太阳能手机充电器的设计——毕业设计

1、学学 号号 毕毕 业业 论论 文（设计）文（设计） 课课 题题 太阳能手机充电器的设计太阳能手机充电器的设计 学生姓名学生姓名 李梦竹李梦竹 系系 别别 电气工程系电气工程系 专业班级专业班级 08 通信工程通信工程 指导教师指导教师 吴慧吴慧 二二 O 一一 二年二年 六月六月 目录目录 插图清单插图清单.I 摘摘 要要.II Abstract.III 引引 言言.- 1 - 第一章第一章 绪论绪论.- 2 - 1.1 设计目的.- 2 - 1.2 设计思路和分析.- 2 - 1.3 硅太阳能电池与参数 .- 2 - 1.4 系统总体框图设计.- 2- 第二章第二章 太阳能充电器硬件电路设计

2、太阳能充电器硬件电路设计.- 5 - 2.1 太阳能电池板部分 .- 5 - 2.2 蓄电池部分 .- 7 - 2.2.1 电池的定义.- 7 - 2.2.2 充放电特性.- 8 - 2.2.3 蓄电池作为电源模块的设计.- 9 - 2.3 单片机部分 .- 10 - 2.4 电压电流的 A/D 采集.- 11 - 2.5 BUCK 斩波电路.- 14 - 2.6 数码管显示电路.- 15 - 第三章第三章 软件设计软件设计.- 17 - 3.1 系统的总体程序设计框架 .- 17 - 3.2 数码管显示子程序.- 18 - 3.3 数据采集及模数转换程序.- 19 - 3.4 充电子程序的设

3、计.- 19 - 3.5 电源子程序的设计.- 20 - 结结 论论.- 22 - 参考文献参考文献.- 23 - 致致 谢谢.- 24 - 附录附录 综合程序综合程序.- 25 - 插图和表格清单插图和表格清单 图 1-1 系统总体结构设计. -3- 图 2-1 太阳能光伏电池工作原理.-6- 图 2-2 太阳能电池 I-V 特性.-6- 图 2-3 太阳能电池输出特性. -7- 图 2-4 蓄电池充电时端电压变化曲线.-8- 图 2-5 蓄电池放电时端电压变化曲线.-9- 图 2-6 电源模块电路-10- 图 2-7 AT89C51 单片机系统结构图.- 11- 图 2-8 ADC0809

4、 内部结构及管脚图.- 12- 图 2-9 89C51 与 ADC0809 的设计电路.-13- 图 2-10 BUCK 变换器设计电路.-15- 图 2-11 数码管显示电路.-15- 图 3-1 程序整体框架流程-17- 图 3-2 数据采集子程序框图-19- 图 3-3 充电子程序框图-20- 图 3-4 电源子程序框图-21- 表 1 CBA 通道选择表.-12- 表 2 74LS164 共阴极数码管数据位和字形的对应关系表-18- 摘摘 要要 在污染和能源口趋紧张的背景下，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储 量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重

5、视。本文 试图设计一种切实可行的太阳能充电控制器，通过对蓄电池充电，满足小功率的用户需 求。 本文重点研究了用 AT89C51 实现太阳能充电控制技术。电池充电的太阳能控制器硬 件系统，包括系统的硬件电路设计、各部分电路的功能、工作原理和电子元器件型号的 选取。硬件系统由直流稳压电源电路，A/D 实现对蓄电池端电压的动态监测及转换、 AT89C51 控制电路三个部分组成，完成了整个太阳能充电控制器电路原理图的设计和制 作。但是由于时间关系，没能完成实物的实验测试。 本文还对太阳能电池的结构原理、太阳能电池板的伏安特性、常用的铅酸蓄电池原 理及工作情况作了详细介绍，并在此基础上介绍常用的蓄电池充

6、电方法。 关键词：关键词：太阳能；蓄电池；充电控制；AT89C51； ADC0809 Abstract Against the background of energy shortage and its pollution, solar energy as a new kind of energy has a lot of advantages such as large reserves, economic, cleanliness and so on. So, people begin to pay more attention to the use of solar energy. Th

