太阳能智能充电器的设计与制作
摘 要随着化石能源的日趋减少，人们也更加关注与重视环境保护问题，找到能替代化石能源的清洁可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，它具有清洁、安全等诸多优点，因此它具有广阔的发展前景。光伏技术因此也越来越成为研究的重点。目前，太阳能发电技术正在不断的发展，太阳能发电系统目前正作为补充能源，但不久的将来会成为替代能源。当我们外出时，经常会因为手机、相机等电子产品没电而烦恼，因此会遇到无法通讯、无法拍照等各种问题。针对该问题，本毕业设计设计了一种便携式智能太阳能充电器，使用单片机对充电进行控制，使被充电设备的安全得到保证。与普通的充电器相比，太阳能充电器必以其方便清洁的特点而长远发展。摘 要 2
目 录
第一章 绪论 6
1.1 太阳能充电器的研究背景 6
1.2太阳能充电器的优点 6
1.3课题研究内容 6
第二章 基于单片机的太阳能充电器的硬件设计 8
2.1总体设计方案 8
2.2太阳能电池板的选型 8
2.3单片机的选型 9
2.4稳压电路的设计 11
2.5充电主电路的设计 11
2.6信号采集处理电路 12
2.8单片机电路 12
2.8.1单片机复位电路 12
2.8.2 单片机时钟电路 13
2.8.3 单片机A/D转换电路 13
2.8.4按键电路 15
2.8.5数码管显示电路 16
第三章 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计 17
3.1设计思想 17
3.2 基于单片机的太阳能充电器系统的整体程序设计 17
3.3 基于单片机的太阳能充电器系统的子程序的设计 18
3.3.1电路启动初始化 18
3.3.2按键采集程序 19
3.3.3数据采集及模数转换程序 20
3.3.4数码管显示子程序 21
3.3.5 充电子程序的设计 21
3.3.6电源子程序的设计 22
第四章 最大功率跟踪的控制 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.1太阳能电池的特点 24
4.1.1太阳能电池伏安特性 24
4.1.2太阳能电池板光照输出特性 25
4.2本设计中MPPT控制的实现 26
4.3最大功率点的计算 27
5.1 充电电路仿真 29
5.2 电流采样处理电路仿真 29
5.3 系统充电仿真结果 29
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
附录A 34
第一章 绪论
1.1 太阳能充电器的研究背景
人口增加与能源匮乏的矛盾已经成为现代社会发展面临的巨大难题，尤其是在一些发展中国家。中国作为世界上人口最多的国家面临的问题最为突出。众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭，并且清洁安全，是所有可再生能源中理想的的能源。我国的太阳能资源较为充足，因此我国近年来投入了较多的人力物力研究开发太阳能，在接下来的几十年内，太阳能发电有巨大的发展前景。
太阳能主要用于两大方向，一是太阳能转化为热能，另一个是太阳能转化为电能，目前最主要的是后者。理论上来讲，只要需要电能的地方都可使用光伏发电技术，大到航空，小到玩具。现在光伏产品主要用于三个方面：一是为没有电能的区域提供电能，主要是为西藏，新疆等地区；二是日用电子产品，如太阳能路灯等；三是并网发电。有关专家预计到21世纪末，太阳能发电将在世界电能结构中占80%的比例。
近年来，太阳能已被广泛应用于高新科技产业。随着光伏发电技术的成熟，光伏技术已家喻户晓并且已经走进了千家万户。目前，人们正考虑把太阳能用于市场前景更广阔的电子产品，太阳能充电器便由此应运而生了。
1.2太阳能充电器的优点
太阳能充电器与常规充电器相比，在方便、节能、安全等方面有如下优点：
适用于所有户外场合。当您在户外作业、旅游时，只需要把太阳能充电器放置在一个阳光充足的地方，就能为手机、相机等移动设备充电，从而保证了与外界的通讯，是出差、旅行人士出行的必备神器；
（2）太阳能提供能源。不仅以环保绿色可再生的太阳能作为供电源，而且可靠性高，性能稳定，便于安装与维护；
（3）单片机的智能性。它不仅具有完整的电压、电流检测与保护电路，而且具有显示电路能观察电路的工作状态，可以通过六个功能键控制电路的电压电流输出，可以为各种电子产品充电；
（4）使用方便。无论你在何时何地都可以随时随地的对你的电子产品进行充电。
当然，在太阳能充电器的光能采集的过程中也存在分散、效率低以及制作成本高的缺点。但是，随着科学技术的不断提高，太阳能的完美前景将在不久的将来展现在我们的面前。
