太阳能手机充电器毕业论文

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有绿色清洁、无环境污染、取之不尽、用之不竭又无地域限制的优势，因此有广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。使用手机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、电量不足，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这一问题，本文介绍一种多用太阳能手机充电器，利用单片机控制，将太阳能经过BUCK电路变换为稳定直流电给手机充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。目前对太阳能的利用主要体现在两个方面：光热转换与光电转换，本文利用太阳能光电转换的特性，设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地地给各种移动设备充电的便携式智能型太阳能充电器。关键词：太阳能，电池，单片机，智能， BUCK变换器I河南理工大学毕业设计（论文）说明书AbstractIncreasingdepletionoffossilenergy,it'semphasisonenvironmentalprotectionarealsorising,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasaninexhaustibleandcleanandsafeandsoon,sohaveabroadapplicationprospects,photovoltaicpowergenerationtechnologyismoreandmoreattention,withthePVmodulecontinuetolowerpricesandphotovoltaictechnology,solarPVsystemswillgraduallysupplementtheenergyfromthecurrenttransitiontoalternativeenergy.Peoplewhousemobilephoneshavehadtheexperience,gooutortravelnoelectricitywhenthebatterysuddenly,andbecausetheycannotbefoundordoesnottimely220Velectricityandnottochargetheircellphonesaffectthenormaluseofmobilephones.Tosolvethisproblem,thecoursedesignintroducesamulti-purposesolarcharger,useMCUcontrol,willtransformsolarenergythroughthecircuittostabilizethedirectcurrenttochargetheircellphonesandcanchargethebatteryautomaticallystopschargingafter,butalsoasageneralDCpoweruse,sogetridofdependenceonelectricityobtainedthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarchargerhasaclearadvantage.Atpresenttheuseofsolarenergyismainlyembodiedintwoaspects:thesunlighttransformationandphotoelectric,thispaper,byusingsolarphotoelectriccharacteristics,designawaythatthereisnopoweritcanalsochargerforvariousmobileanywhereatanytime.Keywords:solarenergy,battery,singlechip,intelligent,BUCKconverterII河南理工大学毕业设计（论文）说明书目录摘要 IABSTRACT II目录 III1绪论 11.1本课题的研究背景 . 11.2充电器的发展及其简单的类型 11.3太阳能充电器 21.4光伏发电的特点 31.5本系统设计的总体思路 31.6本课题研究的主要任务 42太阳能电池的研究和分析 52.1太阳能电池的原理 . 52.2太阳能电池的分类 . 52.3太阳能电池的等效电路 62.4太阳能电池板的输出特性及影响因素 72.5光伏电池的主要参数 82.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 92.7温度对光伏电池输出特性的影响 102.8本系统所采用的光伏电池 113太阳能手机充电器硬件设计 123.1系统总体设计方案 . 123.2电源模块设计 123.3LM7805应用 133.3.1LM7805 芯片介绍 13III河南理工大学毕业设计（论文）说明书3.3.2LM7805应用电路..................................................143.4单片机选型...........................................................153.4.1单片机简介.......................................................153.4.2单片机电路.......................................................193.5按键选择电路.........................................................203.6数码管显示电路.......................................................213.7BUCK斩波电路........................................................223.8电压电流的A/D采集...................................................243.9MAX471介绍及工作原理................................................283.9.1MAX471介绍......................................................283.9.2工作原理........................................................284汇编源程序的设计实现....................................................314.1系统整体程序框架.....................................................314.2电路启动初始化.......................................................314.3数码管显示子程序.....................................................324.4数据采集及模数转换程序...............................................334.5充电子程序的设计.....................................................344.6电源子程序的设计.....................................................345结束语..................................................................36致谢.....................................................................37参考文献.................................................................38附录A：主电路原理图.......................................................40附录B：汇编源程序.........................................................41IV河南理工大学毕业设计（论文）说明书绪论1.1 