7、e paper designs a feasible solar energy charging controller and storage batteries are charged to meet the needs of low-power users. This article focuses on the use of single-chip realization of solar charge control technology. 100-watt solar panels to 12-volt solar battery charge controller hardware

8、 system is detailed, including system hardware circuit design, the various parts of the circuit functions, working principles and models of selected electronic components. Hardware system is composed of four parts, which are DC regulated power supply circuit, A / D to achieve on the battery terminal

9、 voltage of the dynamic monitoring and conversion, AT89C51control and output switching circuit. And finish the entire solar charge controller circuit schematic design and production. PROTEUS simulation with circuit simulation software was accomplished, and a corresponding circuit board was produced.

10、 However, due to time constraints, I failed to complete the kind of experimental test. In this paper, also the structure of the principle of solar cells, solar panels of the Volta metric characteristics of lead-acid batteries commonly used in the work of principle was detailed, and the basis of meth

11、ods commonly used on rechargeable batteries was introduced. Key words: Solar,Battery;Charge Control;AT89C51 ;ADC0809 引引 言言 当电力、煤炭、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 经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行 “阳光计划”，开发太阳能资源，寻 求经济发展的新动力。 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

12、作用具有重大意义。 目前，太阳能充电电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家用电器 和公用共设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海 岛和农村使用，以 便节省造价很贵的 传输电线路。但是，随着太阳能电池制造技术的 不断改进和新的光电转换装置的 发展，各国对环境保护 的意识增强 和对再生清洁 能源的巨大需求，太阳能电池仍将是 最切实可行的 发展方向，为人类未来大规模地 利用太阳能开辟广阔的 应用前景。而由于太阳能发电有如安全可靠，无污染，不受地 域限制，也不会消耗燃料，而且维护简便，建设周期短，建设的规模大小 可以随意， 也不需要架设输线路，可以方便地与建筑物

13、结合等等一系列的优点，这些优点是常规 发电以及其它发电方式不能比拟的，因而太阳能发电成为目前各国研究得最多，发展 也是最快的技术之一，从 2002 年至 2007 年，全球光伏电池产量年平均增长率几乎达 到了 49.5%。根据欧盟的预测，到 2030 年可再生能源在总能源结构中将占到 30%，而利 用太阳能发电将占到总能耗的 10%以上，到 2050 年，可再生能源在总能源结构中占 50% 以上，而太阳能发电将占总能耗 20%;到 2100 年，可再生能源将占 86%，而太阳能的占 有比率则将高达 70%，其中利用太阳能来进行的发电将占 64%11。 第一章第一章 绪论绪论 1.1 设计目的设

14、计目的 随着通信技术的迅猛发展，化石能源被日益消耗甚至即将面临枯竭，全球能源问题日 益严重。另外人们的环境保护意识越来越强烈，寻找各种清洁能的源来代替化石能源变 得尤为重要。太阳能作为一种可再生资源有取之不尽用之不竭的有点，并且清洁安全。 因此太阳能有着广泛的应用前景。 如今是信息化大爆炸的时代，手机早已经走进了千家万户。然而当人们出门旅行时， 手机充电不方便始终困扰着大家。因此设计一种太阳能充电器对于用户来说既方便又节 能。人们可以随时随地对手机充电啦！本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机 控制，将太阳能经过电路转换为直流电源给手机充电，与常规的充电器相比有着明显的 方便，快捷，污染小

15、的优点 1.21.2 设计思路和分析设计思路和分析 太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以 单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池 组组成。系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。本设计采用太阳能电池板对 51 单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对手机电池充电 进行智能控制。 1.31.3 硅太阳能电池与参数硅太阳能电池与参数 硅太阳能电池可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳 能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转 换效率为 24

