基于51单片机的太阳能手机充电器

华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）第一章绪论1.1本课题研究背景全球经济发展越来越迅速，然而，能源问题却阻挡了人们发展的速度。自上个世纪末开始，能源枯竭成为了世界关注的热点问题，随着经济的快速发展，能源与可持续发展之间的问题也越来越严重。随着社会大力发展工业，对能源的需求量越来越大，煤、石油、天然气等不可再生能源存储量急剧减少。不可再生能源的行程需要机器漫长的时间，开采利用后，短期内是无法再次形成的，社会发展对能源的巨大需求，有限的不可再生能源是无法长期供应的。所以，如果人们持续对能源进行大规模的开发利用，将导致不可再生能源的逐渐减少，最终，能源危机阻止人类发展。随着人口的增多，二氧化碳含量和各种汽车尾气、工业废气的排放已经严重影响到现在的环境质量了，严重的雾霾和南北极冰川的融化就是最好的证明了，而不可再生能源使用后会排放出大量有害气体，例如二氧化碳、二氧化氮气体等，这些都会造成环境污染。这些逐渐显现不断恶化的现象，迫使人们寻求无污染的清洁能源，而太阳能就是人们最优质的选择。太阳能发电是利用太阳光和半导体经过特殊结构生电，太阳能电池板发电过程不会产生其他任何有害物质，发电完成后也不会产生有害物质。合理开发我们身边的太阳能，光能开发奖成为经济发展的新动力。目前手机行业更新换代的速度非常快，手机的功能也越来越丰富，在相应的使用量和耗电量上就会明显的增多，出去游玩或者外出时间过长经常会面临着手机没电的情况。手机就无法使用其功能了，会给使用者带来很大的麻烦和损失。为了解决这个问题，利用太阳能转换的特性，设计了一款便携式的太阳能充电器，可以随时随地给手机、相机、MP3等电子产品充电，满足户外活动和日常生活的充电需求。太阳能是人类目前可以无限量获得和使用的能源，只要我们能好好开发和研究，将这无穷无尽的能源好好利用，这会是一笔宝贵的财富。而且太阳能是最重要的基本能源，许多其他的可再生能源都来自于太阳能，比如说水能、风能。我们每日沐浴在阳光下，享受着无穷无尽的太阳能，因此，太阳能发电产业具有非常广阔的市场前景。1.2国内外能源情况分析1.2.1国外能源情况分析全世界的不可再生资源的储备量非常丰富，但是随着人口的快速增长和社会经济的发展的，不可再生资源的储备量将日益以不可估量的速度快速消耗。不可再生资源可划分为各个地方地下埋藏着的，还有海底埋藏着的煤炭、天然气、石油等，这些不可再生能源都是地球上在选择了合适的环境，经过漫长的时光才演变而成的。随着科学技术的日以先进，人类发现的煤矿资源增多，同时开发的煤矿和石油产地也变多了。随着全世界煤炭供应的减少，世界煤炭产量自2014年开始下降，2014-2016年世界煤炭产量分别为81.98亿吨、79.61亿吨、74.60亿吨，全球供应量日益减少。而煤矿、石油这些不可再生资源，是用一点少一点的。2016年亚太地区消耗了全世界大部分的煤炭资源，中国和印度消费超过了全球的60%，大大影响了全球煤炭市场的需求。主要能源除了煤炭以外，还有石油，也是大量的消耗品。而中东作为石油出口大国，出口量非常大，但是这种情况持续不来多久了，因为新石油的开采非常困难，其他各国的油田也是如此。由于众多行业和汽车等对石油的依赖性非常大，所以是有的价格将会非常影响国际经济社会的变化。例如过于依赖石油煤炭含量虽然丰富，但是在没有高科技新能源替代的情况下，煤炭含量不足以供给愈发高速发展的经济社会。而且大量使用化石能源会造成非常严重的环境污染。大量发展工业排出的二氧化碳等废弃物会导致的全球温室效应，现在南北极冰川也开始融化从而导致的海平面的上升，严重影响了许多国家和地区，工业和其汽车尾气中排出的许多有害气体导致的雾霾，排出的二氧化硫气体形成的酸雨破坏力地表生态平衡。在这次疫情中，NASA和ESA的环境监测卫星检测到中国和意大利封城后二氧化氮明显减少。