本课题的研究背景近年来，随着电力、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，越来越多的国家开始实行“阳光计划” ，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作用具有重大意义。目前，太阳能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、家用电器以及公用设施等部门。而且随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光 —电转换装置的发明，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较切实可行的方法，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充电器的发展及其简单的类型充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命， 充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段：①限流限压式充电器最原始的就是限压式充电， 然后过渡到限流限压式充电， 它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如 10年。这种充电模式的效果较差。②恒流/限压式充电器这是充电器发展的第二阶段， 这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。 首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。③自适应智能充电器随着大规模集成 IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、 智能阶段，即称为第1河南理工大学毕业设计（论文）说明书三代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。充电器的发展经历了三个阶段，相应的就出现了各种类型的充电器，以下就是一些简单的充电器类型：普通型充电器：这是最基本和最常用的一种简单型充电器，实际上就是一个变压器降压、二级管整流电路；可调型充电器：简单地说就是电池充电可调节，它是根据充电电池的电压来调节充电的方式；自动型充电器：顾名思义就是可以实现充电自动化的装置，它分为全自动型和半自动型，大多都可以进行软件编程，通过为处理起来实现特定的功能；多功能型充电器：就是可是实现多种功能的充电器，它的作用不仅仅局限于充电了，比如稳压充电器、恒流—恒压充电器，具有自检功能的充电器、具有停电记忆充电器、带放电功能的充电器等等；还有其他许多的充电器，比如快速型充电器、恒流型充电器、太阳能充电器，都是在充电器发展的过程中逐渐产生的 [2]。1.3太阳能充电器太阳能充电器与市面上的一般市电充电器相比有好多不相同的地方。 一般的市电充电器都是在引出来电网电压之后先进行降压处理，再通过整流装置给各种蓄电池充电，这种充电器的优点就是当市电稳定时它可以提供稳定的充电平台。太阳能充电器由太阳能电池组件或者一些其他的光伏装置供电，输入电压一般都比较低，所以给蓄电池充电时可以直接连接蓄电池或者增加一级升压装置。另外，太阳能充电器可以很方便的携带，这样它在一些比较恶劣的环境下也能够提供充电作用。因此，太阳能充电器有着很大的发展前景。在简单的了解了太阳能充电器与一般市电充电器的差别，但是无论在细节上有多大的差别，其总体设计思路是一样的：都是电源供电、充电控制、蓄电池和负载这几部分构成，图1-1就表示了太阳能充电控制器的整体结构。2河南理工大学毕业设计（论文）说明书太阳能电池板基于单片机蓄电池负充电控制部分载充电控制部分 负载用电部分图1-1单片机控制太阳能充电器的结构1.4光伏发电的特点太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式——电能，从而具有热利用不可比拟的优势。太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，是当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势：①是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单；②利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；③可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；④接近负载中心，减少电网的线损；⑤发电的效率不随发电规模的大小而变；⑥就地可取，无需运输。光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来 [3]。1.5 本系统设计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3河南理工大学毕业设计（论文）说明书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，避免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，可对手机、 MP3、摄像机等多种数码产品充电。文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应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，蓄电池为手机充电，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，即可以为手机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。1.6 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手机充电器，设计的主要任务有：硬件设计：电源模块设计，电源控制模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，太阳能手机充电器电路原理图设计。软件设计：数码显示程序设计，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。4河南理工大学毕业设计（论文）说明书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表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则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，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基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。