太陽能手機充電器本科畢業(yè)論文

河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書摘要化石能源的日益枯竭、人們對環(huán)境保護問題的重視程度也在不斷提高，尋找潔凈的替代能源問題變得越來越迫切。太陽能作為一種可再生能源它具有綠色清潔、無環(huán)境污染、取之不盡、用之不竭又無地域限制的優(yōu)勢，因此有廣闊的應用前景，光伏發(fā)電技術也越來越受到人們的關注，隨著光伏組件價格的不斷降低和光伏技術的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在的補充能源向替代能源過渡。使用手機的人都有過這樣的經(jīng)歷，外出或旅游時電池突然沒電了，特別是在火車、汽車、輪船等沒有電源的交通工具上，沒電、電量不足，使手機變成了信息交流的盲區(qū)，造成不必要的麻煩和經(jīng)濟損失。為了解決這一問題，本文介紹一種多用太陽能手機充電器，利用單片機控制，將太陽能經(jīng)過BUCK電路變換為穩(wěn)定直流電給手機充電，并能在電池充電完成后自動停止充電，還可作為一般直流電源使用，從而擺脫對市電的依賴而獲得通信的自由。與常規(guī)的充電器相比，太陽能充電器有著明顯的優(yōu)勢。目前對太陽能的利用主要體現(xiàn)在兩個方面：光熱轉換與光電轉換，本文利用太陽能光電轉換的特性，設計了一種在沒有電源的情況下也能隨時隨地地給各種移動設備充電的便攜式智能型太陽能充電器。關鍵詞：太陽能，電池，單片機，智能，BUCK變換器AbstractIncreasingdepletionoffossilenergy,it'semphasisonenvironmentalprotectionarealsorising,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasaninexhaustibleandcleanandsafeandsoon,sohaveabroadapplicationprospects,photovoltaicpowergenerationtechnologyismoreandmoreattention,withthePVmodulecontinuetolowerpricesandphotovoltaictechnology,solarPVsystemswillgraduallysupplementtheenergyfromthecurrenttransitiontoalternativeenergy.Peoplewhousemobilephoneshavehadtheexperience,gooutortravelnoelectricitywhenthebatterysuddenly,andbecausetheycannotbefoundordoesnottimely220Velectricityandnottochargetheircellphonesaffectthenormaluseofmobilephones.Tosolvethisproblem,thecoursedesignintroducesamulti-purposesolarcharger,useMCUcontrol,willtransformsolarenergythroughthecircuittostabilizethedirectcurrenttochargetheircellphonesandcanchargethebatteryautomaticallystopschargingafter,butalsoasageneralDCpoweruse,sogetridofdependenceonelectricityobtainedthefreedomofcommunication.Comparedwiththeconventionalcharger,solarchargerhasaclearadvantage.Atpresenttheuseofsolarenergyismainlyembodiedintwoaspects:thesunlighttransformationandphotoelectric,thispaper,byusingsolarphotoelectriccharacteristics,designawaythatthereisnopoweritcanalsochargerforvariousmobileanywhereatanytime.Keywords:solarenergy,battery,singlechip,intelligent,BUCKconverter目錄摘要 IAbstract II目錄 III1緒論 11.1本課題的研究背景 11.2充電器的發(fā)展及其簡單的類型 11.3太陽能充電器 21.4光伏發(fā)電的特點 31.5本系統(tǒng)設計的總體思路 31.6本課題研究的主要任務 42太陽能電池的研究和分析 52.1太陽能電池的原理 52.2太陽能電池的分類 52.3太陽能電池的等效電路 62.4太陽能電池板的輸出特性及影響因素 72.5光伏電池的主要參數(shù) 82.6太陽的光照強度對光伏電池轉換效率的影響 92.7溫度對光伏電池輸出特性的影響 102.8本系統(tǒng)所采用的光伏電池 113太陽能手機充電器硬件設計 123.1系統(tǒng)總體設計方案 123.2電源模塊設計 123.3LM7805應用 133.3.1LM7805芯片介紹 133.3.2LM7805應用電路 143.4單片機選型 153.4.1單片機簡介 153.4.2單片機電路 193.5按鍵選擇電路 203.6數(shù)碼管顯示電路 213.7BUCK斬波電路 223.8電壓電流的A/D采集 243.9MAX471介紹及工作原理 