16、.7%，规模生产时的效率为 15%。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本 低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换 效率为 10%。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产， 有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它 的实际应用。 硅太阳能电池片常用的为单晶 125 大倒角，其尺寸为 125mm*125mm，对角线 150mm，功率 Pmax2.60W，工作电压 Vm0.523V，工作电流 Im4.934A，开路电压 Voc0.629V，短路电流 Isc5.285A。太阳能电池可根据电压大小需

17、要，由不同数量的太阳 能电池片组成，其转换效率受光照、温度、太阳电池晶体类型及制造工艺等影响，2010 年中国平均效率为 17.2%。常见的太阳能电池电压有 3V、6V、9V、12V、18V、32V、48V 等，更大的用于太阳能电厂发电项目。 1.4 系统总体框图设计 太 阳 能 电 池 板 AT89C51 DC/DC 变换 显示电路 手 机 电 池 ADC0809 图 1-1 系统的总体结构 太阳能电池在使用的时候，由于太阳光线的变化比较大，而电池的内阻又比较高， 所以输出电压不稳定，输出电流小，不过只要利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即可。在光线条件适宜的时候，通

18、过太阳能电池板吸收太阳光， 就可以将光能转换为电能。由于充电器多大采用大电流的快速充电法，在电池充满后如 果不及时停止会使电池发热发烫，过度的充电将会严重损害电池的寿命。这就需要一个 复杂的控制系统，51 系列单片机是当前使用最为广泛的 8 位的单片机系列，其丰富的开 发资源和较低的开发成本，成为 51 系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力优势。 本系统将采用 89C51 做为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂的充电智 能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。本系统总体设计方案如 图 1-1 所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现 PWM 波

19、控制开 关管从而实现输出电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由 ADC0809 实 现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路的智能输出与控制。 总电路原理图总电路原理图 第第 2 章章 太阳能充电器硬件电路设计太阳能充电器硬件电路设计 2.12.1 太阳能电池板部分太阳能电池板部分 太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将 太阳光的辐射能量转化为电能，而如今便携式数码设备种类较多，所需电压电流又不一 样，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又不方便携带。因此 该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行

20、组合以达到具有一 定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。本文以手机、MP3 等常用小功率用电设 备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下： 尺寸为 120mm45mm，峰值电压为 6V，峰值电流为 100mA，标称功率为 0.6W。同时考 虑到被充电电池的电流不同，所需充电时间也就不等，故采用八块相同参数电池板进行 串、并联，实测电池板的输出电压最大值为 10.8V,电流最大可达 450mA，总标称功率为 5W 左右,实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。 太阳能光伏电池的工作原理如下图 2-1 所示，当光波照射到半导体表面的时候，半导 体内部 N

21、区和 P 区中的价带电子由于受到太阳光子的冲击，吸收太阳能量发生能级跃迁 被激发导带，从而产生了许多处于非平衡状态的电子一空穴对。由于 PN 结电场的存在， 这些电子一空穴对运动到 PN 结区产生分离，其中正电荷和负电荷分别聚集从而产生了与 PN 结势电场相反的光生电场，当接通外部电路环路时，电子一空穴对的运动产生直流电 流，从而对外出电能因为单个 PN 结产生的光生电势比较小(约 0.7V 左右)，在实际应用 中，多将许多个小的太阳能光伏电池单元通过串联或者并联组合在一起构成光伏电池组 件，从而可以输出更大的电能。 图 2.2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的 I-V

22、 特性不 同而略有变化，且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。不 过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电 压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极 管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流 (ISC)，它与 VOC 都是决定 电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流 增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。 图 2-1 太阳能光伏电池工作原理 图 2-2 太阳能电池 I-V 特性 在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能

23、电池获得最大的电力。由于输出功率是 输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电 流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)， 但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。在 上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到） ，不管在何种应用，MPP 实际上总会出 现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图 2-3） 。实践中的问题在于，太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了

