基于单片机的太阳能充电器的设计毕业论文.doc
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1、 毕 业 设 计 论 文题 目: 基于单片机的太阳能充电器的设计 学 院: 电气与信息工程 专 业: 自动化 姓 名: 杜XX 学 号: 0924092XX 指导老师: 李老师 完成时间: 2013年06月03日 河南城建学院本科毕业设计(论文)摘要摘 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取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点,因此有着广阔的应用前景,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
2、这样的经历,外出或旅游时电池突然没电了,因不能及时找到或没有220V市电而无法给手机充电,影响了手机的正常使用。为了解决这一问题,本课程设计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。关键词:太阳能电池板,单片机, BUCK变换器,光伏发电技术III河南城建学院本科毕业设计(论文)Abstract AbstractIncreasing depletion of fossil energy, its emp
3、hasis on environmental protection are also rising, look for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable energy it has an inexhaustible and clean and safe and so on, so have a broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more at
4、tention, with the PV module continue to lower prices and photovoltaic technology, solar PV systems will gradually supplement the energy from the current transition to alternative energy. People who use mobile phones have had the experience, go out or travel no electricity when the battery suddenly,
5、and because they can not be found or does not timely 220V electricity and not to charge their cell phones affect the normal use of mobile phones. To solve this problem, the course design introduces a multi-purpose solar charger, use MCU control, will transform solar energy through the circuit to sta
6、bilize the direct current to charge their cell phones and can charge the battery automatically stops charging after, but also as a general DC power use, so get rid of dependence on electricity obtained the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has a clear ad
7、vantage.Key words: solar energybattery, single chip, BUCK converte,solar energy河南城建学院本科毕业设计(论文)目录 目录摘 要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 本课题的研究背景及现状11.2 课题设计思想11.3 论文结构22 基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计32.1 设计方案一32.2 设计方案二42.3基于单片机的太阳能充电器的设计的总体设计方案53 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计63.1太阳能电池板的选用63.2 LM7805稳压电路73.3 充电主电路的设计83.4 信号采集
8、处理电路93.5 单片机选型93.6 单片机stc89c52介绍103.7 单片机电路123.7.1单片机复位电路123.7.2 单片机时钟电路123.7.3 单片机A/D转换电路133.7.4按键电路143.7.5数码管显示电路153.8锂电池充电原理164 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计174.1 设计思想174.2 基于单片机的太阳能充电器系统的整体程序设计184.3 基于单片机的太阳能充电器系统的子程序的设计194.3.1电路启动初始化194.3.2按键采集程序204.3.3数据采集及模数转换程序214.3.4数码管显示子程序224.3.5 充电子程序的设计224.3.6电源子
9、程序的设计245 仿真与调试255.1 充电电路仿真255.2 电流采样处理电路仿真255.3 系统做直流电源使用时电路仿真图265.4 系统做充电器使用时仿真结果276 总结与展望29参考文献30致谢31附录A 整体电路图32附录B 整体程序33河南城建学院本科毕业设计(论文)绪论1 绪论1.1 本课题的研究背景及现状当电力、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,
10、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。当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。光伏发电系统在超过100个国家得到应用。2009年,世界光伏新增装机容量达到790万千瓦,同比增长43.6%,其中欧洲市场占80.1%,北美占7.0%,亚澳占9.8%,其他占3.1%。德国以380万千瓦的新增装机容量位居榜首,占世界光伏市场的48.1%,其次为意大利、西班牙、日本、美国。截至2009年底,世界光伏装机容量累计达到2680万千瓦。并网光伏发电市场发展最快,占总光伏应用市场的80%以上,并逐步发挥着替代能源的作用,受到全世界的关注。目前,太阳能电池的应用已
11、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,尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用,以节省造价很贵的输电线路。从长远来看,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,光伏系统并网发电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。太阳能手机充电器简单,模块小,携带方便,市场价格便宜,能帮助用户在外出旅游远离市电情况下给手机及时充电。太阳能手机充电器使用起来又节省能源,环保无污染,有广阔的发展前景,因此提出本课题。1.2 课题设计思想本设计课题是基
