基于单片机的太阳能充电器本科毕业设计

本科生毕业设计便携式太阳能充电器

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

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便携式太阳能充电器

摘要

16到20世纪，随着工业革命的兴起，科学技术的不断发展，人们对自然界中化石能源的索取速度越来越快、数量越来越多。与此同时，化石能源的燃烧对于自然界的生态环境造成了难以弥补的破坏。作为可再生能源，太阳能有着广阔的应用前景，可以成为移动设备供电的有吸引力的能源。当我们外出或旅游时，常常因为手机没电所带来的麻烦而苦恼，但又不能及时找到可以充电的场所，影响了手机的正常使用。为了解决这一问题，本毕业设计介绍一种便携式的太阳能手机充电器，利用单片机控制，实现对移动设备充放电的自由与智能控制。与常规的充电器相比，太阳能充电器必将因为便携式而得到长远的发展。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

关键词：能源；太阳能；电池；单片机；便携式

Portable Solar Charger based on

Microcontroller

Abstract

From 16 to 20 century, with the rise of industrial revolution and continuous development of science and technology, people demand a large quantity of fossil energy with increasing speed. At the same time, the burning of fossil energy has caused irreparable damage to the environment. As a renewable energy, solar energy enjoys broad application prospect. Solar power is attractive, because it supplies power for portable devices. When we go out or travel, we are often bothered by the failing power of cellphone. And we can’t find places to charge in time, which affects the normal use of mobile phone. In order to solve this problem, this thesis will introduce a type of portable solar mobile charger, using single-chip microcomputer so that the charge and discharge of mobile devices can be freely and intelligently controlled. Compared with the conventional charger, solar energy charger will definitly have a long-term development for its portable type.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。

Key words: energy;solar energy;battery;intelligent;portable鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

目录

1. 绪论..................................... 1籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

1.1 太阳能充电器的研究背景....................... 1預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

1.2 太阳能充电器的优点........................... 1渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

1.3 本课题研究的主要内容......................... 2铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

2. 硬件设计................................. 3擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

2.1 总体方案的设计............................... 3贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

2.2 太阳能光伏发电系统简介....................... 3坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

2.3 太阳能电池参数及选用标准..................... 4蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

2.4 51系列单片机处理器........................... 5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

2.5 稳压器件的选择............................... 6綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

2.6 电压电流的A/D采集........................... 7驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

2.7 ACS712的选用................................. 9猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

2.8 按键电路的选择及设计........................ 10锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

2.9 数码管显示电路的设计........................ 11構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

3. 软件设计................................ 13輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

3.1 系统整体程序框架............................ 13尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

3.2 电路初始化程序.............................. 14识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

3.3 键盘子程序.................................. 14凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

3.4 数码管显示子程序............................ 15恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

3.5 数据采集及模数转换程序...................... 16鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

3.6 充电子程序的设计............................ 16硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

3.7 电源子程序的设计............................ 17阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。参考文献................................... 19氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。结束语..................................... 20釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

致谢....................................... 21怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。附录一：主电路图.......................... 22谚辞調担鈧谄动禪泻類。附录二：汇编源程序........................ 23嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

1. 绪论

1.1 太阳能充电器的研究背景

人口的增长与能源的短缺之间的矛盾一直都是现代社会面临的难题，在一些发展中国家尤为突出，当然，对于我们中国这个人口最多的发展中国家尤为突出。一些能源专家认为，在众多可再生能源中，太阳能不但取之不尽，而且清洁安全，是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富，而且国家近年来在太阳能的研利用上投入了较多的精力，在未来的几十年里，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

太阳能的利用主要有两大方向，一是把太阳能转化为热能，另一个就是将太阳能转化为电能，其中重点是后者。理论上，只要需要电源的场合都可以用得到光伏发电技术，大到航天器，小到玩具。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为新疆西藏等一些无电地区生活生产提供电力；二是日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯等；三是并网发电。专家预测，到本世纪后期，太阳能发电将在世界电能结构中占据80%的位置。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

一段时间以来，太阳能一直被广泛地用于高新科技产业。然而随着光伏发电技术的成熟，太阳能的利用已经走进了千家万户。近段时间，人们正考虑把太阳能用于范围更宽广的消费电子应用。太阳能充电器便应运而生了。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

1.2 太阳能充电器的优点

便携式太阳能充电器相对于其他的能源，在便利性、节能、智能、安全方面，太阳能充电器与常规充电器相比，有以下优点：颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

（1）、适用于各种户外场合。当您在户外作业、旅游时,只需要把便携式太阳能充电器放置在一个有阳光的地方，即可以为手机等移动设备提供电源，从而保证与外界的信息畅通，是喜爱旅游、经常出差、野外作业的人士的不二选择；濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