24、尽可能利用太阳能，系统 设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。 图 2-3 太阳能电池输出特性 2.2 蓄电池部分 太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳电池向蓄电池充电，控制蓄电池向 负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关 系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详 细的分析研究。 2.2.1 电池的定义 在现代技术中电池有了更为精确地定义：能够产生电能的便携、独立化学系统。电 池按转换能量方式分为两大类：一类是物理电池，如太阳能电池；另一类是化学电池， 即把化学能转变为电能的装置。化学电池按工作性质可分为

25、：一次电池（原电池） ；二次 电池（可充电电池） 。其中，一次电池可分为：盒式锌锰电池、扣式锌银电池、锌空气电 池等。二次电池可分为：镍镉电池、氢镍电池、锂电池和铅酸蓄电池等。一次电池，又 叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。原电池放电导致化学成分 永久和不可逆的改变。但可充电电池，又叫二次电池，可在应用中放电，也可由充电器 充电。所以二次电池储存能量，而不是产生能量。充电和放电电流（安培）通常用电池 额定容量的倍数表示，叫做充电速率（C-rate） 。例如，对于额定为 1 安培时的电池，C/10 的放电电流等于。电池的额定容量（或）是电池在特定条件下完1Ah/10=100m

26、AAhmAh 全放电所能储存的电能。因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，单位为瓦时。任 何一种电池由四个基本部件组成，这四个主要部件是正负两个电极、电解质、隔膜和外 壳。 2.2.2 充放电特性 本文系统中，采用阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA 电池)。它的充放电特性如下： (1 )充电特性 （2-1） ccb UEIr 式中为蓄电池充电时的端电压，为蓄电池的电动势，为蓄电池的充电电流， c UE c I 为蓄电池的内阻。 b r 当以稳定的电流对蓄电池进行充电时，蓄电池内部将产生化学反应，从而使蓄电池 内阻发生变化，导致蓄电池端电压变化，端电压的变换如图 2-4 所示。 （图中实线为充电

27、过程端电压的变化，虚线为停充后端电压的变化。 ） 2.4 U v 012345678910 11 1.6 2.0 2.8 a b cd e t h o 图 2-4 端电压的变化曲线 在刚开始充电的时候，蓄电池的端电压升高很快（曲线的段） 。充电中期，电势增oa 高渐慢（曲线的段） 。充电后期，端电压比较缓慢地上升。如继续充电，电池内部的化ab 学反应使蓄电池的内阻增大，因而端电压又继续上升，如曲线中段。当充电达到达曲bc 线的段时，如再继续充电，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解。cd 如果在 d 点停止充电，端电压迅速降低（曲线的段） 。随后端电压慢慢地下降，最后达de 到稳定

28、状态（曲线的段） 。de 应当指出，充电速度的快慢(充电率的大小)将影响到充电蓄电池的端电压以及充电时 间。充电率的大小是指在一定时间内将蓄电池充满所需电流的大小。如以 10 小时率充电 容量(C)为 120Ah 的蓄电池，则充电电流为 120Ah/10h=12A，常用表示 10 小时率。在 10 C 充电末期采用较小的充电电流有益于电池的使用寿命延长。 (2) 放电特性 (2-2) ddb UEIr 式中为蓄电池放电时端电压，E 为蓄电池电动势，为蓄电池放电电流，为蓄 d U d I b r 电池内阻。当以稳定的电流放电时，蓄电池端电压的变化如图所示。 （实线为放电过程的 变化，虚线为停放后

29、的变化。 ） 0 1098765432111 1.6 2.2 2.0 1.8 U v t h o a b c d e 图 2-5 蓄电池放电时端电压的变化曲线 如图 2-5 所示，可以看出，放电曲线基本由三部分组成：第一部分是放电开始阶段 （图中曲线的段）短时间内电压快速下降，然后电压缓慢下降（图中曲线的段） ；oaab 最后端电压在极短的时间内迅速下降（图中曲线的段） 。第二部分（曲线的段）的bcab 时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。放电至 c 点时，放电便结束了。如果 继续放电，会导致电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分的段所示。这种现象叫作cd 过放电，虽然能放出部分能量，