283.9.1MAX471介紹 283.9.2工作原理 284匯編源程序的設計實現(xiàn) 314.1系統(tǒng)整體程序框架 314.2電路啟動初始化 314.3數(shù)碼管顯示子程序 324.4數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉換程序 334.5充電子程序的設計 344.6電源子程序的設計 345結束語 36致謝 37參考文獻 38附錄A：主電路原理圖 40附錄B：匯編源程序 411緒論1.1本課題的研究背景近年來，隨著電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，減少不可再生資源的消耗和環(huán)境污染，緩解能源壓力，而且太陽能居家旅行使用方便，經(jīng)濟實用，光能開發(fā)勢必會成為經(jīng)濟發(fā)展的新動力。太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能，不需要消耗燃料和水等物質，使用中不釋放包括二氧化碳在內(nèi)的任何氣體，是對環(huán)境無污染的可再生能源。這對改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害作用具有重大意義。目前，太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設施等部門。而且隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光—電轉換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景[1]。1.2充電器的發(fā)展及其簡單的類型充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術近年來發(fā)展非常迅速。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：①限流限壓式充電器最原始的就是限壓式充電，然后過渡到限流限壓式充電，它使用的方式就是淺充淺放，其壽命表述就是時間，沒有次數(shù)，比如10年。這種充電模式的效果較差。②恒流/限壓式充電器這是充電器發(fā)展的第二階段，這種模式的充電器占據(jù)了充電器市場近半個世紀。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。這種充電器充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，大大降低了電池的壽命。③自適應智能充電器隨著大規(guī)模集成IC的出現(xiàn)，充電設備進入了一個全新的自適應、智能階段，即稱為第三代充電器。自適應充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進行充、放電。并且具有溫度補償功能。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機控制，不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應不同種類電池的充電，充電器自適應調(diào)整自己的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤。充電器的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，相應的就出現(xiàn)了各種類型的充電器，以下就是一些簡單的充電器類型：普通型充電器：這是最基本和最常用的一種簡單型充電器，實際上就是一個變壓器降壓、二級管整流電路；可調(diào)型充電器：簡單地說就是電池充電可調(diào)節(jié)，它是根據(jù)充電電池的電壓來調(diào)節(jié)充電的方式；自動型充電器：顧名思義就是可以實現(xiàn)充電自動化的裝置，它分為全自動型和半自動型，大多都可以進行軟件編程，通過為處理起來實現(xiàn)特定的功能；多功能型充電器：就是可是實現(xiàn)多種功能的充電器，它的作用不僅僅局限于充電了，比如穩(wěn)壓充電器、恒流—恒壓充電器，具有自檢功能的充電器、具有停電記憶充電器、帶放電功能的充電器等等；還有其他許多的充電器，比如快速型充電器、恒流型充電器、太陽能充電器，都是在充電器發(fā)展的過程中逐漸產(chǎn)生的[2]。1.3太陽能充電器太陽能充電器與市面上的一般市電充電器相比有好多不相同的地方。一般的市電充電器都是在引出來電網(wǎng)電壓之后先進行降壓處理，再通過整流裝置給各種蓄電池充電，這種充電器的優(yōu)點就是當市電穩(wěn)定時它可以提供穩(wěn)定的充電平臺。太陽能充電器由太陽能電池組件或者一些其他的光伏裝置供電，輸入電壓一般都比較低，所以給蓄電池充電時可以直接連接蓄電池或者增加一級升壓裝置。另外，太陽能充電器可以很方便的攜帶，這樣它在一些比較惡劣的環(huán)境下也能夠提供充電作用。因此，太陽能充電器有著很大的發(fā)展前景。在簡單的了解了太陽能充電器與一般市電充電器的差別，但是無論在細節(jié)上有多大的差別，其總體設計思路是一樣的：都是電源供電、充電控制、蓄電池和負載這幾部分構成，圖1-1就表示了太陽能充電控制器的整體結構。圖1-1單片機控制太陽能充電器的結構1.4光伏發(fā)電的特點太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉換為當今最普遍的能源利用形式——電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢。