本科毕业论文-太阳能手机充电器

电子与信息工程学院

本 科 毕 业 论 文

论文题目 便携式太阳能充电器的设计

学生姓名 黄祖勋 学 号 093521077 专 业 电气工程及其自动化 班 级 093523 指导教师 邓方雄

2013年5月

湖北科技学院学位论文原创性声明

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1 绪论 1 绪论

1.1 本课题研究背景

随着电力、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，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济发展的新动力。

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，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。 目前，太阳能电池的应用已从军事领域、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。而且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，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[1]。

1.2本课题研究目的与意义

使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这样的问题，本课题研究了一种太阳能充电器，它可以很好的解决上述问题，给你的生活带来很大的方便。既节约了能量，又使用方便，是居家旅行的必备品。

通过本课题的研究，除了对所学知识的进一步巩固外，还可以把理论与实践结合起来，把知识转变成生产力，创造使用价值，给人们的生活带来方便。

1.3 本课题研究的总体思路

本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。充电过程中采用LED灯、数码管指示，系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。

文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的

1

湖北科技学院学士学位论文 电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。

1.4 本课题研究的主要任务

结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于单片机控制的多功用太阳能手机充电器，设计的主要任务有：

硬件设计：电源模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，降压斩波电路模块设计，检测模块设计，A/D转换模块设计以及太阳能手机充电器电路原理图设计。

软件设计：电路启动初始化程序设计，按键采集程序设计，数码管显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。

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2 太阳能电池的研究和分析 2 太阳能电池的研究和分析

2.1 太阳能电池的原理

太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子——空穴对。这样，光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。

图2-1 掺入硼原子的硅晶体结构图（P型） 图2-2 掺入磷原子的硅晶体结构图（N型）

太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管

类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面（图2-3）两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。图2-1所示为P型区结构图，图2-2所示为N型区结构图。

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湖北科技学院学士学位论文 图2-3 半导体P型与N型交界面

另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率[6]。

2.2 太阳能电池的等效电路

光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-4表示的等效电路来考虑。

V

图2-4 理想状态的太阳能电池等效电路图

在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。太阳能

??qV?? I?IL?IO?exp??1? (2-1) ?nKT???? 当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压

V??kT?IL?ln??1 (2-2) ??q?IO? 其中I为电池单元输出电流；IL为PN结电流(A)；IO为二极管的反向饱和电流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(1.6×10-19K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.38×10J/K)；T是绝对温度(T=t+273K)；n为二极管指数。

4

-23

2 太阳能电池的研究和分析 但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSH来等效表示。此时的等效电路可根据图2-5来描述，其伏安特性可由（2-3）式给出。

图2-5 实际光伏电池等效电路

??q?V?RsI???V?RsI I?IL?IO?exp? (2-3) ?1???Rsh??nKT??此式叫做光伏电池的超越方程式。

2.3 太阳能电池板的输出特性及影响因素

光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。光伏电池的几个重要技术：

① 短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 ② 开路电压VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。

③ 最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 ④ 最大功率点电压(VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 ⑤ 最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率

⑥ 填充因子FF?Pm (2-4)

VOC?ISC⑦ 光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η，

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湖北科技学院学士学位论文 ???MPPT?PMPS

以上各个参数可以在图2-6中表示如下。

IISC IM PM VOVMVOC

图2-6 太阳能电池的I-V特性关系曲线

图2-6中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点IM，VM，从而求出最大输出功率：PM=IM×VM。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式（2-3）可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-6可表示太阳能电池的P-V曲线。

从图2-6可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，FF定义为式（2-4）。它表示最大输出功率的值所占的以VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。

2.3.1太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响

图2-7、图2-8分别是太阳能电池阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-7可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2-3)中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，

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2 太阳能电池的研究和分析 如图2-8中虚线与各实线的交点所示。

I(A)2.0S?1000W/mS?800W/mS?600W/m1.00.522P(W)100080021000W800W600W400W200W1.5S?400W/m2S?200W/m2600400200U?V?O100200300400500OU?V?100200300400500