图1-12020年1月20日和2月25日隔离期间中国各地上空的二氧化氮对比二氧化硫和二氧化氮主要来源于煤炭排放的脱硫脱硝不严格、不完全。我国是煤耗打过大国，煤炭消费占到了全球近一半，而这些煤炭消费主要是源于工业锅炉、居民采暖、燃煤电站和煤化工行业，疫情期间停工停产还是带来相当大影响。所以对于采取新能源的措施是刻不容缓，使我们立足于未来科技发展的重要举措。开采新能源，不仅是为了保护环境，保护地球，保护我们的生态家园，更是为了我们的科技事业能够开创全新的局面，立足于新起点。1.2.2国内能源情况分析同样是以煤炭为例子，我国的煤炭储量丰富，是世界比较丰富的地区。目前我国工业发展水平是处在以煤炭消耗为主逐渐转向以石油消耗为主的阶段，虽然人们日常已经在大量使用石油了，无论是企业还是个人，对石油的需求都非常的大。但是煤炭的消耗依然是我国能源消耗的大头。我国大部分的电力、粗钢、水泥、合成氨以及煤制油、烯烃、乙二醇、甲醇等等都需要煤炭作为基础物质，这些都是现代煤化工产业发展需要。再大的储备量也有被消耗完的一天，而且由于我国南方地区的经济快速发展，加大对能源的需求，而我国煤炭资源分布偏西偏北，煤炭的运输就是一个复杂而且耗时的事情。我国已经有许多企业正在研发和使用新能源为企业提供电力，例如开发太阳能。太阳能是一种无污染、无危害的清洁能源，非常适合我们开发研究。特别是我国西北部日照时间长、阳光持续时间长、光线非常的充足，而且西北地区人口偏少，土地辽阔，非常适合开展太阳能供电这个项目[1]。我国的东北地区是工业非常发达的地区，耗电量也非常的大，而我国目前还主要有煤炭来供电，所以如果由西北地区的太阳能懂点，运输到东北地区，这将会大大改善东北地区的电力提供情况，还会大大改善东北地区由于大量燃煤导致的雾霾等环境问题。我们有着充分的优势去利用太阳能源，由于我国经济发展迅速，现有的石油、煤炭等不可再生能源已经无法满足经济增长对能源的需求了，而且我国太阳能充足，利用太阳能来替代不可再生能源是我们的首要选择。1.3清洁能源的对比选择目前常见的可再生资源主要有太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能、氢能、生物能。我们主要介绍对比一下这太阳能、风能、水能、地热能四种能源的特点和优劣势。太阳能是一种环保、安全、无污染的新型能源。我国新疆和西藏地区的太阳能资源是非常丰富的，日照时间长、阳光充足、地广人稀等优点都为我国太阳能资源打下了良好的基础。而且太阳能作为一种优秀的可再生资源，是无限量地给予人类，是公平的，每个人都可以享受到的，是免费的，不受任何人或者机构所控制的。风能同样是可再生能源并且同样是洁净环保的能源，风能主要可以分为：风作为动力和风发电两种情况，其中又以风力发电为主。以风作为动力带动其他物体的装置在人类历史上早就有了，以人类的智慧做出来带动水泵提水等这种风力发动机。经过漫长时间的研究进步，风能已经可以很好的被人类所利用了，风能装置日以进步，在荷兰还有其他许多国家空旷的崎岖，风力发电已远远低于其它发电机的成本了，这些空旷地区也非常适合风力发电。可能干扰鸟类的正常行动是风力发电的缺点之一，建造风力发电站后鸟类动物会减少。在一些贫困落后的地区虽然后地理上的优势，但是经济上无法支持他建造风力发电装备，而且许多地区的风不能持续稳定的供给，具有不确定性。在进行风力发电时，风力发电设备会产生巨大的噪音，所以选择作为风力发电厂的地方一定要够大，最好地广人稀。水能作为一种可再生能源，学过初中物理的我们都知道，水能是指利用水的动能、谁的落差形成的势能，还有水压转换成我们需要的能量。随着不可再生资源的日渐减少，水能变得非常重要，而且特备受人满所感兴趣。在我国水能发电最出名的就是三峡大坝水电站了，三峡水电站的建成，为我国电力注入了一大股能量。水力发电的优缺点都有很多，以三峡水电站为例，三峡水电站作为全世界最大的水力发电站，所产生的电能是非常可观的，在水电站建好开始发挥作用至2019年累计生产了1000亿千瓦时的清洁电能。