/T 18287-2000,蜂窝电话用锂离子电池总规则S.4 王兆安，刘进军电力电子技术M.北京：机械工业出版社,2011.119-123.孙启林.新型开关电源优化设计与实例详解全书M.北京:北京工业大学出版 社,2006.598-600.(美)Sanjaya Maniktala著,王志强，郑俊杰等译.开关电源设计与优化M.北京：电子工业出版社,2006.157-169.7尹权，韩生廉.电流/电压转换