（2）、能源的供应来自太阳能。不仅以绿色能源作为供应源，而且光

伏发电设备极为精炼，可靠稳定，安装维护简便；銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

（3）、拥有单片机充分的智能性。不仅具有完善的电压电流检测保护电路，并通过显示电路显示出电路状态，而且可以通过六个功能键灵活的选择电路的电压电流输出，可以为不同的电子产品提供电源；挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

（4）、使用方便。无论何时何地,您都可以极为方便的对您的移动设备进行充电。

当然，在太阳能充电器的能源采集的利用也存在分散、不稳定、效率低以及成本高的不利条件，但是，随着科技的发展以及人们理念问题的变化，太阳能的完美发展将呈现在我们面前。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。

1.3 本课题研究的主要内容

便携式太阳能充电器在阳光下，通过光能转换为电能并通过控制电路把光能产生的电能对移动电子产品进行充电。本毕业设计所研究的便携式太阳能充电器工作原理为：首先将太阳能转化为电能，之后经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。作为安全性的电池，目前聚合物锂电池的充电方式一般为恒流恒压充电：首先以稳定电流充电，当电池电压升高至一定值时，电路状态改为稳定电压充电，之后电流逐渐降低至零，充电完成。利用单片机进行智能控制，采用模块式结构以及USB接口，通过对输出电流电压的调节，可对手机等电子产品进行充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。

2. 硬件设计

2.1 总体方案的设计

考虑整体因素，一方面太阳光因时间问题参数变化较大，另一方面太阳能电池在使用时内阻高，导致输出电压不稳定和输出电流较小等问题。因此，需要一个能起到稳定电压电流的元件作为充电电路的中介—7805。如今的电子产品的研发和生产已经进入了智能化时代，理所当然的，本设计的便携式移动太阳能充电器也要做到智能化。本设计中将采用AT89C51单片机做为充电电路的控制器，从而实现充电过程的智能化。并由ADC0809实现数据的采集及转换，由AT89C51单片机进行处理，实现电路的智能输出与控制。而且，在电路中加入按键以及显示电路，将电路的整体性能提升到一个较高的等级。图2-1为系统设计总体方案示意图。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。

图2-1 系统设计总体方案示意图

2.2 太阳能光伏发电系统简介

太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能的发电形式。在太阳的光照下，单元太阳能电池组件能产生一定的电动势，通过单元组件的串并联

ADC0809

DC/DC 变换

显示

按键

89C51

太阳能电池板

移动设备电池

7805稳压中介

构成太阳能电池方阵，以达到系统输入电压的要求。通过智能控制器对移动设备进行直接充电或者对蓄电池进行充电以备不时之需。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。

目前，太阳能光伏发电技术的应用已从军事、航天等高新科技领域走进平民百姓的视野。而且在西藏等地区对于电能的传输较内地更为麻烦，对于太阳能的采集有更高的优势，因此能够得到更好的应用。从长远的目光来看，随着太阳能电池制造技术的发展以及光伏发电装置性能的不断完善，必将为人类大规模地利用太阳能提供广阔的市场，太阳能的利用也一定会占据越来越重要的地位。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。

2.3 太阳能电池参数及选用标准

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；

（2）无机盐多元化合物为材料的太阳能电池，如砷化镓III-V，硫化镉，铜铟硒等；

（3）功能高分子材料（有机半导体）太阳能阳能电池；

（4）纳米晶太阳能电池。

在此设计中，我们采用的是硅太阳能电池。表2-1为硅太阳能电池分类与简介：

表2-1 硅太阳能电池分类与简介

电池类型实验室转换效率生产转换效率性能

单晶硅太阳能电池24.7% 15% 效率高于非晶硅薄

膜电池

多晶硅薄膜太阳能电

池18% 10%

效率高于非晶硅薄

膜电池

非晶硅薄膜太阳能电

池15% 8%

成本低重量轻，稳定

性不高，转换效率较

高

太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，其功能是将太阳光的能量转化为电能以满足人们的各项要求。该设计采用模块组合，将太阳能板进行串、并联以达到具有一定要求的输出电流和输出电压的一组光伏电池。考虑市面上各种移动设备的需求不等，采用八块相同参数太阳能电池板进行串、并联，所选用的太阳能电池板技术参数指标如表2-2所示：骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。

表2-2 太阳能电池板技术参数指标

项目参数实测max

尺寸120mm×45mm

峰值电压6V 10.8V

峰值电流100mA 450mA

标称功率0.6W 5W

实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。

2.4 51系列单片机处理器

51系列单片机作为当今使用最为广泛的处理器具有明显的优势，综合各方面因素，本设计采用采用51系列单片机AT89C51。图2-2为AT89C51的引脚排列图。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。