太陽能發(fā)電又分為光電發(fā)電、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導體器件吸收太陽光輻射，使之轉化成電能的直接發(fā)電形式，是當今太陽能發(fā)電的主流。與常規(guī)發(fā)電和其他綠色發(fā)電技術相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：①是真正的無污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。太陽能不用燃料，運行成本很小，并且發(fā)電部件不易損壞，維護簡單；②利用的場合廣泛和靈活，既可以獨立于電網(wǎng)運行，也可以與電網(wǎng)并行運行；③可作為電力用戶供電可靠或提高電能質量的不停電電源；④接近負載中心，減少電網(wǎng)的線損；⑤發(fā)電的效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變；⑥就地可取，無需運輸。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算器的幾個毫伏，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。由于太陽能存在上述的優(yōu)勢，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度的重視，發(fā)展很快。但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價格還比較高，不過其維修費用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價格會下降，優(yōu)勢才逐漸體現(xiàn)出來[3]。1.5本系統(tǒng)設計的總體思路本充電器通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能，經(jīng)過DC/DC變換電路處理后，由充電電路為負載供電。鋰電池一般不宜采用全過程恒流充電方式，而是采取開始恒流快速充電，待電池電壓上升到設定值時，自動轉入恒壓充電的方式，并且這樣有利于保存電池容量。充電過程中采用LED燈、數(shù)碼管指示，系統(tǒng)中設計有完備的過流過壓保護，避免因電池過度充電而損壞，并且充電器采用模塊式結構和USB接口，可對手機、MP3、攝像機等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。文中介紹設計的太陽能手機充電器，與普通的手機充電器相比，它的特殊之處除了能源的供應來自太陽能電池板外，充分利用單片機的智能性，設有完備的電壓電流檢測保護電路，并通過LED顯示電路的狀態(tài)，當光線不夠強時，指示燈不亮，蓄電池為手機充電，光線足夠強時，指示燈亮，由太陽能電池板供電，同時可為充電電池充電。把太陽能電池板放在一個有陽光的地方，即可以為手機提供一個方便的太陽能充電點。這種便捷的太陽能充電器幾乎可以在任何地方補充電力，從而獲得通信的自由。1.6本課題研究的主要任務結合系統(tǒng)設計的總體思路和任務要求，我設計了一種基于單片機控制的多功用太陽能手機充電器，設計的主要任務有：硬件設計：電源模塊設計，電源控制模塊設計，單片機控制模塊設計，顯示電路模塊設計，太陽能手機充電器電路原理圖設計。軟件設計：數(shù)碼顯示程序設計，數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉換程序設計，充電子程序設計，電源子程序設計。2太陽能電池的研究和分析2.1太陽能電池的原理太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片。當太陽光照射時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，于是產(chǎn)生電子——空穴對。這樣，光能就以產(chǎn)生電子——空穴對的形式轉變?yōu)殡娔堋１∑牧硪粋群徒饘俦∧ぶg將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉化為電能的裝置。對于半導體P-N結，光伏效應更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導體構成的。太陽能電池的基本結構相當于一個大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當用適當波長的太陽光照射到半導體上時，光能被半導體吸收后，在導帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子--電子和空穴。半導體內(nèi)在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向N區(qū)，空穴驅向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，在P-N結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏特電動勢。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負載，外電路則有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實用的電能。另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍色氧化硅薄膜以減少入射太陽光的反射，提高太陽能電池對于入射光的吸收率[6]。