太阳能充电器的设计

1、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 内部结构和外部引脚 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

2、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 20 xx 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：

3、 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

4、、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

5、.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

6、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 为它受太阳能电池内部等效的串、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

7、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，工作温度范围宽为-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 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 0.01

8、C 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阳光的变化较大，其内阻又比较高，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

9、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

10、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

11、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， 取值范围在 0.1 F1F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 0.1 F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 以内。 LM7805 输入电压为 7V 到 35V，最大工作电流 1.5A，具有输入电压范围宽， 工作电流大，输出精度高

12、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 ton，叫脉冲宽 度调制；二是 ton 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

13、 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 V 1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 Uo，从而完成将未经稳压的直流输入电压 Ui 变换成平 滑直流输出电压 Uo 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。

14、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 V 1处于导通状态。电流 Ii=IL，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 IoR 上的电压即 输出电压 Uo，其极性为上正下负。当 I iIo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 I L 0。当开关管 V1 处于

15、截止状态时 Ii =0。所以输入电流 Ii 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 Io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 6 IC 为最大负载时电感电流波形的中心， I 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

16、利的工作条件。 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 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： 1LSB。转换时间：取决于芯片时钟频率，如 CLK=500kHz 时， TCONV=128s 。 单一电源： +5V。 模拟输入电压范围：单极性 05V；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

17、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 内部结构框图及外部引脚图 IN0IN7：8路模拟输入，通

18、过地址译码线 ADDA 、ADDB 、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 ADDC ADDB ADDA 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 8 1 1 0 IN6 1 1 1 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

19、，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，用于提供片内 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， 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

20、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

21、.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

22、 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 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 10 管脚号 管脚 引脚说明 管脚号 管脚 引脚说明

23、1 VSS 电源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 电源正极 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 Data I/O 4 RS 数据/命令选择端（ H/L ） 12 D5 Data I/O 5 R/W 读/写（ H/L ） 13 D6 Data I/O 6 E 使能信号 14 D7 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

24、，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 11 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

25、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 12 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

26、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。 13 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

27、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究，应该

28、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. 14 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