图2-2 单片机引脚排列

本设计中单片机的主要任务是通过计算，对电池板最大输出功率进行寻找以及确定充电电池的充电状态。因此所要做的工作有两个，一是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电压和电流，二是将采集到的数据经过分析处理后，生成PWM脉宽调制信号并与预设置的信号进行对比，以此控制开关管的导通与关断用来调节脉宽的增大获减小，从而实现智能控制输出电压以及电流的大小。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。

单片机最大的好处是可以重复使用以及修改电路工作状态方便，而且简化了硬件电路设计。

2.5 稳压器件的选择

在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，性能稳定，使用方便等优点，因而得到广泛应用。由于本电路设计需要5V的输出电压，故选择三端稳压器7805.栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。

7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供5V的直流输出电压，内置电源保护电路。当使用外围器件时，可以提供不同的输出电压和电流。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。

图2-3 三端稳压集成电路7805的引脚及封装图

单片机电源电路的设计以三端集成稳压器7805为核心，属于串联稳压电路，图2-3是三端稳压集成电路7805的引脚及封装图。7805具有输入电压范围宽、工作电流大、输出精度高、工作及其稳定以及外围电路简单等特点，即使太阳能电池电压有较大的波动，也能稳定的输出5V电压，从而为整个电路的正常运行提供了保障。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。

2.6 电压电流的A/D采集

电路中设计了多功能电压电流输出，并且配带显示器，故应在电路中加入数模转换元件。一方面需要对数据采集以调节合适的输出电压和电流，另一方面进行完整的电压电流输出显示。ADC0809是一个比较具有代表性的数模转换元件，在现实生活生产中使用较为广泛。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。由于在Proteus中ADC0809没有仿真模块，故不能使用ADC0809进行仿真，所以一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，但在实际工业生产时采用ADC0809进行A/D 转换。故在此设计中选择ADC0808进行仿真。图2-4为ADC0808的引脚图。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。

图2-4 ADC0808的引脚结构ADC0808各脚功能如下：

IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

GND：地。

VREF（+）：参考电压正端。

VREF（-）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。

EOC：转换结束信号输出引脚胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。

OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。

A、B、C：地址输入线。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。

通道选择表如下表所示。

表2-3 通道选择表

C B A 选择的通道

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

0 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

在设计中，START和EOC两个信号的作用是启动A/D转换。ADC0808转换完成的数据发送至AT89C51的P2口，然后由AT89C51进行处理以便电路的各项参数进行调节。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。

2.7 ACS712的选用

在大多数的电子产品电路中，直交流的电流精准测量一直是个难题，为此各类测量元件蜂拥而出。设计初期，本人选择的是MAX471测量元件，由于在使用的仿真软件Proteus中没有元件模板，而且进行封装的话，各项参数不好设置，故使用另外一个测量元件ACS712，而且ACS712可以为大多数情况下的直交流测量提供一个很好的解决方案。图2-5为ACS712的引脚图。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。

图2-5 ACS712引脚图

如图2-5为ACS712引脚图，ACS712具有以下优点：

（1）、封装轻便，在各种电路上使用方便。可以应用在电动机控制等电路上；

（2）、具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，在电路的应用中便于控制盒检测；

（3）、具有较低的功率损耗（内电阻一般情况下为1.2mΩ）；

（4）、接线端与传感器引脚之间电气绝缘。适用于一些对电气绝缘要求较高的设备。

在本设计中，使用ACS712来检测充电电流，通过D/C转换通道精确测出充电电流，完成预充电到正常充电再到浮充的全自动智能充电过程。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。

2.8 按键电路的选择及设计

由于本电路设计实现功能较多，故在电路中加入了六个按键，分别实现电路的输出功能选择键（为移动设备充电和作为直流电源）、数字加减键、确定键和过电流保护指示灯功能，在本电路中，将按键接在P1口。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。

图2-6 按键接线图

在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：

（1）、独立按键：每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上；

（2）、矩阵编码键盘：通过行列交叉按键编码进行识别。

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2-6为本设计的按键接线图。由P0口的硬件构成可知，如果P0口做输出的话则需要接上拉电阻，之后再与按键连接起来。在实际工作中还需考虑按键的抖动问题，所以在电路的软件编程中按键部分必须加入延时程序以保证电路的准确性。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。

2.9 数码管显示电路的设计

综合各种因素，本设计采用LED数码管静态显示电路,每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形代码发送到接口电路，直到有新的数据要显示时,再发送新的字形码可以了。这

样可以是cpu的负荷减少到最小。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。