30、但如果经常过放电会降低蓄电池的充、放电的反应速度， 加速蓄电池的老化和降低其使用容量。一般规定的放电截止时的电压称为放电终止电压。 如果停止放电，则铅蓄电池的端电压立即回升，如图中曲线的虚线部分段所示。ce 2.2.3 蓄电池作为电源模块的设计 本系统所采用的电器元件需要外部供电，如果接上外加电源，则使得电路复杂化， 并且破坏了系统的独立性。本系统设计的就是蓄电池的供电系统，所以直接从蓄电池取 出电压来为单片机以及外围电路供电。 这里采用三断集成稳压器件 7805 设计电路的电源模块，如图 2-6 所示。 图 2-6 电源模块电路 2.32.3 单片机部分单片机部分 本系统采用 AT89C51

31、 系列的单片机。这是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除的只读 存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压高性能的 CMOS8 微处理器。该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 I/O 口，本设计采用 12MHz 的晶振。单片机最小系统的核心部分包括单片机芯片、 振荡电路及复位电路。 单片机主要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 脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。具体工作过程是上电 复位，确定输出电流大小，或作为普通电源的输出电压，然

32、后转入相应子程序并分析计 算 PWM 占空比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过 单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节 PWM 占空比，使输出趋于 设定值。在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方 式或决定是否停止充电。 通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路的设计，由 于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程 序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单。图 2-7 为单片机的系统结构。 图 2-7 AT89C51 单片机系统结构图 2.4 电压电流的电压电流的

33、A/D 采集采集 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 转换器 ，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。是目前国内应用最广泛的 8 位通 用 A/D 芯片 （1）内部结构（如下图 2-8 左图所示） ADC0809 由一个 8 路的模拟开关、一个地址锁存和译码器、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

34、 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。 图 2-8 ADC0809 内部结构及管脚图 （2）引脚结构 （如图 2-8 右图所示） IN0IN7：8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须 进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输 入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码 器将 A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换 器进行转换。A，B 和 C 为地址

35、输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道 选择表 1 所示。 表 1 CBA 通道选择表 C B A选择的通道 0 0 0IN0 0 0 1IN1 0 1 0IN2 0 1 1IN3 1 0 0IN4 1 0 1IN5 1 1 0IN6 1 1 1IN7 数字量输出及控制线：11 条 ST 为转换启动信号。当 ST 上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号，当 EOC 为高电平时， 表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。OE 为输出允许信号，用于控制三条输出 锁存器向单片机输出转换得到的数据

36、。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据 线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的内部 没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ。 本设计中用单片机的 P0 口接收来自 0809 的数据，P2.0、P2.1、P2.2 依次接在 0809 的 A、B、C 地址线，P2.3 接在 0809 的 ALE 端，P2.4 接 START，P2.5 接 OE 端，时钟信 号由单片机的 ALE 端经 74HC74 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

37、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 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 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 P2.5 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 P0 口然后做下一步处理操作。图 2-9 为 89C51 单片机与 ADC0809 的设计

38、电路图。 图 2-9 89C51 与 ADC0809 的设计电路 2.5 BUCK 斩波电路斩波电路 DC/DC 变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、PDA 等）中。它 有两种类型，即线性变换器和开关变换器。开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性 和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。 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。斩波器 的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton(通用)，二是频率调制（1） Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压 U0 小于输入电压 Ui，极性相同。 （2）Boost 电路升压斩波器，其输出平均电

39、压 U0 大于输入电压 Ui，极性相同。 （3） BuckBoost 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui， 极性相反，电感传输。 （4）Cuk 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0 大于或 小于输入电压 Ui，极性相反，电容传输。还有 Sepic、Zeta 电路。 在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽调制方式的 BUCK 变换器，BUCK 变 换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。它是一种输出电压 小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图中，Q 为开关管，其驱动电压一般为 PWM(Pulse width modulation 脉宽