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，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。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。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。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 太阳能电池的分类目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。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：①硅太阳能电池；5河南理工大学毕业设计（论文）说明书②以无机盐如砷化镓 III-V 化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的多元化合物薄膜太阳能电池；③功能高分子材料 (有机半导体)制备的大阳能电池；④纳米晶太阳能电池等。这里采用的是硅太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术 .开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率 20%左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达 12%左右。非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。2.3 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 2-1表示的等效电路来考虑。图2-1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6河南理工大学毕业设计（论文）说明书VIILIOexpq1KTn(2-1)当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压VKTlnIL1qIO(2-2)其中I为电池单元输出电流；It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(1.6×10-19K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.3810×-23J/K)；T是绝对温度(T=t+273K)；n为二极管指数。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻 RS来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻 RSH来等效表示。此时的等效电路可根据图 2-2来描述，其伏安特性可由 2-2式给出。图2-2实际光伏电池等效电路IILIOexpq(V+RSI)1V+RSInKTRsh(2-3)此式叫做光伏电池的超越方程式。2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性7河南理工大学毕业设计（论文）说明书主要通过 I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。2.5光伏电池的主要参数光伏电池的几个重要技术：①短路电流 ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。②开路电压 VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。③最大功率点电流 (IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。④最大功率点电压 (VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。⑤最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率⑥填充因子FFPM(2-4)VOCISC⑦光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η，MPPTPM/PS以上各个参数可以在图2-3中表示如下。IISCIM PMVO VM VOC图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线图2-3中，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)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，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0，8河南理工大学毕业设计（论文）说明书即可得到该电池的最佳工作点 IM，VM，从而求出最大输出功率： PM=IM×VM。但是要求出其解析解，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，其特性方程由公式 2-3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图 2-4可表示太阳能电池的 P-V曲线。从图2-3可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的 I-V特性曲线是理想的矩形，那么 IM和VM乘积就等于 ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fillfactor) 概念来表征光电池的这一特性， FF定义为式 2-4。它表示最大输出功率的值所占的以 VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比， 填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方” ，电池的转换效率也越高。2.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图2-4、图2-5分别是太阳能电池阵列在温度为 25℃时，不同日照 (S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图 2-6可知，太阳能电池阵列的输出短路电流 (ISC)和最大功率点电流 (IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式 (2-3)中ISC强烈地控制着 I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图 2-5中虚线与各实线的交点所示。I(A)2.0S1000W/m1.5S800W/mS600W/m1.0S400W/m

2222

P(W)1000W1000800W800600W600 400W400