12、于单片机的太阳能充电器的设计。首先,由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动,太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些,太阳光强度弱时,太阳能电池板输出电压会偏低,为了从太阳能电池板输出得到稳定电压,本设计采用稳压管LM7805,LM7805输出口可以输出稳定的5V电压,以来可以供单片机和其他用电芯片使用,二来可以作为下一步电压变换电路的电源。其次考虑到电池充电过程电压要求会有变化,不能简单输出稳定的直流电,因此提出采用DC/DC变换电路,通过控制开关管通断时间占空比来调节输出电压。单片机是控制中心,控制信号的产生由外部电路状态产生,对于充电过程来说,根据外部充电电压和充电电流与理想充电过程的
13、比较发出信号,调节占空比。为此设计单片机单路,电压检测电路和电流检测电路,同时为了方便使用者知道系统处于的状态,本设计设置显示模块和指示灯显示。1.3 论文结构 本论文第一部分绪论部分介绍了太阳能电池及太阳能光伏发电系统的发展现状及前景,本课题研究的背景,并提出了设计思想;第二部分讨论了系统总体设计方案;第三部分对系统的硬件电路进行了设计;第四部分对系统软件部分进行了设计;第五部分进行仿真分析;第六部分,分析了本次设计的结果及展望。38河南城建学院本科毕业设计(论文) 基于单片机的太阳能充电器系统总体设计方案设计2 基于单片机的太阳能充电器系统总体方案设计2.1 设计方案一 提出方案一方框图如
14、图2.1DC/DC变换单片机按键显示手机电池太阳能电池板图2.1方案一方框图该方案采用DC/DC变换电路,将太阳能电池板输出的电压变换为需要的电压值给手机电池充电,同时单片机可以控制电路变换,还可采用按键设定某些值,有显示部分,可以设定为显示电路状态。由上图方框图可以看出,该方案能够控制DC/DC变换电路,有显示模块,但是该方案没有对外部电路的实时检测,不能根据外部电路情况实时控制DC/DC变换电路。2.2 设计方案二由第一种方案的缺点,为此提出第二种方案,方案二方框图如下图2.2所示。DC/DC变换单片机按键手机电池太阳能电池板PWM芯片模数转换显示图2.2 方案二方框图从上图方框图可以看出
15、方案二弥补了方案一的缺点,设计了对电路状态的检测,并通过模数转换模块将转化的信号送给单片机。单片机可控制PWM芯片生成PWM波实行对变换电路的控制,同时有按键模块和显示模块,但是该设计方案将生成PWM部分用芯片代替,这样使得硬件电路部分复杂,不如用软件实现可以使硬件电路变得简单,也充分利用单片机的功能。2.3基于单片机的太阳能充电器的设计的总体设计方案在方案一和方案二的基础上提出本次设计的整体设计方案如下图2.3所示。DC/DC变换单片机按键手机电池太阳能电池板模数转换显示图2.3 整体设计方案框图 该方案综合方案一和方案二的优点,既具备对充电电路的检测,单片机可根据对检测来的信号处理后的情况
16、的分析进行对充电电路的控制,按键电路可以选择系统可以实现的功能,显示电路可以显示电路的工作状态,控制信号PWM用程序来实现,使硬件电路变得简单,节省资源,提高系统性价比。河南城建学院本科毕业设计(论文) 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计3 基于单片机的太阳能充电器系统的硬件设计3.1太阳能电池板的选用硅太阳能电池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24.7%,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%,
17、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、
18、12V、18V、32V、48V等,更大的用于太阳能电厂发电项目。太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础,是该充电器的首要部分,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、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95mm95mm,额定输出电压5.5V,电流140180mA,标称功率1W,
19、用两片该电池板串联可以得到11V电压,可以作为LM7805的输入。3.2 LM7805稳压电路由于太阳能电池板电压会随太阳光强度变化而波动,太阳光强时太阳能电池板电压会偏高一些,太阳光强度弱时,太阳能电池板输出电压会偏低,为了从太阳能电池板输出得到稳定电压,本设计采用稳压管LM7805,LM7805输出口可以输出稳定的5V电压,保持输出电压的稳定。LM7805的典型应用电路如下图3.1所示。图3.1 LM7805稳压电路图中C4、C7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,;在输出端接电容C5、C6是用于消除电路高频噪声,改善负载的瞬态响应。一般电容的耐压应高于电源的
20、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,输出精度高且工作及其稳定,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,从而是单片机等控制电路正常工作,且成本低。3.3 充电主电路的设计 充电主电路如下图3.2所示,充电主电路采用DC/DC变换电路。图3.2电池充电电路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。斩波器的工作方式有两种,
21、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。主电路核心由三极管去、电感L1及续流二极管D1构成的典型的BUCK降压DC/DC变换电路;图中Q2的作用是放大PWM信号,驱动开关管Q1。3.4 信号采集处理电路实时检测电池电压和充电电流是保证锂电池安全充电的前提,电流取样处理电路如图3.3所示图3.3电流取样处理电路电池电压直接接到单片机A/D接口,经A/D转换和单片机运算处理得到测量电压值。本设计充电电流流经0.1取样电阻,得到电压采用运算放大器LM358,把电流取样电压放大21倍后送到单片机A/D接口进行
22、采集。电压检测可将输出口电压直接送到A/D输入接口,经模数转换后给单片机进行处理。3.5 单片机选型 对于单片机型号,最熟悉的就是C51系列,其中包括AT89C51,AT89C52在AT89C51的基础上有些改进,但是听有经验的同学说以型号AT开头的的单片机在烧写程序时不容易进行烧写,于是考虑采用以型号是以STC为开头的单片机,通过查资料了解发现STC89C52在功能上与AT89C52相似,为此,本设计单片机采用STC89C52型号单片机。3.6 单片机STC89C52介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC
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