40、调制)信号，信号周期为 Ts，则信号频率为 f=1/Ts，导 通时间为 Ton，关断时间为 Toff，则周期 Ts=Ton+Toff，占空比 Dy= Ton/Ts。工作原理为 当 uB为高电平时，T 饱和导通，D 因承受反偏电压而截止，电感 L 存储能量，电容 C 充 电；发射极电位 uE=UI-UCESUI。当 uB为低电平时，T 截止，此时虽然发射极电流为零， 但是 L 释放能量，其感生电动势使 D 导通，与此同时 C 放电，负载电流方向不变，uE=- UD0。占空比：在 uB的一个周期 T 内，Ton为调整管导通时间，Toff为调整管截止时间， 占空比 q=Ton/T。 改变占空比 q，

41、即可改变输出电压的大小。在换能电路中，如果电感 L 数值太小，在 Ton 期间储能不足，那么在 Toff 还未结束时，能量已放尽，将导致输出电压为零，出现 台阶，这是决不允许的。同时为了使输出电压的交流分量足够小，C 的取值应足够大。换 言之，只有在 L 和 C 足够大时输出电压 Uo 和负载电流 Io 才为连续的，LheC 愈大，Uo 的波形愈平滑。由于输出电流 Io 是 Ui 通过开关调整管 Q 和 LC 滤波电路轮流提供，通常 脉动成份线性稳压电源要大一些，这是开关稳压电路的缺点之一。若将 Ue 视为直流分量 和交流分量之和，则输出电压的平均值等于 Ue 的直流分量。 Uo=(Ton/T

42、) *(Ui-Uces)+(Toff/T)*(-UD)=（Ton/T）*Ui 可以写为 Uo=qUi 改变占空比 q，即可改变输 出电压大小。 其电路如图 2-10 所示，PWM 脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管的通断。 图 2-10 BUCK 变换器设计电路 2.6 数码管显示电路数码管显示电路 AT89C51 单片机内有一个串行 IO 端口，通过引脚 RXD 和 TXD 可与外部电路进 行全双工的串行异步通信，发送数据时由 TXD 端送出，接收时数据由 RXD 端输入。串口 有四种工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式以满足不同的场合。其中， 方式 0 是 8 位移位寄存器输入

43、输出方式，多用与外接移位寄存器以扩展 IO 端口。方 式 0 的输出是 8 位串行数据，通过移位寄存器可将 8 位串行数据变成 8 位并行数据输出， 也可以将外部的 8 位并行数据变成 8 位串行数据输入。因此外接一个移位寄存器就可扩 展一个 8 位的并行输入输出接口，如果想多扩展几个并口就需要在外部级连几个移位 寄存器。 图 2-11 数码管显示电路 本设计采用基于串口的 LED 数码管静态显示电路，在串口扩展中最常用的就是基于串 口的 LED 数码管显示电路。在单片机应用系统中，LED 数码管的显示常用两种方法：静 态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存

44、功 能的 IO 接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电 路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法单 片机中 CPU 的开销小。可以提供单独锁存的 IO 接口电路很多，常用的就是通过串口 外接串并转换器 74LS164，扩展并行的 IO 口。需要几个数码管就扩展几个并行接口， 数码管直接接在 74LS164 的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串 行移出至 74LS164 的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。 下面简述 74LS164 的性能与功能。74LS164 是 8 位串入，并出移位寄存器。它是高速 硅门

45、CMOS 器件，与低功耗肖特基性 TTL 器件的引脚兼容。74LS164 是 8 位边沿触发式 移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一 串行输入；任意输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入 端或者连在一起，或者把不同输入端接高电平，一定不要悬空。 时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输 入端（DSA 和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。 主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步 地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 第三

46、章第三章 软件设计软件设计 3.1 系统的总体程序设计框架 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 3-1 所示。 开始 初始化 电池充电 充电子程序电源子程序 YesNo 结束 图 3-1 程序整体框架流程 3.23.2 数码管显示子程序数码管显示子程序 开机时，初始化数码管，通过串口将“0”的字形码输出使数码管显示“0” 。然后判 断 P1 口是否有键按下，如果没键按下继续判断。 显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式 0