图2-7 不同日照下的I-V关系曲线图 图2-8 不同日照下的P-V曲线图

2.3.2温度对光伏电池输出特性的影响

图2-9，图2-10分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-10中各实线的波峰的幅值变化。

I(A)2.0oS?1000/m250C25CooP(W)1000800600400200U(V)100S?1000/m21.51.00.50oC25oC50C200300400500600U(V)o0C100200300400500600

图2-9 不同温度下的I-V特性曲线 图2-10 不同温度下的P-V特性曲线

综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：

① 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；

② 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；

③ 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化[8]。

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湖北科技学院学士学位论文 2.4本系统所采用的光伏电池

太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，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125mm×63mm×3mm，峰值电压6V，峰值电流160mA，标称功率0.96W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，应采用2块相同参数电池板进行串联。电池板的理想输出电压最大值为12V,电流最大可达160mA，总标称功率为2W左右,但是根据现实的阳光照射情况，实际输出并没有这么大，随阳光照射的情况变化而变化。

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3 太阳能充电器硬件设计 3 太阳能充电器硬件设计

3.1 系统总体设计方案

DC/DC 变换 太阳能电池板 太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过度的充电会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控制系统，51系列单片机是当前使用最为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，是51系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。本系统将采用89C51作为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂的充电智能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。本系统总体设计方案如图3-1所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现PWM波控制开关管从而实现输出电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由ADC0809实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路的智能输出与控制。

3.2电源电路设计

3.2.1 LM7805芯片介绍

LM78××系列稳压器能提供多种固定的输出电压，应用范围广，内涵过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达1.5A，虽然是固定的稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联正电源稳压电路，输出电压为5V。

按键 AT89C51 显示 电路 ADC0809 图3-1 系统总体设计方案

手机电池 9

湖北科技学院学士学位论文 串联式稳压源实际上是由具有电压负反馈的直流放大器构成的。其电路框图如下图3-2所示：

图3-2 三端稳压器7805方框图与实物图 比较误差放大 Vs 取样 R2 输入 1 2 3 输出 Vi 调整功放电路 R1 VO 78×× 稳压过程如下：当输出电压v0 增高时取样电压vs也增高。vs与VR基准电压之差增大,误差比较管输出的倒相电压增大，使调整功率放大器输出电流减小，即调整功率放大器两端电压增大，从而v0输出电压下降，也就是说v0基本不增加，实现了稳压作用。

由以上可见串稳型稳压源调整功放两端有一定直流电压，由流过相当于负载电流的直流电流，所以调整功放电路消耗较大功率。这不仅使调整功放易发热损坏（如果不是调整功放电路过热，需选允许功耗大的器件）。而且效率很低，造成电能的浪费。所以这种稳压源适于需用较小电流（小于数百mA），输出电压较低（数十V以下）场合。这种电源使用较简便，对周围电路产生的干扰噪声较小。

3.2.2 LM7805应用电路

LM7805有三个引脚，1脚接输入电压，2脚接地，3脚接输出。 功能：输出稳定电压5V，输出电流接近1A。

用途：可以为需要提供5V直流电源的电路提供稳定工作电压。应用电路如图3-3所示。

图3-3 LM7805应用电路

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3 太阳能充电器硬件设计 注：

1）输入电压，即使是纹波电压中的低值点，都必须高于所需输出电压 2V 以上。 2）当稳压器远离电源滤波器时，要求用 Ci。 3）Co 可改善稳定性和瞬态响应。

图3-3是三端稳压集成电路LM7805的应用电路，三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态时，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。电路中Ci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，取值范围在0.1μF～1μF之间，本文Ci选用0.33μF；在输出端接电容Co是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取0.1μF左右，本文Co即选用0.1μF。一般电容的耐压应高于电源的输入电压和输出电压。另外，为避免输入端断开时Co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，输出精度高且工作极其稳定，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。