1.3课题研究内容
本课题的任务是设计一种智能太阳能充电器，使用太阳能电池板，将收集到的太阳能转化为电能存储到蓄电池内，再使用单片机输出PWM脉宽调制电压至充电电路，充电电路对其进行控制调节，然后输出到STC12C5A60S2单片机的A/D采样口进行电压采样，最后通过数码管显示电路显示出电压的大小，从而智能化的控制电压电流的输出。整个系统由DC/DC 变换电路、A/D采样电路、处理器模块、PWM 脉宽调制控制器、显示电路和蓄电池组成。输出电压为45V，工作电流的大小与太阳光的强弱有关，正常工作约为40mA，充电时的电流约85mA。所以本设计选用了2块尺寸为140mm×130mm，峰值电压5V，峰值电流1A，标称功率5W的折叠式单晶硅太阳能电池板。
基于单片机的太阳能充电器的硬件设计
2.1总体设计方案
该系统使用太阳能电池板，将收集到的太阳能转化为电能存储到蓄电池内，再使用单片机输出PWM脉宽调制电压至充电电路，充电电路对其进行控制调节，然后输出到STC12C5A60S2单片机的A/D采样口进行电压采样，最后通过数码管显示电路显示出电压的大小，从而智能化的控制电压电流的输出。整个系统由DC/DC 变换电路、A/D采样电路、处理器模块、PWM 脉宽调制控制器、数码管显示电路和蓄电池组成。系统整体设计图如图21所示。
图21 系统整体设计图
2.2太阳能电池板的选型
目前市场上最常见的硅太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池三种类型。单晶硅太阳能电池是目前研究发展最成熟的一种太阳能电池，它的转换率与其他太阳能电池相比要高。非晶硅薄膜太阳能电池它因价格低、重量小、转换率高而被大家普遍认可，同时它更是工厂大规模生产的产品之一。非晶硅薄膜太阳能电池在市场里有着巨大的商业潜力。但是由于非晶硅薄膜太阳能电池制作所需的硅材料很少，使它的光点转换效率常常发生衰减的现象，因而稳定性相比较其他两种太阳能电池较差，在我们的生活中常常用于复印机等弱光电源，对于我们的生活有很大的帮助。
现实中我们通常使用单晶125大倒角的硅太阳能电池，此类型的太阳能电池的规格是125mm*125mm，它的最大功率为，一般情况下它的工作电压为，工作电流为，开路电压为，短路电流为。太阳能电池的规模大小与它的电压需求大小有很大的联系，我们可以按照我们对电压的需求大小来确定太阳能电池的个数，同时太阳能电池的光电转换效率也与其他因素有关，列如室外的光照强度、室外的温度、所应用的硅的种类以及所适用的工艺等。日常生活中我们常常见到有如下的太阳能电池电压规格3V、6V、9V、12V、18V等类型，而那些更高电压规格的则用于类似于发电厂发电的领域，物尽其用。
目 录
第一章 绪论 6
1.1 太阳能充电器的研究背景 6
1.2太阳能充电器的优点 6
1.3课题研究内容 6
第二章 基于单片机的太阳能充电器的硬件设计 8
2.1总体设计方案 8
2.2太阳能电池板的选型 8
2.3单片机的选型 9
2.4稳压电路的设计 11
2.5充电主电路的设计 11
2.6信号采集处理电路 12
2.8单片机电路 12
2.8.1单片机复位电路 12
2.8.2 单片机时钟电路 13
2.8.3 单片机A/D转换电路 13
2.8.4按键电路 15
2.8.5数码管显示电路 16
第三章 基于单片机的太阳能充电器系统的软件设计 17
3.1设计思想 17
3.2 基于单片机的太阳能充电器系统的整体程序设计 17
3.3 基于单片机的太阳能充电器系统的子程序的设计 18
3.3.1电路启动初始化 18
3.3.2按键采集程序 19
3.3.3数据采集及模数转换程序 20
3.3.4数码管显示子程序 21
3.3.5 充电子程序的设计 21
3.3.6电源子程序的设计 22
第四章 最大功率跟踪的控制 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
4.1太阳能电池的特点 24
4.1.1太阳能电池伏安特性 24
4.1.2太阳能电池板光照输出特性 25
4.2本设计中MPPT控制的实现 26
4.3最大功率点的计算 27
5.1 充电电路仿真 29
5.2 电流采样处理电路仿真 29
5.3 系统充电仿真结果 29
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
附录A 34
第一章 绪论
1.1 太阳能充电器的研究背景