200W0.5S200W/m2200O100200300UVO100200300UV400500400500图2-4不同日照下的I-V关系曲线图图2-5不同日照下的P-V曲线图9河南理工大学毕业设计（论文）说明书P(w)PMPmaxV(v)Vmax图2-6太阳能电池的 P-V特性曲线2.7温度对光伏电池输出特性的影响图2-7，图2-8分别给出了太阳能电池阵列在日照射为 1000W/m2，和在变化温度 (T)的情况下，表现出典型的 I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图 2-8中各实线的波峰的幅值变化。I(A)P(W)S1000/m2S1000/m22.01000oC1.58001.025oC6000oC.0oC40025oC0520050oCU(V)U(V)100200300400500600100200300400500600图2-7不同温度下的I-V特性曲线图2-8不同温度下的P-V特性曲线综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：①太阳能电池的输出特性近似为矩形， 即低压段近似为恒流源， 接近开路电压时近似为恒压源；②开路电压近似同温度成反比， 短路电流近似同日照强度强成正比； 太阳能电池板的10河南理工大学毕业设计（论文）说明书输出功率随着光强和温度成非线性变化；③ 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点 (MPP，MaximumPowerPoint)，且随着外界环境的变化而变化 [8]。2.8本系统所采用的光伏电池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，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。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120mm×45mm，峰值电压 6V，峰值电流 100mA，标称功率 0.6W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，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。11河南理工大学毕业设计（论文）说明书太阳能手机充电器硬件设计3.1 系统总体设计方案DC/DC变换太阳能手显示手AT89C51机机电路电充池电器ADC0809图3-1 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。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。由于充电器多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烫，过度的充电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系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。本系统将采用89C51作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3-1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。3.2电源模块设计本系统所采用的元器件需要外部供电，如果加上外加电源，则使得电路复杂化，并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12河南理工大学毕业设计（论文）说明书为单片机以及外围电路供电。这里采用三端集成稳压模块 LM7805设计电路的电源模块，如图 3-2所示。图3-2电源模块电路此电源模块还有一个特点，就是当光线不够强时，蓄电池为单片机及外围电路供电，光线足够强时，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。3.3LM7805应用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，能输出稳定的+5V电压为单片机提供电源，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。3.3.1LM7805 芯片介绍LM7805为3端系列稳压电路， 能提供多种固定的输出电压， 输出电压 5V，应用范围广，内涵过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达 1A，虽然是固定的稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电路。主要特点：输出电流可达 1A输出电压有： 5V过热保护短路保护输出晶体管 SOA保护13河南理工大学毕业设计（论文）说明书极限值（Ta=25℃）VI——输入电压(VO=5~18V)???????????35VRθJC——热阻（结到壳） ????????????5℃/WRθJA——热阻（结到空气） ??????????65℃/WTOPR——工作结温范围 ???????????0~125℃TSTG——贮存温度范围??????????-65~150℃3.3.2LM7805 应用电路LM7805有三个引脚， 1脚接输入电压， 2脚接地，3脚接输出。功能：输出稳定电压 5V，输出电流接近 1A。用途：可以为需要提供 5V直流电源的电路提供稳定工作电压。 应用电路如图 3-3所示。图3-3LM7805应用电路注：1）输入电压，即使是纹波电压中的低值点，都必须高于所需输出电压 2V以上。2）当稳压器远离电源滤波器时，要求用 Ci。3）Co可改善稳定性和瞬态响应。图3-3是三端稳压集成电路LM7805的应用电路，三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态时，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。电路中Ci的作用是14河南理工大学毕业设计（论文）说明书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 0.1μF～1μF之间，本文Ci选用0.33μF；在输出端接电容Co是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取0.1μF左右，本文Co即选用0.1μF。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Co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跨接一个二极管，对LM7805起保护作用。LM7805输入电压为8V到36V，最大工作电流1.5A，具有输入电压范围宽，工作电流大，输出精度高且工作极其稳定，外围电路简单等特点，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，且成本低。3.4单片机选型系列单片机不仅是国内用得最多的单片机之一，同时也是最适合上手学习单片机系统开发的一款单片机。本设计中单片机的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。3.4.1 单片机简介单片机是整个控制电路的核心 ，本设计采用的是美国 ATMEL 公司生产的 AT89C51。AT89C51是AT89系列单片机中的一种， 它与MCS－51系列的许多机种都具有兼容性， 并具有广泛的代表性。为了便于读者对“单片机速通教程”以后的系列实例文章的理解，下面，我们先来了解一下 AT89C51的硬件结构。1.内部结构AT89C51单片机的内部结构与 MCS－51系列中的 MCS－8051的内部结构基本相同。由CPU、片内RAM、片内ROM及4个标准输入输出 I/O口等组成。片内 4KBROM为程序存储器，这里面主要存放指挥 CPU进行操作的指令代码。 4KBROM共有4096个存储单元，每个单元可存放一个字节共 8位二进制数字。