三峡水电站建成之后再防洪、航运、养殖还有美化环境等方面都做得特别好，尤其是防洪能力。但是势能发电所造成的污染也是很大的，首先三峡的建成就使得一百多万人迁徙离开，同时造成了水库的污染，还有水流静态化，使得河流的水流能力减弱，污染物的滞留严重污染了周围环境，再者因为有了大坝的阻拦，许多鱼类无法正常生活，因为它们被大坝拦住过不去了，许多珍稀鱼类还有植物的生存环境受到威胁。不仅仅是三峡大坝有这些问题，很多水能发电的发电站都会存在这些问题，当然，他的优点也是我们所不能忽略的，希望在日后可以更好的处理水能发电的问题，在科技日以进步的时代下，让水能发电更好的利用起来。地热能是从初中的地理课本可知这是由地壳产生的热能，例如我们经常去泡的温泉，这种热能来自地壳的内部，并以热力形式存在，同事这也是一种非常可怕的能量，因为这能量能引起火山爆发。地热能虽然能量可以大到火山爆发，这种能量也是有很多优点的，它分布广泛，蕴藏量也非常的大。因为这种能量是地壳中的，所以建造地热厂时间短且容易。但是缺点是所投入的资金非常的大，而且热源不稳定，因为是埋藏在地底的能量。所以流出的热水会含有很高的矿物质，一些有毒气体会随着热气，而喷入空气中，造成空气污染。经过以上几种能源优缺点的对比，太阳能比较符合本次设计所用到的清洁能源。1.4手机电池及移动电源产品的描述我国通信行业的发展已经取得了非常好的成就，手机电池作为通讯设备中非常重要的一环，手机电池的质量和电容量已经成为人们衡量这款手机是否值得购买的重要标准了，在人们的高需求和科技日益发达的情况下，手机电池的质量和电容量已显著提高。目前市场上的电池品种非常多。由于有些电池因为体积大、重量大或者污染性太强，这里就不多过多描述了，主要对受众较广的锂离子进行描述。锂离子从形体上可分为：圆柱形，方壳型还有软包。而目前市面上大多数是使用锂离子电池、聚合物锂离子电池，这些电池体积非常小，身形很轻薄，再加上环保无污染的优点，成了目前市面上最常见的手机电池。目前手机电池行业发展已经非常成熟了，例如华为mate8，4100毫安的电池，超长待机24天，1%电量在超级省电模式下可以用10小时，高清视屏可连续播放17小时。目前市面上的移动电源商品技术已经非常成熟了，但是由于移动电源的使用率非常高，难免有各种山寨厂商甚至小作坊进去，导致行业内鱼龙混杂，如果买到伪劣产品，那引发的危害是很严重的。目前市面上的合格的移动电源有很多选择，在容量方面，有25000毫安的、10000毫安的等等，但是容量越大，它的体积和重量就越大。那如果是在外旅行、登山等活动背着它，就会显得非常累赘。移动电源体积大，重量大也是移动电源的缺点之一。图1-2市面上的25000毫安的移动电源1.5本文总体设计本文设计的充电器主要是通过太阳能电池板，将太阳能转化为电能。经在给电子产品充电过程中采用LED灯、数码管指示，在有太阳光照射下可正常充电时，LED等会正常发亮，当没有太阳光照射时，会自动转换为蓄电池发电，让用电设备可以及时充电。在设计系统中有保护电路可以保护充电产品不会过度充电，避免因电池过度充电而损坏，在电压的输出端有USB接口可以方便手机充电，可以对多种不同用电设备进行充电。文中介绍设计的便携式只能太阳能手机充电器，比普通的手机充电器和移动电源更加地便捷，因为有太阳就可以给充电产品充电了，不用到处找电源插座或者是到处借移动电源。加上本设计使用单片机的作为核心控制器，有着其强大的功能，设有完备的电压电流检测保护电路，并通过液晶显示器观察电路状态，降压变换器可以实现发电部分电压将13.2v转化成我们无需的5v或者12v的充电设备供电。图1-3系统的整体设计1.6本章小结不可再生能源的巨大消耗，以及其需要漫长时间形成的特点，还有其污染性强，释放的有害气体多等特点，人们不得不为了更好的生存环境而去寻找非化石能源，最好是无污染的不可再生能源的替代品。我们进过四种不同可再生能源的分析对比，太阳能具有便捷，只要有阳光就可以使用，而且无限量的优势，最终选择了太阳能作为本次设计清洁能源。