人口增加与能源匮乏的矛盾已经成为现代社会发展面临的巨大难题，尤其是在一些发展中国家。中国作为世界上人口最多的国家面临的问题最为突出。众所周知，太阳能取之不尽，用之不竭，并且清洁安全，是所有可再生能源中理想的的能源。我国的太阳能资源较为充足，因此我国近年来投入了较多的人力物力研究开发太阳能，在接下来的几十年内，太阳能发电有巨大的发展前景。
太阳能主要用于两大方向，一是太阳能转化为热能，另一个是太阳能转化为电能，目前最主要的是后者。理论上来讲，只要需要电能的地方都可使用光伏发电技术，大到航空，小到玩具。现在光伏产品主要用于三个方面：一是为没有电能的区域提供电能，主要是为西藏，新疆等地区；二是日用电子产品，如太阳能路灯等；三是并网发电。有关专家预计到21世纪末，太阳能发电将在世界电能结构中占80%的比例。
近年来，太阳能已被广泛应用于高新科技产业。随着光伏发电技术的成熟，光伏技术已家喻户晓并且已经走进了千家万户。目前，人们正考虑把太阳能用于市场前景更广阔的电子产品，太阳能充电器便由此应运而生了。
1.2太阳能充电器的优点
太阳能充电器与常规充电器相比，在方便、节能、安全等方面有如下优点：
适用于所有户外场合。当您在户外作业、旅游时，只需要把太阳能充电器放置在一个阳光充足的地方，就能为手机、相机等移动设备充电，从而保证了与外界的通讯，是出差、旅行人士出行的必备神器；
（2）太阳能提供能源。不仅以环保绿色可再生的太阳能作为供电源，而且可靠性高，性能稳定，便于安装与维护；
（3）单片机的智能性。它不仅具有完整的电压、电流检测与保护电路，而且具有显示电路能观察电路的工作状态，可以通过六个功能键控制电路的电压电流输出，可以为各种电子产品充电；
（4）使用方便。无论你在何时何地都可以随时随地的对你的电子产品进行充电。
当然，在太阳能充电器的光能采集的过程中也存在分散、效率低以及制作成本高的缺点。但是，随着科学技术的不断提高，太阳能的完美前景将在不久的将来展现在我们的面前。
1.3课题研究内容
本课题的任务是设计一种智能太阳能充电器，使用太阳能电池板，将收集到的太阳能转化为电能存储到蓄电池内，再使用单片机输出PWM脉宽调制电压至充电电路，充电电路对其进行控制调节，然后输出到STC12C5A60S2单片机的A/D采样口进行电压采样，最后通过数码管显示电路显示出电压的大小，从而智能化的控制电压电流的输出。整个系统由DC/DC 变换电路、A/D采样电路、处理器模块、PWM 脉宽调制控制器、显示电路和蓄电池组成。输出电压为45V，工作电流的大小与太阳光的强弱有关，正常工作约为40mA，充电时的电流约85mA。所以本设计选用了2块尺寸为140mm×130mm，峰值电压5V，峰值电流1A，标称功率5W的折叠式单晶硅太阳能电池板。
基于单片机的太阳能充电器的硬件设计
2.1总体设计方案
该系统使用太阳能电池板，将收集到的太阳能转化为电能存储到蓄电池内，再使用单片机输出PWM脉宽调制电压至充电电路，充电电路对其进行控制调节，然后输出到STC12C5A60S2单片机的A/D采样口进行电压采样，最后通过数码管显示电路显示出电压的大小，从而智能化的控制电压电流的输出。整个系统由DC/DC 变换电路、A/D采样电路、处理器模块、PWM 脉宽调制控制器、数码管显示电路和蓄电池组成。系统整体设计图如图21所示。
图21 系统整体设计图
2.2太阳能电池板的选型
目前市场上最常见的硅太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池三种类型。单晶硅太阳能电池是目前研究发展最成熟的一种太阳能电池，它的转换率与其他太阳能电池相比要高。非晶硅薄膜太阳能电池它因价格低、重量小、转换率高而被大家普遍认可，同时它更是工厂大规模生产的产品之一。非晶硅薄膜太阳能电池在市场里有着巨大的商业潜力。但是由于非晶硅薄膜太阳能电池制作所需的硅材料很少，使它的光点转换效率常常发生衰减的现象，因而稳定性相比较其他两种太阳能电池较差，在我们的生活中常常用于复印机等弱光电源，对于我们的生活有很大的帮助。
现实中我们通常使用单晶125大倒角的硅太阳能电池，此类型的太阳能电池的规格是125mm*125mm，它的最大功率为，一般情况下它的工作电压为，工作电流为，开路电压为，短路电流为。太阳能电池的规模大小与它的电压需求大小有很大的联系，我们可以按照我们对电压的需求大小来确定太阳能电池的个数，同时太阳能电池的光电转换效率也与其他因素有关，列如室外的光照强度、室外的温度、所应用的硅的种类以及所适用的工艺等。日常生活中我们常常见到有如下的太阳能电池电压规格3V、6V、9V、12V、18V等类型，而那些更高电压规格的则用于类似于发电厂发电的领域，物尽其用。
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