程序存储器中的每个单元都有一个确定的地址，4K空间地址范围为 0000H至0FFFH。128BRAM为128个字节的可读写数据存储器，主要放置需频繁处理的数据。其地址空间为 00H至7FH，其中00H至07H这8个单元是一组工作寄存器，由于对它们的操作另有专用指令，所以将这几个单元又分别记作15河南理工大学毕业设计（论文）说明书R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7。4个标准输入输出 I/O口P0、P1、P2、P3与CPU内部的一些特殊功能寄存器，如定时器控制寄存器 (TCON)、串行口控制寄存器 (SCON)等是统一编址的。这些存储器离散地分布在 80H至FFH地址空间内。其中 P0、P1、P2、P3的地址分别是 80H、90H、A0H和B0H。有了确定的地址，才能准确无误地对它们进行操作。比如我们要向 P0口送一个数，只要用一个送数指令，将数“写”到 80H这个存储单元就完成了。也就是说把要送的数存到 P0口锁存器之中，再通过驱动器，就可将数据各位代表的高低电位输出到 P0.0至P0.7的这8条口线引脚上了。2.引脚功能单片机具备了CPU、程序存储器、数据存储器和输入输出口等硬件资源之后，还需要供电电源、时钟触发和复位等控制的支持才能正常工作。而这些输入都是通过引脚与单片机连接的。如图3-4所示。图3-4单片机引脚图图3-4是单片机 AT89C51的引脚排布图。由图 3-4可知，AT89C51是标准的 40线双列直插式封装 (也有其它封装形式 )的集成电路，其引脚与 MCS－51系列单片机完全兼容。16河南理工大学毕业设计（论文）说明书这40条引脚大致可分为电源(Vcc、Vss、VPP、VPD)、时钟(XTAL1、XTAL2)、专用控制线(ALE、RST、PROG、PSEN、EA)、通用多功能输入输出标准I/O口(P0～P3)等4大部分。该单片机有6条引脚是保证基本工作所必须连接的：40脚Vcc和20脚Vss为整个芯片提供电源；18脚、19脚是时钟振荡引脚，它们的内部连接一个高增益放大器，外部接一晶振选频产生振荡脉冲，并可配接一些电容、电感使振荡更精确。此振荡脉冲，为整个CPU及其定时等有效操作系统提供时钟。另外两条引脚是EA和RST。31脚EA是程序存储器片内片外选择脚，如果EA接低电位，CPU不从片内ROM中取指；EA接高电位，CPU先从片内程序存储器取指。第9脚RST的主要功能是使单片机复位。当单片机接通以上5脚后，只要在第9脚上加一个宽度不小于24个振荡周期，也就是2个机器周期的正脉冲，它就能使系统复位。系统复位就是意味着CPU里各种寄存器等功能部分有一种标准的、固定的状态，这样有利于系统设计。比如系统复位后，能使P0口至P3口的数据为FFH，也就是各口线皆呈高电位，不然就会出现每通一次电，系统就呈现一种不同的状态，给负载电路的设计带来困难。系统复位后，还能使程序地址寄存器PC的值为0000H，这就保证系统从程序存储空间的0000H单元取指，使程序有个起始，保证系统能有条不紊地运行。因此，程序存储器从第一单元开始一般放一条无条件跳转指令，指出主程序的入口，引导系统进入主程序运行。3.I/O口的介绍在图3-4中，还有P0～P3引脚。这些引脚可以将单片机输出的高低电位信号传送给片外的负载，也可将片外其它设备输出的高低电位号输入至单片机，因此，在单片机中，这些引脚就叫做输入输出端口，简称I/O口。一个标准的I/O口一般由8条I/O口线组成。标准I/O口的主要功能相当于一个8位锁存器，能存储一个字节的二进制数据，以保持与之相连接的8条口线各自电位的高低状态。在图3-4中，AT89051的第1脚至第8脚相对应的8条口线P1.0至P1.7组成的标准口记作P1口，第10脚至第17脚相对应的口线P3.0至P3.7组成的P3口，第21脚至28脚相对应的8条口线P2.0至P2.7组成了P2口，第32脚至39脚相对应的8条口线P0.0至P0.7组成了P0口。有了这些标准输入输出口，使用起来就很方便了。这样，我们可编制一段程序，向这些标准口中存入一定的数据(这些数据也可叫控制字)，各口线引脚就会呈现出不同的高低电位。比如我们向P0、P1、P2、P3口中送入数据＃00H，则每个口的各口线电位状态就会为“ 00000000”，也就是各条口线皆呈低17河南理工大学毕业设计（论文）说明书电位。我们再向 P0口送入数据＃03H。P0.0至P0.7各条口线所呈电位为“ 00000011”，也就是只有 P0.0和P0.1两条口线所对应的引脚呈高电位。另外，还应知道， P0口的P0.0～P0.7的位地址是 80H至87H，P1口的P1.0至P1.7的位地址是 90H至97H，P2.0至P2.7和P3.0至P3.7的位地址分别是A0H至A7H和B0H至B7H。4．管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O口，每脚可吸收 8TTL门电流。当 P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时”，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，时P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是 8个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个TTL门电流。当P3口写入“1后”，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断 0）18河南理工大学毕业设计（论文）说明书P3.3/INT1（外部中断 1）P3.4T0（记时器 0外部输入）P3.5T1（记时器 1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号， 此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止ALE的输出可在 SFR8EH地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX，MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时，/EA将内部锁定为 RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出 [24]。3.4.2 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，查询按键确定功能，然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19河南理工大学毕业设计（论文）说明书输出电流或电压，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易行。3.5 按键选择电路在单片机应用系统中，按键主要有两种形式： 1、独立按键；2、矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个 I/O口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为 5ms～20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。在本设计中由于按键不是太多， 故采用独立按键法， 这样可以减小编程的难度， 图3-5为本设计的按键接线图。