47、，再读取显示缓冲区内的数据(显 示缓冲区主要是用来存放即将要显示的数据)，然后通过查表的方式找到对应的字形码， 最后把字形码写入串口寄存器 SBUF 通过串口方式 0 发送出去。当 8 个时钟脉冲后，字形 码都移至 74LS164 的 Q0-Q7，数码管就显示相应按键的编码。 对于电路中的 74LS164 共阴极数码管数据位和字形的对应关系如下表。 由于单片机在以方式 0 串行发送数据的时候数据从 RXD 引脚从低位到高位依次输出，而 最先输出的数据经过 74LS164 串转并后到达 Q7，也就是说单片机 内的 DO 通过串口发送并经过 74LS164 后到达 74LS164 的 Q7 脚即数

48、码管的 A 脚，因 此在单片机内字型码与 74LS164 所对应的字型码正好相反，所以共阳极数码管在单片机 内 O-9 所对应的字型码分别是： 01H，4FH，12H，06H，4CH，24H，20H，0FH00H，04H。 表 2 74LS164 共阴极数码管数据位和字形的对应关系表 数据位 笔段位 Q7 A Q6 B Q5 C Q4 D Q3 E Q2 F Q1 G Q0 DP 字型码 011111100FCH 10110000060H 211011000DAH 311110010F2H 40110011066H 510110110B6H 610111110BEH 711100000E0H

49、811111110FLH 3.3 数据采集及模数转换程序 入口 初始化 启动转换 转换结束？ 处理存储 返回 N Y 图 3-2 数据采集子程序框图 数据采集主要由单片机控制 ADC0809 完成，程序分为数据初始化，发送启动转换命 令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存，程序流程如上图 3.2 所示。 3.43.4 充电子程序的设计充电子程序的设计 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 4V 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 0.1mA 时，表明电池已充到额定容量的 93%95%，此

50、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。程序流图如下图 3.3 所示。 入口 采集电压电流 恒流充电 恒压充电 返回 充电结束 电压4V？ 电流0.1mA？ YN Y N 图 3-3 充电子程序框图 3.5 电源子程序的设计电源子程序的设计 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 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。其输出电压 0 到 5V 可调，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。电源子程序流程图如图 3-4 所示。

51、 图 3-4 电源子程序流程图 N Y 小 大 相等 入口 电压电流采集 过电流 输出电压判断 增大占空比 跳过 减小占空 比 关断输出 返回 结结 论论 本太阳能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 89C51 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一些问题，关于 DC/DC 转换的 PWM 脉宽调制信号的产生问题，经过反复分析论证，最后确定用单片机通过编程来实现，这 样将大大降低硬件的成本。软件的设计采用

52、模块化的程序设计方法，分为主程序部分、 按键采集模块、数码管显示模块、AD 转换采集模块以 PWM 脉宽信号产生模块等。程序 的设计既参考了一些资料里的内容，也有一些自己的想法 对于本设计，如果进行进一步的的研究，我认为应该在以下几个方面重点考虑： （1）考虑显示模块改用液晶显示，这样可以减小电流损耗，还可显示汉字，使显示更加 丰富人性化。但在总的造价有所增加；（2）PWM 产生由独立芯片完成，这样可减轻单 片机的负担，使其有时间做其它人性化的服务，并可提高电路输出精度。 参考文献参考文献 1 李朝青. 单片机原理及接口技术M北京：北京航空航天大学出版社2005 2 孙育才新型 AT89S51