2.2太陽能電池的分類目前，有許多材料可以用來做太陽能光伏電池的半導體層，但是能產(chǎn)生高能量轉換效率的光伏材料并不多。全世界應用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵晶體材料以及非晶硅等薄膜材料。從對太陽能光吸收效率、能量轉換效率、制造技術的成熟與否以及制造成本等多個因素來看，每種光伏材料各有其有缺點。目前市場上的太陽能電池板繁多，根據(jù)太陽能電池板所用材料的不同可分為：①硅太陽能電池；②以無機鹽如砷化鎵III-V化合物，硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的多元化合物薄膜太陽能電池；③功能高分子材料(有機半導體)制備的大陽能電池；④納米晶太陽能電池等。這里采用的是硅太陽能電池。硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在電池制作中，一般都采用表面織構化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術.開發(fā)的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池，電池轉化效率20%左右。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠較單晶硅少，又無較大效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，電池效率達12%左右。非晶硅薄膜太陽能電池與結晶硅電池相比轉換效率偏底，但其成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，受到人們普遍的重視并得到迅速發(fā)展，電池最高轉換效率為10%左右。2.3太陽能電池的等效電路光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個電流隨著光強的增加而增大，當接受的光強度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作P-N結型二極管，因為在光的照射下產(chǎn)生正向偏壓，所以在P-N結為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2-1表示的等效電路來考慮。圖2-1理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖在這種等效電路中，加給負荷的電壓V和流過負荷的電流I之間的關系式，可由下式給出。太陽能(2-1)當I=0時，可以得到太陽能電池的開路電壓(2-2)其中I為電池單元輸出電流；It為PN結電流(A)；IO為二極管的反向飽和電流(A)；V為外加電壓(V)；q是單位電荷(1.6×10-19K庫侖)；K是玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)；T是絕對溫度(T=t+273K)；n為二極管指數(shù)。但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負載的電流經(jīng)過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻RS來表示。同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯(lián)電阻RSH來等效表示。此時的等效電路可根據(jù)圖2-2來描述，其伏安特性可由2-2式給出。 圖2-2實際光伏電池等效電路(2-3)此式叫做光伏電池的超越方程式。2.4太陽能電池板的輸出特性及影響因素光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過I-V和P-V特性曲線來加以體現(xiàn)。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關系，所以本文不對其進行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關參數(shù)。2.5光伏電池的主要參數(shù)光伏電池的幾個重要技術：①短路電流ISC：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流。②開路電壓VCC：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。③最大功率點電流(IM)：在給定日照強度和溫度下相應于最大功率點的電流。④最大功率點電壓(VSC)：在給定日照和溫度下相應于最大功率點的電壓。⑤最大輸出功率(PM)：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率 ⑥填充因子(2-4)⑦光伏電池的轉換效率：輸出功率PM與陽光投射到電池表面上的功率PS之比，其值取決于工作點。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率η，以上各個參數(shù)可以在圖2-3中表示如下。圖2-3太陽能電池的I-V特性關系曲線圖2-3中，在I-V曲線上總可以找到一個工作點，此點處的輸出功率最大，此點就是最大功率點(MPPT)，即圖中M點。M點所對應的電流IM為最佳工作電流，VM為最佳工作電壓，PM為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點時，其效率都低于按此定義的效率值，甚至會低到零。原則上講，可對輸出功率求導使其為0，即可得到該電池的最佳工作點IM，VM，從而求出最大輸出功率：PM=IM×VM。