图3-5按键接线图对电路总体考虑后 ，将ADC0809采集电路接在了单片机的 P0口，并用P2口做采集20河南理工大学毕业设计（论文）说明书控制，这样 P0口仅用接收数据，不用发送数据，有 P0口的硬件构成知道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接， 这样整体上减少了电路的硬件开支， 而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在 P1口，其中 P1.0、P1.6为输出功能选择键， P1.3为过电流保护指示灯，按下 P1.6代表给手机电池充电，按下 P1.0则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用 USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。3.6 数码管显示电路AT89C51单片机内有一个串行 I／O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／输出方式，多用与外接移位寄存器以扩展 I／O端口。串口的工作方式可以参看相关的书籍，此处不做详细介绍。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。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功能的I／O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I／O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I／O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。21河南理工大学毕业设计（论文）说明书图3-6数码管驱动电路如图3-6单片机AT89C51的串口外接 1片74HC164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C2051的RXD作为数据输出线， TXD作为移位时钟脉冲。 Q0-Q7(第3—6和10—13引脚)并行输出端分别接 LED显示器的 DP---A各段对应的引脚上。本设计设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源 VCC，本电路电源由 LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证个数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器 74HC164的输出线必须是低电平。3.7BUCK斩波电路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，为了防止输出电压过高，破坏电路烧毁元件，或者是输出电压太低元器件不能正常工作，本设计中引入斩波变换电路对输出电压进行升压或者降压变换，以优化系统性能。斩波电路主要有 Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路等三种电路。Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。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 ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（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。22河南理工大学毕业设计（论文）说明书（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性相同。（3）Buck－Boost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。DC-DC分为BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三类DC-DC。其中BUCK型DC-DC只能降压，降压公式：Vo=Vi×D；BOOST型DC-DC只能升压，升压公式：Vo=Vi/(1-D)；BUCK-BOOST型DC-DC，即可升压也可降压，公式：Vo=(-Vi)*D/（1-D），D为充电占空比，既MOSFET导通时间（0<D<1）。开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。因开关电源工作效率高，一般可达到80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：Is=KIf式中：Is—开关电源的额定输出电流；If—用电设备的最大吸收电流；K—裕量系数，一般取1.5～1.8。降压斩波电路(BuckChopper)的原理图及工作波形如图 7所示。图中 V为全控型器件，选用IGBT。D为续流二极管。由图3-6b中V的栅极电压波形 UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电， UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管 D续流，电压 UD近似为零，至一个周期 T结束，再驱动 V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：(3-1)式3-1中ton为V处于通态的时间， toff为V处于断态的时间， T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比 (α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值 UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。23河南理工大学毕业设计（论文）说明书+E+UGEtoffC+L1ttonGUDTUiVC1RUoDUDUit---UOt(a)电路图 (b)波形图图3-7降压斩波电路的原理图及波形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。其电路如图 3-7所示，PWM脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管的通断。图3-7中，V为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulsewidthmodulation脉宽调制)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。LDO（低压差线性稳压器）的特点：①非常低的输入输出电压差②非常小的内部损耗③很小的温度漂移④很高的输出电压稳定度⑤很好的负载和线性调整率⑥很宽的工作温度范围⑦较宽的输入电压范围⑧外围电路非常简单，使用起来极为方便3.8 电压电流的A/D采集受外界环境因素的影响，太阳能电池输出的电压极不稳定，而且随着手机电池充电的饱和，恒压充电的电流会随着时间的推移逐渐降低，因此需要采集太阳电池输出的电压电流信息，经模数转换后送由单片机进行判断是否需要进行脉宽调节使输出接近设定值。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS24河南理工大学毕业设计（论文）说明书组件。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，可以和单片机直接接口。1）ADC0809的内部逻辑结构STCLKEDCIN0IN188路D0IN2路A/D三D1IN3模转态D2IN4拟换输D3IN5量器出D4IN6开锁D5IN7关存D6器D7地址AVREF(+)VREF(-)锁存B与译OEC码器ALE图3-8ADC0809内部结构ADC0809由一个8路模拟开关、一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。