在技术日渐成熟的电池方面，手机电池的容量已经可以达到一个非常优秀的续航时间了，但是对于旅行或者其他活动需要，用电设备较多的情况下，还有我们需要大量使用手机或者摄像机等其他设备时，耗电量是非常快的，即使有移动电源，也没法一直续航，总有耗完电量的情况，而且移动电源的容量越大，它的重量也就越大，就导致背出门会很重。本文设计一款便携、可无限充电、具有自动断电、可调节电压的太阳能充电器，解决人们户外用电设备没电的情况。第二章太阳能电池的特性研究本太阳能电池组是发电系统中的核心内容，本文设计的太阳能充电器是基于光伏发电的原理，采用的是体积小、容量大的硅电池，其作用是将太阳能的辐射能直接转换为直流电，再经过系统设计的电路和控制器中的程序将电流转换为我们需要的电压，继而为整个系统提供动力，保持系统的正常运行。在不需要为负载使用的时候，太阳能电池板还可以继续转换电脑存储于蓄电池内备用。2.1太阳能电池的发展太阳能的发展其实在很久之前就已经有了，人类的智慧是无限的，很久之前就已经有人发现了太阳光照射到一定物体上会发生光能可以转微点能，可以推动机器的运转。而这个现象在19世纪的时候由法国物理学家A.E.Becquerel发现了。随着人类的进一步发展，科技日渐成熟，人们也从战争中解放出来，自然有更多时间，更多精力去进行太阳能的研究，果不其然，太阳能电池的制成给予了人们巨大的信心。后来随着报道的逐步认识和了解，以及机器加工技术的进步，有人在做实验的时候，发现硅中参入一点杂质，太阳能电池板的发电能力会变强。后来，人们甚至将太阳能发电应用到人造卫星上，作为能量的来源。随着工业社会的不断发展，西苑的大量消耗，在20世纪70年代爆发的能源危机中，各国人民已经察觉到虚招可替换能源的重要性了。许多发达国家已经大量使用太阳能装置，更是朝向商业化的目标前进。太阳能发电技术在中国还处于早期商业应用阶段，但是，相信在科学家们和哥哥专家以及热爱太阳能行业的人士努力下，在政府的计划推动下，中国优秀能源企业将会带着太阳能产业得到快速发展。太阳能在中国具有很大的发展空间，尤其是中国人口众多，需求的能量更大，相信在不久的将来，能够更充分的利用好太阳能这个优秀的能源2.2太阳能电池板的电池组成以具有半导体性能的材料为基础，逐步构成了太阳能电池板，根据材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、化合物太阳能电池、纳米晶体太阳能电池等。生产的太阳能电池，而且最好不产生污染性物质，制作过程中也要减少污染的产生。经过几代人的实验和努力，终于得出具有半导体性质的硅，是最理想的太阳能电池材料，这也是目前在太阳能电池领域硅作为太阳能电池主导地位的原因。下面分析分析一下几种太阳能电池材料的区别和优缺点。硅太阳能电池又可分为单晶体硅太阳能电池、多晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池,还有由多种材料构成的化合物太阳能电池。单晶体硅太阳能电池的光电转化率是最强的，比大多数太阳能充电板的准化率都要高，由于转换率高，较多人研究使用，所以单晶体硅的制作流程是非常成熟的了，可靠性也是非常高的。由于转化率高，它的制作成本也是非常高的。由于单晶体硅太阳能电池一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此坚固耐用，使用寿命可长达15年，最高可长达25年[2]。多晶体硅太阳能电池的制作工艺过程和所使用的的原材料都比单晶硅太阳能电池要低，但是光电转化率也相对较低，由于对镜柜太阳能电池的性价比非常高，广泛受到厂商的喜爱，还有各行业科研人员的青睐。再加上，多晶体硅太阳能电池的使用时间较短。整体来说，多晶硅太阳能电池更符合人们的要求。薄膜硅太阳能电池与前两种太阳能电池有很大的不同，特别是硅材料消耗非常少[3]。这种太阳能电池在阳光很微弱的时候都能吸收到能量从而转换为电能，但是它的光转化率比前两款都要低，所以在薄膜硅太阳能电池的研究上还要再继续加油。