单片机的太阳能充电器设计
目录
一、引言 5
（一）本课题研究背景 5
（二）本课题研究主要内容 5
二、太阳能充电器的总体方案设计 5
（一）方案的选择 5
（二）系统总体设计方案 6
三、AT89C51单片机主控模块设计 7
（一）AT89C51单片机简介 7
（二）复位电路模块 8
（三）振荡电路模块 8
四、太阳能充电器的硬件设计 9
（一）太阳能电池板模块 9
（二）LM7805稳压模块 9
（三）按键指示电路 10
（四）数码管显示电路 11
（五）BUCK斩波电路 12
（六）电压电流的A/D采集 12
（七）控制系统原理图设计 13
五、系统软件设计 15
（一）系统主程序设计 15
（二）电路启动初始化设计 15
（三）按键采集流程图设计 16
（四）数码管显示子程序设计 17
（五）数据采集及模数转换程序设计 17
（六）充电子程序设计 18
（七）电源子程序设计 19
六、 结束语 20
致 谢 22
参考文献 23
附录 24
一、引言
（一）本课题研究背景
随着全球工业活动的日益加剧，地球上的能源正在一天天减少，并趋近枯竭的边缘。
石油、煤炭以及电力等传统能源在地球上的可以用量正在严重的濒临耗竭，能源短缺的问题成为限制每个国家发展的主要问题。对于全世界来说，找寻出一种新兴可替代能源是迫在眉睫的一个话题， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
这引起了全世界各个领域的广泛关注。而太阳能作为人类早就想用到的能源，近些年才被用科技手段开发出来，太阳能有着安全高效、清洁卫生并且永远都用不完的特点。伴随着科学技术的迅猛发展，光伏组价的生产技术和成本正在得到大幅度的降低，它的性能也在不断地得到完善，这为利用太阳能打好了最夯实的基础。
本课题研究主要内容
本文设计的太阳能充电器主要通过充电器外部的太阳能电池实现阳光和电能的转换工作，接着由内部的降压BUCK电路进行输出控制，由充电电路为充电器内的充电电池充电，以备后用。
本文设计的太阳能充电器和市面上较为流行的普通充电器相比，具有众多优点：
1.采用市电和太阳能两路供电，应变不同场合的应用；
2.具有控制作用，采用单片机作为主控核心，能够先给电池进行恒流充电再进行恒压充电，对电池起到极大地保护作用；
3.本充电器内部的电压电流检测部分采用ADC0809数模转换器完成，采样数据分辨率高，为控制系统提供了准确的信号输入和反馈；
4.具有数目管和LED显示功能，能够让用户方便地了解到充电器的充电状态；
5.本充电器在设计的时候还配备了按键输入功能，能够灵活地通过按键选择输出的电路，从而为不同类型的数码产品供电。
（三）设计任务
设计一款采用太阳能和市电两路供电的充电器并具备如下功能：
容量不低于6000mAH。
输出电压5V，输出电流1A。
具有太阳能和市电两路充电。
二、太阳能充电器的总体方案设计
（一）方案的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用51单片机作为控制核心，片外同样结合太阳能电池板模块、DC/DC型BUCK电路模块、AD模数转换模块、按键模块、数码管显示模块、晶振电路模块以及复位电路模块而构成，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述两个方案的分析，本次设计采用方案三作为太阳能充电器的最终设计方案，下图为本太阳能充电器的总体结构图，系统分为AT89C51单片机主控模块，太阳能电池板模块、DC/DC型BUCK电路模块、AD模数转换模块、按键模块、数码管显示模块、晶振电路模块以及复位电路模块。
系统总体设计方案
由于51单片机是一种较低成本并且具有丰富的开发背景的单片机，在大多数的嵌入式领域得到了极为广泛的青睐，所以使得本太阳能充电器控制系统能够以较低地成本得到实现。下图中的结构框图为本设计的总体结构框图，其运行步骤为：首先通过系统上的太阳能电池板实现光能和电能的高效转换，接着AT89C51单片机通过模拟方式输出PWM波控制BUCK电路模块中的开关管的开关频率来BUCK电路输出电流和电压的变化，按键为系统的输入部分，通过数码管和LED灯显示系统的运行状态，ADC0809模数转换模块要完成输出电流和电压的采集工作，主要作为一个反馈条路，为主控部分提供反馈信号，只有这样才能做到输出高质量的电流电压，如图2-1所示。
图2-1 系统结构框图
三、AT89C51单片机主控模块设计
（一）AT89C51单片机简介
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如图3-1所示。
图3-1 AT89C51单片机引脚图
AT89C51的主要特性：
能够和MCS-51相兼容
内部集成了一个容量高达4K字节的FLASH
内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性能
在本系统中，因为要使用到的按键输入很少，所以采用独立按键结构，按键模块的原理图如图4-2所示。
图4-2 按键模块原理图
考虑到本系统对IO管口的配置，由于将ADC0809模数转换模块已经接到了AT89C51单片机的P0口，P2口主要用来对ADC0809芯片发出控制信号实现采样控制，所以单片机的P0口只用于数据的接受，而不需要担任数据的发送工作。通过上文中对AT89C51单片机的管口分析可以知道，P0口用作输出功能的时候需要外接上拉电阻才能工作，在做输入用的时候不用接上拉电阻，这样的特点使得系统能够通过较少的硬件配置而实现。另外单片机的P3口需要担任串口数据传输的任务，所以综合分析，智能将案件模块接到单片机的P1口了。
一、引言 5
（一）本课题研究背景 5