（2）引脚结构25河南理工大学毕业设计（论文）说明书图3-9引脚结构图ADC0809各引脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 0－5V，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为地址输入线，用于选通 IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择如表1所示。26河南理工大学毕业设计（论文）说明书表1CBA通道选择表CBA选择通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线： 11条ST为转换启动信号，在ST端给出一个至少有 100ns宽的正脉冲信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，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。 OE＝1，输出转换得到的数据； OE＝0，输出数据线呈高阻状态。 D7－D0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，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。本设计中用单片机的 P0口接收来自 0809的换数据，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 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27河南理工大学毕业设计（论文）说明书片机读取 P0口然后做下一步处理操作 [31]。3.9MAX471介绍及工作原理ADC0809不能处理微弱的电信号，尤其在手机充电接近饱和的时候，电流十分微弱，必须经过放大才能由 ADC0809处理。3.9.1MAX471介绍MAX471是美国MAXIM公司生产的双向、精密电流传感放大器。它内置35mΩ精密传感电阻，可测量电流的上下限为3A，可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。根据实际情况，用户可根据自己的需要配置外接的传感电阻与增益电阻。MAX471 引脚结构：SHDN18OUTRS+27RS－MAX471RS－RS+36GND45SIGH图3-10MAX471引脚结构MAX471 各引脚功能说明如下： SHDN为关闭信号，正常操作时接地；当它为高电平时，供电电流小于5μA。RS+为内传感电阻的电源端。GND为地端或电源负端。SIGN为集电极开路逻辑输出，SIGN为低电平表示电流由RS－流向RS+。RS－为内传感电阻的负载端。OUT为电流输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。3.9.2 工作原理MAX471 的功能框图如图 3-11所示28河南理工大学毕业设计（论文）说明书图3-11MAX471功能框图如图3-11所示MAX471 包含两个放大器， 传感器电流 I通过传感器电阻 Rsense从RS+流向RS-（反之亦然），输出电流 Iout流过RG1和Q1还是RG2和Q2取决于传感电阻中电流的方向，内部电路（图中没有画出来）不允许Q1和Q2同时打开。以图3-11为例，若传感器电流Isense从RS+经精密传感电阻Rsense流向R-，输出端OUT通过输出电阻Rout接地（GND）。此时Q2断开，放大器A1工作，输出电流Iout从Q1的发射极流出，由于没有电流流过RG2交点的电位，因A1的开环增益很大，其正向输入端与反向输入端基本上保持同一电位，所以，A1的正向输入端的电位也近似等于Rsense和RG2交点的电位，因此传感电流Isense流过Rsense所产生的压降就等于输出电流Iout流过RG1所产生的压降，即Iout×RG1=Isense×Rsense所以Iout=（Isense×Rsense）/RG1Vout=(Iout×Rout)=(Isense×Rsense×Rout)/RG1同理，若传感器电流 Isense从RS-经传感电阻 Rsense流向RS+，则可得Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG2综上可得 MAX471 输出电压的方程Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG其中Vout———期望的实际输出电压29河南理工大学毕业设计（论文）说明书Isense———所传感的实际电流Rsense——— 精密传感电阻Rout——— 输出调压电阻RG——— 增益电阻（RG=RG1=RG2）对于MAX471，所设定的电流增益为Rsense/RG=500×10-6，Vout=500×10-6，×Isense×Rout当输出电阻 Rout=2kΩ时，在传感器电流 Isense允许变化范围（ -3A≤Isense≤3A）内，输出电压Vout的变化范围： -3V≤Vout≤3V,即满标电压为 3V。特定的满标范围所对应的输出调压电阻 Rout为：Rout=（Vout×RG）/(Isense×Rsense)对于MAX471,Rout=Vou/Isense×500×10-6但要注意，变化Rout时，须保证MAX471输出电压的电压上限不能超过VRS+-1.5V。MAX471 所需的供电电压 Vbr/Vcc 为3～36V，所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz，采用8脚封装，对瞬变电流的响应非常快，若要减弱由于噪声在输出端产生的干扰，可在输出调压电阻的两端并联一个电容 1μF（也可根据实验确定）进行旁路。这一电容的引入不会影响到 MAX471 的使用性能。30河南理工大学毕业设计（论文）说明书汇编源程序的设计实现4.1 系统整体程序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 4-1所示。开始初始化Yes No电流充电充电子程序 电源子程序结束图4-1 程序整体框架流程4.2 电路启动初始化初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：清片内，每次单片机加电时，都将引起单片机的上电复位操作。复位操作完成以后，单片机的寄存器会被置以不同的值，这些值中有相当一部分是未知的值。这些未知的值在单片机复位完成，正式运行以后，会产生无法让程序设计人员掌握的后果，甚至会造成系统的损坏。因此，在单片机运行后，首先清 0使之置初始参数设定， 便于程序设计人员掌握， 以利系统的工作。设置系统运行所需的各个参数，设置定时器和中断设定。图 4-2为初始化程序流程。31河南理工大学毕业设计（论文）说明书开始清片内RAM初始参数设定AD设定定时器设定中断设定返回图4-2 初始化程序流程4.3 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“ O”。显示子程序首先初始化串口，使串口工作在方式 0，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，数码管就显示相应的编码。显示子程序是怎么将显示缓冲区中的数据变成相应的字形码呢 ?具体的方法是将每个数字的字形码以 16进制数从小到大的次序依次存放在存储器中的固定区域中， 构成显示代码表。当要显示某字符时，把表格的起始地址送入数据指针寄存器 DPTR中作为基址，将显示缓冲区内的数据作为偏移量送入变址寄存器 A，执行查表指令“ MOVCA，@A+DPTR”，则累32河南理工大学毕业设计（论文）说明书加器A中得到的结果即表格中取出的对应数字的字形码。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，0FH．0