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因為它受太陽能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，其特性方程由公式2-3可知一個超越指數(shù)方程，無法用線性方程表示，具有非線性。圖2-4可表示太陽能電池的P-V曲線。從圖2-3可見，IM和VM的乘積就是最佳工作點的縱橫坐標所確定的矩形面積，在曲線范圍內(nèi)這個面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)越。如果在一定光照下的I-V特性曲線是理想的矩形，那么IM和VM乘積就等于ISC和VCC的乘積。對實際光電池，引人填充因子FF(Fillfactor)概念來表征光電池的這一特性，F(xiàn)F定義為式2-4。它表示最大輸出功率的值所占的以VCC和ISC為邊長的矩形面積的百分比，填充因子是表征光電池的輸出特性好壞的重要參數(shù)之一。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉換效率也越高。2.6太陽的光照強度對光伏電池轉換效率的影響圖2-4、圖2-5分別是太陽能電池陣列在溫度為25℃時，不同日照(S)下表現(xiàn)出的電流-電壓(I-V)和功率-電壓(P-V)特性。從圖2-6可知，太陽能電池陣列的輸出短路電流(ISC)和最大功率點電流(IM)隨日照強度的上升而顯著增大，也就是說式(2-3)中ISC強烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖2-5圖2-4不同日照下的I-V關系曲線圖圖2-5不同日照下的P-V曲線圖圖2-6太陽能電池的P-V特性曲線2.7溫度對光伏電池輸出特性的影響圖2-7，圖2-8分別給出了太陽能電池陣列在日照射為1000W/m2，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的I-V和P-V特性。可以看出，溫度對太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對它的輸出開路電壓影響較大。因而對最大輸出功率影響明顯，見圖2-8中各實線的波峰的幅值變化。圖2-7不同溫度下的I-V特性曲線圖2-8不同溫度下的P-V特性曲線綜上，太陽能電池板的輸出特性具有以下特點：①太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源；②開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強度強成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強和溫度成非線性變化；③輸出功率在某一點達到最大值，該點即為太陽能電池板的最大功率點(MPP，MaximumPowerPoint)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化[8]。2.8本系統(tǒng)所采用的光伏電池太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎，是該充電器的核心部分，其功能是將太陽光的輻射能量轉化為電能，如今的便攜式數(shù)碼設備種類較多，所需電壓電流不等，對于輸入功率較大的設備，必須采用面積較大的電池板，而這又給攜帶帶來不便。因此該設計采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負載的需要，將太陽能板進行組合以達到具有一定要求的輸出功率和輸出電壓的一組光伏電池。本文以手機等常用小功率用電設備為例，說明其太陽能充電器的設計過程。所選用的太陽能電池板技術參數(shù)指標如下：尺寸120mm×45mm，峰值電壓6V，峰值電流100mA，標稱功率0.6W?？紤]被充電池的電流不同所需充電時間不等，采用八塊相同參數(shù)電池板進行串、并聯(lián)，實測電池板的輸出電壓最大值為10.8V,電流最大可達450mA，總標稱功率為5W左右,實際輸出可根據(jù)不同的被充電對象進行平滑調(diào)整。3太陽能手機充電器硬件設計3.1系統(tǒng)總體設計方案太陽能手機充電器太陽能手機充電器DC/DC變換AT89C51ADC0809顯示電路手機電池圖3-1系統(tǒng)總體設計方案太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流較小，這就需要用充電控制電路將電池板輸出的直流電壓變換后供給電池充電。當光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉換為電能。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時停止會使電池發(fā)燙，過度的充電會嚴重損害電池的壽命。這就需要一個復雜的控制系統(tǒng)，51系列單片機是當前使用最為廣泛的8位單片機系列，其豐富的開發(fā)資源和較低的開發(fā)成本，是51系列單片機現(xiàn)在以至將來都會有強大的生命力。本系統(tǒng)將采用89C51作為充電電路的控制器，從而以較低的成本輕松實現(xiàn)復雜的充電智能控制，同時也可以為其他小型電子產(chǎn)品提供潔凈的直流電源。本系統(tǒng)總體設計方案如圖3-1所示，通過太陽能電池板將太陽能轉換為電能，由單片機編程實現(xiàn)PWM波控制開關管從而實現(xiàn)輸出電壓電流的改變，通過顯示電路顯示輸出狀態(tài)及大小，由ADC0809實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉換并傳給單片機做判斷處理，從而實現(xiàn)電路的智能輸出與控制。