化合物太阳能电池是多种类型的半导体材料构成的。由于化合物太阳能电池种类很多，所以很多都还处于实验阶段，都未工业化生产。所以这里就不详细描述了。纳米晶化学太阳能电池作为一款能存活时间比较长的一种新型太阳能电池，但是制作材料贵，所以大部分人不会选择这种新型太阳能电池。经过以上的介绍和分析，我们选择的是多晶硅太阳能电池。2.3太阳能电池板的工作原理太阳能电池工作原理的是基于硅原子内部的特殊活动，里面的空穴和电子经过外围电路，最终形成电流。电流再经过电路和控制器的转换等形成我们所需要的电流电压。现在的控制技术中将太阳能转换为电能的方式有两种，分别是光伏发电和光热发电，下面详细介绍一下这两种发电的特点和区别。光伏发电的主要原理是利用半导体内部特殊结构形成电流，听过设计好的电路形成我们需要的电流，继而为用电产品充电。光伏发电在我国许多企业已经开始应用了，许多大型企业在厂区内设置了大量的太阳能电池板，企业利用光伏发电为生产设备提供能源，用不完的电能还可以供给附近的社区居民，是值得政府提倡的节能环保行为。而且光伏发电过程中不会产生噪音或者其他污染物，光伏发电后也不会有其他不好的影响，是非常适合小区居民和大型工业基地所使用的。太阳能光热发电是利用太阳光照射转换成热能，由内部组织的集热器通过太阳能聚集的热能驱动水蒸气从而形成电能。我国光热转换技术已经在各行各业有所发展了，特别是太阳能热水器，在云贵高原和西北地区得到很好的应用，因为高原地带所接收到的阳光非常的充足，在这些地方使用太阳能热水器就可以最大程度的利用太阳光。光热转换在我国技术已经非常成熟了，特别是在热水器行业，为人们提供了非常节能环保而且便利的生活。而且本文设计的是太阳能手机充电器，属于小型供电用品，光伏发电比较适合。2.4本设计采用太阳能电池板的型号根据不同的充电要求，可以有不同的太阳能电池板组合。本文以人们常用的充电设备，例如手机、MP3等充电产品。所选用的太阳能电池板技术参数如下：尺寸120mm×45mm，峰值电压6V，峰值电流100mA，标称功率0.6W。图2-2太阳能电池板2.5本章小结本章节主要介绍了太阳能电池的类型，在了解和研究不同太阳能电池的材料、工艺过程、原料构成、以及电池的光转换率还有性价比等情况，选择一款污染性较弱，同时在光转化率方面符合本设计的要求。然后详细描述了太阳能电池的发电方式，通过分析比较光伏发电和光热发电的原理和不同点，经过一系列的对比后选择了光伏发电的多晶硅太阳能电池。本设计出了使用到太阳能电池以外，还会增加一个蓄电池作为备用电池，太阳能电池进行光电转化后不仅可以为通信产品充电，还可将电量储蓄在蓄电池中，以备光线不足时可以给充电设备充电。

第三章硬件电路的设计3.1系统总体设计方案本系统的总体设计方案就是将整个充电设备放在阳光下，将太阳能电池板垂直照射阳光，通过光伏发电，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，通过手动开关装置打开开关，电路接通，太阳能接通到TP4056电池充电管理芯片，给锂电池进行充电，锂电池充电后经过升压模块，然后给整个系统进行放电。下面会详细说明整个电路设计的细节，分别介绍各个部分的电路情况。3.2控制电路设计3.2.1控制系统介绍51系列单片机由于其强大的功能让它始终成为许多人选择它来当核心控制器的原因。本设计所采用的的控制系统是AT89C51，利用其便宜好用的特点，又能展现复杂的功能优势，作为本设计的核心大脑。AT89C51主要优点有：是一款必须通过编程器编程。具有12T模式，速度较慢。有两个16位定时器[4]。工作电压是5.25v~4.75v。程序空间是4K，虽然是老式的单片机，但是对于本设计来说足够了。图3-1单片机原理图3.2.2控制系统核心电路本设计以AT89C51作为核心控制器，如图3-2所示，核心电路有左上角的复位电路，左下角的时钟晶振电路组成。