3.2.3电源模块设计

本系统所采用的元器件需要外部供电，如果加上外加电源，则使得电路复杂化，并破坏了系统的独立性，本系统设计的就是蓄电池的供电系统，所以直接从蓄电池取出电压来为单片机以及外围电路供电。

此电源模的一个特点，就是当光线不够强时，蓄电池为单片机及外围电路供电，光线足够强时，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。

这里采用三端集成稳压模块LM7805设计电路的电源模块，如图3-4所示。

图3-4 电源模块电路

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湖北科技学院学士学位论文 3.3控制电路设计

3.3.1单片机简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

(1)引脚功能

单片机具备了CPU、程序存储器、数据存储器和输入输出口等硬件资源之后，还需要供电电源、时钟触发和复位等控制的支持才能正常工作。而这些输入都是通过引脚与单片机连接的。

图3-5 单片机引脚图

图3-5是单片机AT89C51的引脚排布图。这40条引脚大致可分为电源(Vcc、Vss、VPP、VPD)、时钟(XTAL1、XTAL2)、专用控制线(ALE、RST、PROG、PSEN、EA)、通用多功能输入输出标准I/O口(P0～P3)等4大部分。该单片机有6条引脚是保证基本工作所必须连接的：40脚Vcc和20脚Vss 为整个芯片提供电源；18脚、19脚是时钟振荡引脚，它们的内部连接一个高增益放大器，外部接一晶振选频产生振荡脉冲，并可配接一些电容、电感使振荡更精确。此振荡脉冲，为整个CPU及其定时等有效操作系统提供时钟。另外两条引脚是EA和RST。31脚EA是程序存储器片内片外选择脚，如果EA接低电位，CPU不从片内ROM

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3 太阳能充电器硬件设计 中取指；EA接高电位，CPU先从片内程序存储器取指。第9脚RST的主要功能是使单片机复位。当单片机接通以上5脚后，只要在第9脚上加一个宽度不小于24个振荡周期，也就是2个机器周期的正脉冲，它就能使系统复位。系统复位就是意味着CPU里各种寄存器等功能部分有一种标准的、固定的状态，这样有利于系统设计。 (2)单片机最小系统：

单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，容值越大需要的复位时间越短。单片机最小系统晶振也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。图3-6所示为单片机最小系统。

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图3-6 单片机最小系统

3.3.2单片机电路

本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。具体工作过程是上电复位，查询按键确定功能，然后转入相应子程序并分析计算PWM占空比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使输出趋于设定值。在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。

通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易行。

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湖北科技学院学士学位论文 3.4 按键电路设计

在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：独立按键和矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。

通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。

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3-7为本设计的按键接线图。

图3-7 按键接线图

对电路总体考虑后，将ADC0809采集电路接在了单片机的P0口，并用P2口做采集控制，这样P0口仅用接收数据，不用发送数据，有P0口的硬件构成知道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬件开支，而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在P1口，其中P1.0、P1.6为输出功能选择键，P1.3为过电流保护指示灯，按下P1.6代表给手机电池充电，按下P1.0则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。

3.5 数码管显示电路设计

AT89C51单片机内有一个串行I／O端口，通过引脚RXD和TXD可与外部电路进行全双工的串行异步通信，发送数据时由TXD端送出，接收时数据由RXD端输入。串口有四种工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式以满足

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3 太阳能充电器硬件设计 不同的场合。其中，方式0是8位移位寄存器输入／输出方式，多用于外接移位寄存器以扩展I／O端口。方式 0的输出是8位串行数据，通过移位寄存器可将8位串行数据变成8位并行数据输出，也可以将外部的8位并行数据变成8位串行数据输入。因此外接一个移位寄存器就可扩展一个8位的并行输入／输出接口，如果想多扩展几个并口就需要在外部级连几个移位寄存器。

本设计采用基于串口的LED数码管静态显示电路，这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码。可以提供单独锁存的I／O接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的I／O口。单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。