3.2電源模塊設計本系統(tǒng)所采用的元器件需要外部供電，如果加上外加電源，則使得電路復雜化，并破壞了系統(tǒng)的獨立性，本系統(tǒng)設計的就是蓄電池的供電系統(tǒng)，所以直接從蓄電池取出電壓來為單片機以及外圍電路供電。這里采用三端集成穩(wěn)壓模塊LM7805設計電路的電源模塊，如圖3-2所示。圖3-2電源模塊電路此電源模塊還有一個特點，就是當光線不夠強時，蓄電池為單片機及外圍電路供電，光線足夠強時，由太陽能電池板供電，同時可為充電電池充電。3.3LM7805應用單片機電源電路的設計以三端集成穩(wěn)壓器LM7805為核心，它屬于串聯(lián)穩(wěn)壓電路，能輸出穩(wěn)定的+5V電壓為單片機提供電源，其工作原理與分立元件的串聯(lián)穩(wěn)壓電源相同。3.3.1LM7805芯片介紹LM7805為3端系列穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，輸出電壓5V，應用范圍廣，內(nèi)涵過流、過熱和過載保護電路，帶散熱片時，輸出電流可達1A，雖然是固定的穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電路。主要特點：輸出電流可達1A輸出電壓有：5V過熱保護短路保護輸出晶體管SOA保護極限值（Ta=25℃）VI——輸入電壓(VO=5~18V)???????????35VRθJC——熱阻（結到殼）????????????5℃RθJA——熱阻（結到空氣）??????????65℃TOPR——工作結溫范圍???????????0~125℃TSTG——貯存溫度范圍??????????-65~1503.3.2LM7805應用電路LM7805有三個引腳，1腳接輸入電壓，2腳接地，3腳接輸出。功能：輸出穩(wěn)定電壓5V，輸出電流接近1A。用途：可以為需要提供5V直流電源的電路提供穩(wěn)定工作電壓。應用電路如圖3-3所示。圖3-3LM7805應用電路注：1）輸入電壓，即使是紋波電壓中的低值點，都必須高于所需輸出電壓2V以上。2）當穩(wěn)壓器遠離電源濾波器時，要求用Ci。3）Co可改善穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應。圖3-3是三端穩(wěn)壓集成電路LM7805的應用電路，三端集成穩(wěn)壓器設置的啟動電路，在穩(wěn)壓電源啟動后處于正常狀態(tài)時，啟動電路與穩(wěn)壓電源內(nèi)部其他電路脫離聯(lián)系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩(wěn)定。電路中Ci的作用是消除輸入連線較長時其電感效應引起的自激振蕩，減小紋波電壓，取值范圍在0.1μF～1μF之間，本文Ci選用0.33μF；在輸出端接電容Co是用于消除電路高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應，一般取0.1μF左右，本文Co即選用0.1μF。一般電容的耐壓應高于電源的輸入電壓和輸出電壓。另外，為避免輸入端斷開時Co從穩(wěn)壓器輸出端向穩(wěn)壓器放電，造成穩(wěn)壓器的損壞，在穩(wěn)壓器的輸入端和輸出端之間跨接一個二極管，對LM7805起保護作用。LM7805輸入電壓為8V到36V，最大工作電流1.5A，具有輸入電壓范圍寬，工作電流大，輸出精度高且工作極其穩(wěn)定，外圍電路簡單等特點，太陽能電池電壓即使有較大的波動，也能穩(wěn)定的輸出5V電壓，從而使單片機等控制電路正常工作，且成本低。3.4單片機選型51系列單片機不僅是國內(nèi)用得最多的單片機之一，同時也是最適合上手學習單片機系統(tǒng)開發(fā)的一款單片機。本設計中單片機的主要任務是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成PWM脈寬調(diào)制信號控制開關管的導通與關斷，從而控制輸出大小。3.4.1單片機簡介單片機是整個控制電路的核心，本設計采用的是美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51。AT89C51是AT89系列單片機中的一種，它與MCS－51系列的許多機種都具有兼容性，并具有廣泛的代表性。為了便于讀者對“單片機速通教程”以后的系列實例文章的理解，下面，我們先來了解一下AT89C51的硬件結構。1.內(nèi)部結構AT89C51單片機的內(nèi)部結構與MCS－51系列中的MCS－8051的內(nèi)部結構基本相同。由CPU、片內(nèi)RAM、片內(nèi)ROM及4個標準輸入輸出I/O口等組成。片內(nèi)4KBROM為程序存儲器，這里面主要存放指揮CPU進行操作的指令代碼。4KBROM共有4096個存儲單元，每個單元可存放一個字節(jié)共8位二進制數(shù)字。程序存儲器中的每個單元都有一個確定的地址，4K空間地址范圍為0000H至0FFFH。128BRAM為128個字節(jié)的可讀寫數(shù)據(jù)存儲器，主要放置需頻繁處理的數(shù)據(jù)。其地址空間為00H至7FH，其中00H至07H這8個單元是一組工作寄存器，由于對它們的操作另有專用指令，所以將這幾個單元又分別記作R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7。4個標準輸入輸出I/O口P0、P1、P2、P3與CPU內(nèi)部的一些特殊功能寄存器，如定時器控制寄存器(TCON)、串行口控制寄存器(SCON)等是統(tǒng)一編址的。