复位电路有手动按键按下周之后是高电平，然后接通到上电自复位，一个10k的电阻加上一个10μF的电容组成了一个上电自复位。左下角是由一个时钟晶振两个磁片所构成的时钟晶振电路。图3-2单片机核心电路时钟晶振电路的作用是单片机在工作过程中为系统提供基本的时钟信号。晶振，在PCB板上看上去很不明显，但是在数字电路里，晶振就是整个电路的核心位置，晶振电路设计的好坏，会影响到整个系统的稳定性。所以，一定要在研究电路前好好了解晶振，选择好系统使用晶振，对数字电路来说是决定成败的一步。在晶振的控制下，所有工作指令都要通过它。所以每一条指令就是血管，晶振就是每根血管都要流过的地方。在单片机原理课程组，我们知道按键主要分为两种，一种是独立按键，另一种是矩阵键盘。因为51单片机的IO口必须是准双向口，要先将IO口置1，才可以使IO输入口具备功能置1，将按键按下，IO口的电平会被拉低，即被置0。按键按下时由于力的原因，会产生一个抖动的过程。由于单片机检测

IO口速度非常快。所以当单片机需延时一会才能再检测IO是否为0，如果仍为0就确认该按钮被按下。IO口里面有上拉电阻，所以当松开按钮时，IO口又被拉高。在本设计中由于按键数目非常少，而且安监控能较为简单，所以采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，图3-3为本设计的按键电路图。复位按键手动按下之后变为高电平，通过一个10k的电阻和一个10μF的电容组成了一个上电自复位。因为单片机属于小型处理器，这些小型处理器都是采用数字电路芯片，这些数字电路芯片是需要时钟信号的出发才可以工作的。从一开始给整个系统供电到时钟电路正常起振是需要一段时间的。上电复位是所有处理器都必须要有的一个环节，如果缺少了这个环节，整个系统会非常容易出错，还找不出来，导致其他软件和各部分都对了的情况下，这个没法做。图3-3按键电路图3.2.4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，而LCD1602液晶显示器是点阵式的液晶屏，在左边VCC在调节背光亮度的是10k可调电阻，LCD1602下方的八个引脚直接和单片机的P0口相连接。LCD1602是一种广泛使用的字符型液晶显示模块。如图所示，整个显示电路是由LCD和可调电阻，VCC、电容元器件和其他结构件组成。图3-4液晶显示电路3.2.5DC/DC变换电路DC/DC电路就是升压电路，意思就是将太阳能电池板中转换出来的DC直流电源，通过DC/DC转换器，变为交流电源使用。由于产生了交流电源，所以本设计可以较好地升压或者降压，来给不同需求的充电设备进行充电。在升压电路中还要设置保护电路，来保护电池不会过充而导致损坏，还能起到保护电流的作用。DC-DC主要有：boost（升压）、buck（降压）、Boost/buck（升/降压）和反相结构[5]，具有高效率、高输出电流、低静态电流、输入电压范围较宽等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。开关电源利用对输入电压进行脉冲调制可实现自动稳压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[6]。本文所采用的直流开关变换器的调制方式是脉冲宽度调节模式（PWM）[7]。PWM重载时效率高，噪声低且比PFM易实现，是主流应用。图3-5升压模块电路电压电流A/D采集电路ADC0832模数转换芯片是一个通道型的芯片。NS公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机链接，功耗低，性能借个比高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用[8]。A/D转换器是数字化测量和显示仪表的重要组成部分，转换器的转换速度、精度和分辨率都非常直接的影响着测量结果和显示的质量参数。