表1 74HC164功能表

输 入 输 出 B × × H × L QA L QA0 H L L QB L QB0 QAn QAn QAn

说明：H=高电平（稳定态） L=低电平（稳定态） ×=不定 ↑=从低电平转换到高电平 QA0?QH0=在稳定态输入条件建立前QA?QH 的相应电平

QAn?QHn=在最近的时钟输入条件（↑）建立前QA?QH 的相应电平，表示移位一位

QC L QC0 QBn QBn QBn QD L QD0 QCn QCn QCn QE L QE0 QDn QDn QDn QF L QF0 QEn QEn QEn QG L QG0 QFn QFn QFn QH L QH0 QGn QGn QGn MR L H H H H CLK × L ↑ ↑ ↑ A × × H L ×

图3-8 数码管驱动电路

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湖北科技学院学士学位论文 如图3-8单片机AT89C51的串口外接1片74HC164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C2051的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。Q0-Q7(第3—6和10—13引脚)并行输出端分别接LED显示器的A---DP各段对应的引脚上。本设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源VCC，本电路电源由LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证个数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器74HC164的输出线必须是低电平。

3.6 降压斩波电路设计

太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，为了防止输出电压过高，破坏电路烧毁元件，或者是输出电压太低元器件不能正常工作，本设计中引入斩波变换电路对输出电压进行升压或者降压变换，以优化系统性能。

降压斩波电路(Buck Chopper)的原理图及工作波形如图3-9所示。图中V为全控型器件IGBT，D为续流二极管。由图3-9（b）中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向负载供电，UD=Ui。当V处于断态时，负载电流经二极管D续流，电压UD近似为零，至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。负载电压的平均值为：

Uo?tontUi?onUi??Ui （3-1）

ton?toffT式（3-1）中ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比(α=ton/T)。由此可知，输出到负载的电压平均值UO最大为Ui，若减小占空比α，则UO随之减小。

+ UiCVGE+DUDL1C1R+UoUGEUDUOtonTUitoffttt---

(a)电路图 (b)波形图

图3-9 降压斩波电路的原理图及波形

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3 太阳能充电器硬件设计 在本设计中开关管选用2N5366PNP型三极管和2N5551NPN型三极管联合使用。2N5366的射极与电池板正极相连，集电极与电感相连，基极与2N5551三极管的集电极相连，2N5551的基极与单片机的P1.1口相连，射极与地相连。当P1.1口输出高电平，2N5551导通，进而2N5366导通，电压输出；当P1.1口输出低电平，2N5551截至，2N5366截至，无电压输出。通过编程，控制占空比。 如图3-10所示。

P1.1

图3-10 降压斩波电路图

3.7 A/D转换电路设计

受外界环境因素影响，太阳能电池输出的电压极不稳定，而且随着手机电池充电的饱和，恒压充电的电流会随着时间的推移逐渐降低，因此需要采集太阳电池输出的电压电流信息，经模数转换后送由单片机进行判断是否需要进行脉宽调节使输出接近设定值。

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809的内部逻辑结构

ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE为高电平，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。如图3-11。

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湖北科技学院学士学位论文 ST CLK EOC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8 路 模 拟 量 开 关 8 路 A/D 转 换 器 三态输出锁存器 A B C ALE 地址锁存与译码 器 VREF(+) VREF(-) OE 图3-11 ADC0809内部结构

(2)引脚结构

图3-12 引脚结构图

ADC0809各引脚功能如下： D7-D0：8位数字量输出引脚；IN0-IN7：8位模拟量输入引脚；VCC：+5V工作电压；GND：地；REF（+）：参考电压正端；REF（-）：参考电压负端；EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换为低电平，当转换结束时为高电平；OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。

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3 太阳能充电器硬件设计 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择如表2所示。

表2 CBA通道选择表

C

B

A

选择通道

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1

IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

数字量输出及控制线：11条

ST为转换启动信号，在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。 （3）电路设计

本设计中用单片机的P0口接收来自0809的换数据，P2.0、P2.1、P2.2依次接在0809的A、B、C地址线，P2.3接在0809的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，时钟信号由单片机的ALE端经74HC74触发器二分频后提供，单片机采