這些存儲器離散地分布在80H至FFH地址空間內(nèi)。其中P0、P1、P2、P3的地址分別是80H、90H、A0H和B0H。有了確定的地址，才能準確無誤地對它們進行操作。比如我們要向P0口送一個數(shù)，只要用一個送數(shù)指令，將數(shù)“寫”到80H這個存儲單元就完成了。也就是說把要送的數(shù)存到P0口鎖存器之中，再通過驅動器，就可將數(shù)據(jù)各位代表的高低電位輸出到P0.0至P0.7的這8條口線引腳上了。2.引腳功能單片機具備了CPU、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和輸入輸出口等硬件資源之后，還需要供電電源、時鐘觸發(fā)和復位等控制的支持才能正常工作。而這些輸入都是通過引腳與單片機連接的。如圖3-4所示。圖3-4單片機引腳圖圖3-4是單片機AT89C51的引腳排布圖。由圖3-4可知，AT89C51是標準的40線雙列直插式封裝(也有其它封裝形式)的集成電路，其引腳與MCS－51系列單片機完全兼容。這40條引腳大致可分為電源(Vcc、Vss、VPP、VPD)、時鐘(XTAL1、XTAL2)、專用控制線(ALE、RST、PROG、PSEN、EA)、通用多功能輸入輸出標準I/O口(P0～P3)等4大部分。該單片機有6條引腳是保證基本工作所必須連接的：40腳Vcc和20腳Vss為整個芯片提供電源；18腳、19腳是時鐘振蕩引腳，它們的內(nèi)部連接一個高增益放大器，外部接一晶振選頻產(chǎn)生振蕩脈沖，并可配接一些電容、電感使振蕩更精確。此振蕩脈沖，為整個CPU及其定時等有效操作系統(tǒng)提供時鐘。另外兩條引腳是EA和RST。31腳EA是程序存儲器片內(nèi)片外選擇腳，如果EA接低電位，CPU不從片內(nèi)ROM中取指；EA接高電位，CPU先從片內(nèi)程序存儲器取指。第9腳RST的主要功能是使單片機復位。當單片機接通以上5腳后，只要在第9腳上加一個寬度不小于24個振蕩周期，也就是2個機器周期的正脈沖，它就能使系統(tǒng)復位。系統(tǒng)復位就是意味著CPU里各種寄存器等功能部分有一種標準的、固定的狀態(tài)，這樣有利于系統(tǒng)設計。比如系統(tǒng)復位后，能使P0口至P3口的數(shù)據(jù)為FFH，也就是各口線皆呈高電位，不然就會出現(xiàn)每通一次電，系統(tǒng)就呈現(xiàn)一種不同的狀態(tài)，給負載電路的設計帶來困難。系統(tǒng)復位后，還能使程序地址寄存器PC的值為0000H，這就保證系統(tǒng)從程序存儲空間的0000H單元取指，使程序有個起始，保證系統(tǒng)能有條不紊地運行。因此，程序存儲器從第一單元開始一般放一條無條件跳轉指令，指出主程序的入口，引導系統(tǒng)進入主程序運行。3.I/O口的介紹在圖3-4中，還有P0～P3引腳。這些引腳可以將單片機輸出的高低電位信號傳送給片外的負載，也可將片外其它設備輸出的高低電位號輸入至單片機，因此，在單片機中，這些引腳就叫做輸入輸出端口，簡稱I/O口。一個標準的I/O口一般由8條I/O口線組成。標準I/O口的主要功能相當于一個8位鎖存器，能存儲一個字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)，以保持與之相連接的8條口線各自電位的高低狀態(tài)。在圖3-4中，AT89051的第1腳至第8腳相對應的8條口線P1.0至P1.7組成的標準口記作P1口，第10腳至第17腳相對應的口線P3.0至P3.7組成的P3口，第21腳至28腳相對應的8條口線P2.0至P2.7組成了P2口，第32腳至39腳相對應的8條口線P0.0至P0.7組成了P0口。有了這些標準輸入輸出口，使用起來就很方便了。這樣，我們可編制一段程序，向這些標準口中存入一定的數(shù)據(jù)(這些數(shù)據(jù)也可叫控制字)，各口線引腳就會呈現(xiàn)出不同的高低電位。比如我們向P0、P1、P2、P3口中送入數(shù)據(jù)＃00H，則每個口的各口線電位狀態(tài)就會為“00000000”，也就是各條口線皆呈低電位。我們再向P0口送入數(shù)據(jù)＃03H。P0.0至P0.7各條口線所呈電位為“000000114．管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出[24]。3.4.2單片機電路本系統(tǒng)單片機主要完成的任務是控制數(shù)據(jù)的采集過程，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后生成PWM脈寬調(diào)制信號控制開關管的導通與關斷，從而控制輸出大小。具體工作過程是上電復位，查詢按鍵確定功能，然后轉入相應子程序并分析計算PWM占空比，開始輸出電流或電壓，并將數(shù)據(jù)送至顯示電路顯示。在輸出過程中通過單片機定時器定時檢測輸出電流或電壓，與設定值比較后調(diào)節(jié)PWM占空比，使輸出趨于設定值。在電池充電過程中，通過檢測電流大小而確定電池充電多少，從而改變充電方式或決定是否停止充電。通過單片機編程實現(xiàn)了充電過程的智能控制，而且大大簡化了硬件電路設計，由于單片機良好的可重用性，如果需要改變電路工作狀態(tài)或電路參數(shù)，只需簡單的修改程序即可實現(xiàn)，從而使電路的升級改造變得簡單易行。3.5按鍵選擇電路在單片機應用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：1、獨立按鍵；2、矩陣編碼鍵盤。獨立按鍵的每個按鍵都單獨接到單片機的一個I/O口上，獨立按鍵則通過判斷按鍵端口的電位即可識別按鍵操作；而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進行識別。