在硬件电路设计过程中在，研究者要清楚单片机与ADC0832芯片各个引脚的连接，以及它们之间的信号传输。在进行电路设计之前，要多看ADC0832芯片的各个引脚的功能以及工作时序、数据信号端口的设置等等，在软件开发过程中，写程序的时候尤其严格按照程序图来。图3-6ADC0832内部结构及管脚图ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图6.21所示。各引脚说明如下：CS片选端，低电平有效CH0,CH1两路模拟信号输入端D1两路模拟输入选择输入端DO模数转换结果串行输出端CLK串行时钟输入端Vcc/REF正电源和基准电压输入端GND电源地需要注意的ADC0832芯片的DO和DIO是连接在一起的，组成了一个引脚。这个模块主要主要是采集升压过后充电口的升压数据，并做出实时动态显示。3.2.7太阳能接口充电电路太阳能接到TP4056电池充电管理芯片，给锂电池进行充电，锂电池充电之后通过升压模块，给整个系统进行放电。TP4056是一款线性充电器，TP4056主要是配合USB电源和适配器的动作。由于内部的特殊构造，TP4056具有防止电量过充的功能，可简化电路，不需要加其他的元器件进来。由于有了TP4056，可以使系统的充电电压锁定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电压到达一定值时，TP4056就会自动停止充电，防止手机电池在不停的充电，这样会使手机电池发烫，加速电池的损坏速度，同时，电池发热是一件很危险的事情。电池爆炸事件前几年还频频发生，造成的后果都非常严重，所以防过充功能在太阳能充电设计方面是非常重要的一个环节。它相当于电闸中的熔断器，可以很好的守护手机电池的安全。3.3本章小结本章节主要是分别对时钟晶振电路、按键电路、液晶显示电路、DC/DC变换器电路、数据采集电路和太阳能充电电路进行分析。主要的电路流程是：按下开关电源，电路接通，给整个系统进行供电。太阳能充电板进行光电转化，通过升压电路调节电压，得到我们想要的电压，在液晶显示屏上显示出来。电路功能主要是将太阳能电池板的直流输入转换为5v、12v的直流电供日常设备使用，可以达到一个便携充电设备。本章分析了降压电路的工作原理和调节方式的选择，总结各个电路状态的特点，使得整体电路能达到我们的要求第四章软件设计4.1系统整体程序框架硬件电路完善后，没有软件的支持，发挥不出作用的，有了软件程序的加持，整个系统才能呈现出强大的功能。软件部分设计先大概概括一下整个系统的整体框架，首先是电路初始化启动，然后电池进行充电，选择输出并确定，由AT89C51采集计算输出PWM信号，由AD数据采集模块进行定时采集数据，程序整体框架如图4-1所示。开始初始化电池充电开始初始化电池充电充电子程序电源子程序YesNo结束图4-1程序整体框架流程4.2电路启动初始化大部分电路都需要初始化启动，不然会导致很多数据的不准确或者是其他小问题。每次单片机通电工作时，单片机都会进行商店复位的操作。复位完成后，会产生许多未知的数据在寄存器内，而这些数据是运行人员所没有想到的，这样就会造成一系列不必要的麻烦。所以我们每次在单片机开始运行前，都要进行清0，使初始参数设定好，便于运行人员更好的掌控整个系统的流程以及记过符合预期。初图4-2初始化程序流程图4.3按键程序准备工作完成以后，先读I/O口[9]，按下键请求继续输出PWM信号。进入延时程序，这里的延时是为了去抖，所以不需要太过于精确的延时。等单片机处理后存入缓存。图4-3为按键子程序结构流程图。入口入口读I/O口处理后存入缓存延时Y返回N图4-3按键子程序结构流程图4.4数码管显示子程序数码管显示程序是在液晶显示器LCD1602的基础上写出来的，首先进行LCD1602的初始化。这里的液晶显示屏有两个轴，分别是x轴和y轴，y轴一般只有两个，而x轴有16个。