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湖北科技学院学士学位论文 用12MHz晶振，ALE端经二分频后为500KHz。ADC0809具体工作过程为：首先P2.0、P2.1、P2.2输入3位地址，并使P2.3输出高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。而触发单片机动作准备接收数据，这时使P2.5输出高电平，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，单片机读取P0口然后做下一步处理操作。如图3-13所示。

图3-13 ADC0809的接线图

3.8 检测电路设计

ADC0809不能处理微弱的电信号，尤其在手机充电接近饱和的时候，电流十分微弱，必须经过放大才能由ADC0809处理。

3.8.1 MAX471介绍

MAX471是美国MAXIM公司生产的双向精密电流传感放大器。它内置35mΩ精密传感电阻，可测量电流的上下限为3A，可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。根据实际情况，用户可根据自己的需要配置外接的传感电阻与增益电阻。

MAX471具有如下特点： 具有完美的高端电流检测功能；内含精密的内部检测电阻；在工作温度范围内，其精度为2%；具有双向检测指示，可监控充电和放电状态；内部检测电阻和检测能力为3A；并联使用时还可扩大检测电流范围； 最大电源电流为100μA；关闭方式时的电流仅为5μA；电压范围为3～36V。

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3 太阳能充电器硬件设计 MAX471引脚结构：

SHDN1RS+2MAX471RS+3GND48765OUTRS－RS－SIGH

图3-14 MAX471引脚结构

MAX471各引脚功能说明如下：SHDN为关闭信号，正常操作时接地；当它为高电平时，供电电流小于5μA。RS+为内传感电阻的电源端。GND为地端或电源负端。SIGN为集电极开路逻辑输出，SIGN为低电平表示电流由RS－流向RS+。RS－为内传感电阻的负载端。OUT为电流输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。

3.8.2 工作原理

MAX471的功能框图如图3-15所示。

图3-15 MAX471功能框图

如图3-15所示MAX471包含两个放大器，传感器电流I通过传感器电阻Rsense从RS+流向RS-（反之亦然），输出电流Iout流过RG1和Q1还是RG2和Q2取决于传感电阻中电流的方向，内部电路（图中没有画出来）不允许Q1和Q2同时打开。 以图3-15为例，若传感器电流Isense从RS+经精密传感电阻Rsense流向R-，输

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湖北科技学院学士学位论文 出端OUT通过输出电阻Rout接地（GND）。此时Q2断开，放大器A1工作，输出电流Iout从Q1的发射极流出，由于没有电流流过RG2交点的电位，因A1的开环增益很大，其正向输入端与反向输入端基本上保持同一电位，所以，A1的正向输入端的电位也近似等于Rsense和RG2交点的电位，因此传感电流Isense流过Rsense所产生的压降就等于输出电流Iout流过RG1所产生的压降，即 Iout×RG1=Isense×Rsense

所以 Iout=（Isense×Rsense）/RG1

Vout= (Iout×Rout)=( Isense×Rsense×Rout) /RG1 同理，若传感器电流Isense从RS-经传感电阻Rsense流向RS+，则可得 Vout= ( Isense×Rsense×Rout) /RG2 综上可得MAX471输出电压的方程

Vout= ( Isense×Rsense×Rout) /RG 其中Vout———期望的实际输出电压 Isense———所传感的实际电流 Rsense——— 精密传感电阻 Rout——— 输出调压电阻

RG——— 增益电阻（RG=RG1=RG2）

对于MAX471，所设定的电流增益为Rsense/ RG=500×10-6，Vout=500×10-6 ×

Isense×Rout，

当输出电阻Rout =2kΩ时，在传感器电流Isense允许变化范围（-3A≤Isense≤3A）内，输出电压Vout的变化范围：-3V≤Vout≤3V ,即满标电压为3V。 特定的满标范围所对应的输出调压电阻Rout为：

Rout=（Vout×RG）/( Isense×Rsense)