（二）本课题研究主要内容 5
二、太阳能充电器的总体方案设计 5
（一）方案的选择 5
（二）系统总体设计方案 6
三、AT89C51单片机主控模块设计 7
（一）AT89C51单片机简介 7
（二）复位电路模块 8
（三）振荡电路模块 8
四、太阳能充电器的硬件设计 9
（一）太阳能电池板模块 9
（二）LM7805稳压模块 9
（三）按键指示电路 10
（四）数码管显示电路 11
（五）BUCK斩波电路 12
（六）电压电流的A/D采集 12
（七）控制系统原理图设计 13
五、系统软件设计 15
（一）系统主程序设计 15
（二）电路启动初始化设计 15
（三）按键采集流程图设计 16
（四）数码管显示子程序设计 17
（五）数据采集及模数转换程序设计 17
（六）充电子程序设计 18
（七）电源子程序设计 19
六、 结束语 20
致 谢 22
参考文献 23
附录 24
一、引言
（一）本课题研究背景
随着全球工业活动的日益加剧，地球上的能源正在一天天减少，并趋近枯竭的边缘。
石油、煤炭以及电力等传统能源在地球上的可以用量正在严重的濒临耗竭，能源短缺的问题成为限制每个国家发展的主要问题。对于全世界来说，找寻出一种新兴可替代能源是迫在眉睫的一个话题， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
这引起了全世界各个领域的广泛关注。而太阳能作为人类早就想用到的能源，近些年才被用科技手段开发出来，太阳能有着安全高效、清洁卫生并且永远都用不完的特点。伴随着科学技术的迅猛发展，光伏组价的生产技术和成本正在得到大幅度的降低，它的性能也在不断地得到完善，这为利用太阳能打好了最夯实的基础。
本课题研究主要内容
本文设计的太阳能充电器主要通过充电器外部的太阳能电池实现阳光和电能的转换工作，接着由内部的降压BUCK电路进行输出控制，由充电电路为充电器内的充电电池充电，以备后用。
本文设计的太阳能充电器和市面上较为流行的普通充电器相比，具有众多优点：
1.采用市电和太阳能两路供电，应变不同场合的应用；
2.具有控制作用，采用单片机作为主控核心，能够先给电池进行恒流充电再进行恒压充电，对电池起到极大地保护作用；
3.本充电器内部的电压电流检测部分采用ADC0809数模转换器完成，采样数据分辨率高，为控制系统提供了准确的信号输入和反馈；
4.具有数目管和LED显示功能，能够让用户方便地了解到充电器的充电状态；
5.本充电器在设计的时候还配备了按键输入功能，能够灵活地通过按键选择输出的电路，从而为不同类型的数码产品供电。
（三）设计任务
设计一款采用太阳能和市电两路供电的充电器并具备如下功能：
容量不低于6000mAH。
输出电压5V，输出电流1A。
具有太阳能和市电两路充电。
二、太阳能充电器的总体方案设计
（一）方案的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用51单片机作为控制核心，片外同样结合太阳能电池板模块、DC/DC型BUCK电路模块、AD模数转换模块、按键模块、数码管显示模块、晶振电路模块以及复位电路模块而构成，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述两个方案的分析，本次设计采用方案三作为太阳能充电器的最终设计方案，下图为本太阳能充电器的总体结构图，系统分为AT89C51单片机主控模块，太阳能电池板模块、DC/DC型BUCK电路模块、AD模数转换模块、按键模块、数码管显示模块、晶振电路模块以及复位电路模块。
系统总体设计方案
由于51单片机是一种较低成本并且具有丰富的开发背景的单片机，在大多数的嵌入式领域得到了极为广泛的青睐，所以使得本太阳能充电器控制系统能够以较低地成本得到实现。下图中的结构框图为本设计的总体结构框图，其运行步骤为：首先通过系统上的太阳能电池板实现光能和电能的高效转换，接着AT89C51单片机通过模拟方式输出PWM波控制BUCK电路模块中的开关管的开关频率来BUCK电路输出电流和电压的变化，按键为系统的输入部分，通过数码管和LED灯显示系统的运行状态，ADC0809模数转换模块要完成输出电流和电压的采集工作，主要作为一个反馈条路，为主控部分提供反馈信号，只有这样才能做到输出高质量的电流电压，如图2-1所示。
图2-1 系统结构框图
三、AT89C51单片机主控模块设计
（一）AT89C51单片机简介
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如图3-1所示。
图3-1 AT89C51单片机引脚图
AT89C51的主要特性：
能够和MCS-51相兼容
内部集成了一个容量高达4K字节的FLASH
内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性能
在本系统中，因为要使用到的按键输入很少，所以采用独立按键结构，按键模块的原理图如图4-2所示。
图4-2 按键模块原理图
考虑到本系统对IO管口的配置，由于将ADC0809模数转换模块已经接到了AT89C51单片机的P0口，P2口主要用来对ADC0809芯片发出控制信号实现采样控制，所以单片机的P0口只用于数据的接受，而不需要担任数据的发送工作。通过上文中对AT89C51单片机的管口分析可以知道，P0口用作输出功能的时候需要外接上拉电阻才能工作，在做输入用的时候不用接上拉电阻，这样的特点使得系统能够通过较少的硬件配置而实现。另外单片机的P3口需要担任串口数据传输的任务，所以综合分析，智能将案件模块接到单片机的P1口了。
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