在对单片机数码管显示电路进行编程之前，一定要先去了解数码管静态显示数字的功能介绍，虽然这个大二的时候在单片机原理的专业课上学过，随着时间的增长还有科学技术的推陈出新，我们更应该好好巩固和了解更多新知识。对于数码管，我们并不陌生，数码管就是由八块发光二极管组成。而这些发光二极管里面又分为共阴极和共阳极两种情况。如图4-4，就是数码管显示程序，一开始做了个粗略演示，后面进一步做精准演示1ms，后面就是LCD1602部分的设置。在接着往下就是LCD1602厂商的出厂规定程序。图4-4液晶显示程序4.5数据采集及模数转换程序数据采集主要由单片机控制ADC0832完成，同样是先初始化，进行清0处理，保障稳定，然后ADC0832进行数据处理，然后将电压的数据实时地显示在ADC0832的液晶显示屏上，做到将电压数据动态采集。最后储存处理结果。根据单片机串口传输的字节要求，传输的数据格式设置为十六进制，并且为了得到较准确的电压输出，将电压放大10倍（考虑到十六进制转换为带小数的十进制较复杂。比如处理：实际输出电压为3.5V，处理后的为35V，对应的十六进制为23）。程序流程如图4-4所示。入口入口初始化启动转换转换结束？处理存储返回NY图4-4数据采集转换流程图4.6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，表明电池已达到额定容量的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[4]。4.7电源子程序设计本设计太阳能充电器在不竟能给手机登其他电子产品充电，太阳能充电器内还有一块蓄电池，当唐洋你充电板没有给手机充电时，有阳光照射下，太阳能充电器进行光电转化的电流可以给蓄电池充电。等到阴雨天或者是没阳光照射到的地方，蓄电池便可以为手机或者其他充电器充电。4.8本章小结本章节主要是对设计部分的软件方面进行讲述，一开始先对软件设计整体框架进行了描述，在程序部分是分块来写的，结构非常清晰。一开始是头文件的定一部分，接着是变量定义部分。接下来是电压数据采集部分，所用到的元器件是一个十六位的ADC0832，接着对ADC0832引脚的定义。由于0832有CH0和CH1两个通道，然后在对0832进行调用。接着就是液晶显示模块的程序编写，先是粗略延时，后做定时器的精确延时大概1ms。然后是LCD1602的厂商出厂规定程序和初始化。最后对数据进行处理，将电压数据显示出来。接下来是主函数部分，一开始进行初始化液晶显示屏，然后将液晶显示屏清0，保证系统的稳定。ADC0832实时处理，将电压实时显示在液晶显示屏上，做到对数据的动态采集。程序程后做一个在程序部分详细地对各个部分中的芯片以及程序流程，还有程序的难点部分进行了描述，具体的程序部分会放在附录，里面。第五章调试与验证5.1系统环境系统的测试，我们使用的系统是KeiluVision4[10]，KeilC51是普通版本，只能适用于单片机，主要是基于8051系列单片机的开发环境。KeiluVision4拥有非常强大且复杂的功能，不仅能写入程序，还能将仿真、调试等功能都包含在里面。是一款非常值得我们学习和研究应用的一款软件，无论是新手还是从事机电行业多年的人都适合在这个软件上深入学习。5.2调试及调试结果我们最后会在KeilC51软件中对程序进行调试，然后对程序进行运行监测，待电脑运行监测完毕，看结果提示是否有错误信息，如果有，按照软件所指出的错误，根据提示改正，直到调试出来的程序没有问题。经过多次调试，结果符合预期。就可以开始焊接电路了，为了防止手法生疏，特地买了两块板回来备用着。焊接的顺序最好是先小后大，先从最小的元器件焊起，然后再焊接大个的元器件。当你的PCB板弄乱方向是，便要严格按照PCB板上缺口所指的方向，千万不可马虎大意。焊接时要认真仔细，防止虚焊。处理焊接上的小技巧，还有焊接所冒出来的烟不可多吸，自己在家焊接时没有学校的抽风系统，所以焊接一会要注意呼吸新鲜空气，切不可埋头苦焊一整天。焊接完要立刻洗手，洗干净了才可以吃东西，因为焊锡是有毒的。焊接好以后，尝试通