对于MAX471, Rout=Vout/ Isense×500×106

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3 太阳能充电器硬件设计 但要注意，变化Rout时，须保证MAX471输出电压的电压上限不能超过VRS+-1.5V。

MAX471所需的供电电压Vbr/Vcc为3～36V，所能跟踪的电流的变化频率可达到130kHz，采用8脚封装，其典型应用电路如图3-12所示,对瞬变电流的响应非常快，若要减弱由于噪声在输出端产生的干扰，可在输出调压电阻的两端并联一个电容1μF（ 也可根据实验确定）进行旁路。这一电容的引入不会影响到MAX471的使用性能。

在本设计中，电阻R4采用20K/0.6W精密电阻，在输出最大500mA时Uo不超过5V，输出电压便于ADC0809采集并作数字化处理。

MAX471接线电路如图3-16所示。

图3-16 MAX471接线电路图

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4 太阳能充电器软件设计 4 太阳能充电器软件设计

4.1 系统整体程序框架

本设计整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：电路启动初始化，电路功能选择，输出选择并确定输出，单片机采集计算输出PWM信号，定时采集数据并处理调节PWM信号占空比等，程序整体框架如图4-1所示。

开始 初始化 Y N 电流充电 充电子程序 电源子程序 结束

图4-1 程序整体框架流程

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湖北科技学院学士学位论文 4.2 电路启动初始化

初始化是为单片机的运行设置初始的运行环境，主要完成以下工作：清片内，每次单片机加电时，都将引起单片机的上电复位操作。复位操作完成以后，单片机的寄存器会被置以不同的值，这些值中有相当一部分是未知的值。这些未知的值在单片机复位完成，正式运行以后，会产生无法让程序设计人员掌握的后果，甚至会造成系统的损坏。因此，在单片机运行后，首先清0使之置初始参数设定，便于程序设计人员掌握，以利系统的工作。设置系统运行所需的各个参数，设置定时器和中断设定。图4-2为初始化程序流程。

定时器设定 AD设定 初始参数设定 清片内RAM 开始 中断设定 返回

图4-2 初始化程序流程

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4 太阳能充电器软件设计 4.3 按键采集程序

键盘子程序用于探测开关、是否处在有效的开关状态，以决定是否启动系统运转。读线、读取、相连的端口，并将其值判断处理后存于相关缓存中。其中读取端口后要做一定的延时以排除键抖引起的误动作。图4-3为按键子程序结构流程图。

入口 读I/O口

N 延时

Y

处理后存入缓存

反回

图4-3 按键子程序结构流程图

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湖北科技学院学士学位论文 4.4 数据采集及模数转换程序

数据采集主要由单片机控制ADC0809完成，程序分为数据初始化，发送启动转换命令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存程序。

数据采集主要由单片机控制ADC0809完成，程序分为数据初始化，发送启动转换命令，等待转换结束，接收数据，处理并存入缓存，程序流程如图4-4所示。

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入口 初始化 启动转化 N N 转换结束？ Y Y 处理存储 返回 4-4 数据采集子程序结构流程图

图4 太阳能充电器软件设计 4.5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，表明电池已充到额定容量的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。充电过程中，“充电”指示灯亮；充满时，“充饱”指示灯亮，“充电”指示灯灭。充电子程序流程图如图4-5所示。

入口 采集电压电流 N Y 电压>4V？ Y 电流<0.1mA 恒压充电 N 恒流充电 充电结束 返回 图4-5 充电子程序结构流程图

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湖北科技学院学士学位论文 4.6 电源子程序的设计

本太阳能手机充电器与传统充电器相比，最大的优点就是不仅能直接给电池充电，还能作为普通的直流电源使用，其中的5V直流输出也可以直接给手机充电，或作为MP3等其他小电子设备的供电电源，并有完善的过流保护功能，从而确保电子产品的安全使用。电源子程序流程图如图4-6所示。

入口 采集电压电流 N 过电流? Y 小 输出电压判断 相等 增大占空比 跳过 大 关断输出 减小占空比 返回 图4-6 电源子程序结构流程图

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