53、 系列单片机及其应用M北京：清华大学出版社2005 3 张伯文.简易镍镉电池定时恒流充电器J 1997 4郑家龙.集成电子技术基础教程M，高等教育出版社，2002 5康华光.电子技术基础M，高等教育出版社，2000 6张红梅，尹云华. 太阳能电池的研究现状与发展趋势J， 水电能源科学 ，2008 7Sung-Mo kang,Yusuf Leblebici.CMOS 数字集成电路分析与设计.三版。王志 功，译，电子工业出版社，2005 8陈洁 .太阳能多功能充电器的设计研究J .中国期刊网 .2008 9滨川圭宏 .太阳能光伏电池及其应用M.北京：科学出版社，2008 10沈德金等.接口电路与实

54、用程序实例M.北京：北京大学出版社 ，2003 11Donald D. givone.Digital Principal and Design.McGraw-Hill Companies 12L. B. Jackson. Digital Filters and Signal Processing M 1 Kluwer Academic Publishers, Nrwell, MA , 1996 致致 谢谢 经过几个月的努力，本设计在导师吴慧老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从 课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水。不积跬步何以 至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于

55、各位任课老师的认真负责，使我能够很好的 掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我 的毕业论文工作顺利完成，在此向电气系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来 的辛勤栽培。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一 件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没 有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学 习中激励我继续进步。 附录附录 汇编语言综合程序汇编语言综合程序 ORG0000H LJMPMAIN ORG000BH LJMPPWML;PWM波输出 ORG0

56、01BH LJMPTESTOUT;检测输出 LEDEQU70H;数码管显示缓冲 PWMF BIT00H;PWM输出标志位 PWM1HEQU71H;PWM高电平缓冲 PWM1LEQU72H PWM2HEQU73H;PWM低电平缓冲 PWM2LEQU74H TESTH EQU77H;检测周期缓存 TESTL EQU78H TESTV EQU79H;输出电压检测缓冲 TESTI EQU7AH;输出电流检测缓冲 PWMT EQU7BH;PWM波周期 OUTBIT02H;功能选择 TVIBIT03H;功能选择 ORG0100H MAIN: MOV A,#00H MOV LED,A MOV P1,#07F

57、H CLR TESTV MOV PWMT,#200;PWM周期设为50us MOV TESTH,#0FEH MOV TESTL,#0CH LCALL DISPLAY LJMP KEYWORK START:LCALL TESTIN MOV A,TESTV MOV B,#33H DIV AB JNZ NEXT MOV A,#01H NEXT: MOV B,#04H MUL AB;乘以比例得出实际输入电压 MOV B,A JNB OUT,NEXT2 NEXT1:MOV A,PWMT DIV AB MOV B,LED MUL AB;A中为低电平周期 MOV R1,A MOV A,#0FFH CLR C

58、 SUBB A,R1 INC A MOV PWM2L,A MOV PWM2H,#0FFH MOV A,PWMT CLR C SUBB A,R1;A中为高电平周期 MOV R1,A MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,R1 INC A MOV PWM1L,A MOV PWM1H,#0FFH CLR P2.0 CLR P2.1 CLR P2.2 MOV IE,#8AH;CPU开中断 MOV TMOD,#11H;T模式1，定时，开始输出 MOV TH1,PWM2H;TO赋值 MOV TL1,PWM2L MOV TH0,TESTH;T1赋值 MOV TL0,TESTL SETB TR0

59、SETB TR1 LJMP ED NEXT2:MOV A,PWMT MOV B,#04H DIV AB;A中为低电平周期 MOV R1,A MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,R1 INC A MOV PWM2L,A MOV PWM2H,#0FFH MOV A,PWMT CLR C SUBB A,R1;A中为高电平周期 MOV R1,A MOV A,#0FFH CLR C SUBB A,R1 INC A MOV PWM1L,A MOV PWM1H,#0FFH MOV IE,#8BH;CPU开中断 MOV TMOD,#11H;T模式1，定时，开始输出 MOV TH1,PWM2H;TO赋值 MOV TL1,PWM2L MOV TH0,TESTH;T1赋值 MOV TL0,TESTL SETB TR0 SETB TR1 ED:AJMP ED PROTECT: CLR P1.7 LJMP ED PWML: JB PWMF,PWMH;PWM输出未完成返回 CL