通常所用的按鍵為輕觸機械開關，正常情況下按鍵的接點是斷開的，當我們按壓按鈕時，由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而機械觸點在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性及操作人員按鍵動作決定，一般為5ms～20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短是由操作人員的按鍵按壓時間長短決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒不等。在本設計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖3-5為本設計的按鍵接線圖。圖3-5按鍵接線圖對電路總體考慮后，將ADC0809采集電路接在了單片機的P0口，并用P2口做采集控制，這樣P0口僅用接收數(shù)據(jù)，不用發(fā)送數(shù)據(jù)，有P0口的硬件構成知道，其做輸出的話需接上拉電阻，做輸入的不用接，這樣整體上減少了電路的硬件開支，而P3口要做串口傳輸?shù)裙ぷ?，所以在本電路中將按鍵接在P1口，其中P1.0、P1.6為輸出功能選擇鍵，P1.3為過電流保護指示燈，按下P1.6代表給手機電池充電，按下P1.0則做普通直流電源使用，其中5V輸出可直接用USB連接線給手機充電，電池充電控制則有手機提供。3.6數(shù)碼管顯示電路AT89C51單片機內(nèi)有一個串行I／O端口，通過引腳RXD和TXD可與外部電路進行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時由TXD端送出，接收時數(shù)據(jù)由RXD端輸入。串口有四種工作方式，通過編程設置，可以使其工作在任一方式以滿足不同的場合。其中，方式0是8位移位寄存器輸入／輸出方式，多用與外接移位寄存器以擴展I／O端口。串口的工作方式可以參看相關的書籍，此處不做詳細介紹。方式0的輸出是8位串行數(shù)據(jù)，通過移位寄存器可將8位串行數(shù)據(jù)變成8位并行數(shù)據(jù)輸出，也可以將外部的8位并行數(shù)據(jù)變成8位串行數(shù)據(jù)輸入。因此外接一個移位寄存器就可擴展一個8位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴展幾個并口就需要在外部級連幾個移位寄存器。本設計采用基于串口的LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，在串口擴展中最常用的就是基于串口的LED數(shù)碼管顯示電路。在單片機應用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中CPU的開銷小?？梢蕴峁﹩为氭i存的I／O接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉換器74LS164，擴展并行的I／O口。需要幾個數(shù)碼管就擴展幾個并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應的數(shù)字。圖3-6數(shù)碼管驅動電路如圖3-6單片機AT89C51的串口外接1片74HC164作為LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把AT89C2051的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。Q0-Q7(第3—6和10—13引腳)并行輸出端分別接LED顯示器的DPA各段對應的引腳上。本設計設計采用的是共陽極數(shù)碼管，因而各數(shù)碼管的公共極接電源VCC，本電路電源由LM7805提供，并采用三只串聯(lián)的二極管降壓，而非電阻降壓，這樣保證個數(shù)碼段的亮度一致。要顯示某字段則相應的移位寄存器74HC164的輸出線必須是低電平。3.7BUCK斬波電路太陽能電池在使用時由于太陽光的變化較大，其內(nèi)阻又比較高，因此輸出電壓不穩(wěn)定，為了防止輸出電壓過高，破壞電路燒毀元件，或者是輸出電壓太低元器件不能正常工作，本設計中引入斬波變換電路對輸出電壓進行升壓或者降壓變換，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。斬波電路主要有Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路等三種電路。Buck變換器：也稱降壓式變換器，是一種輸出電壓小于輸入電壓的單管不隔離直流變換器。DC/DC變換器廣泛應用于便攜裝置（如筆記本計算機、蜂窩電話、PDA等）中。它有兩種類型，即線性變換器和開關變換器。開關變換器因具有效率高、靈活的正負極性和升降壓方式的特點，而備受人們的青睞。DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類：（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。（4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。DC-DC分為BUCK、BUOOST、BUCK-BOOST三類DC-DC。其中BUCK型DC-DC只能降壓，降壓公式：Vo=Vi×D；BOOST型DC-DC只能升壓，升壓公式：Vo=Vi/(1-D)；BUCK-BOOST型DC-DC，即可升壓也可降壓，公式：Vo=(-Vi)*D/（1-D），D為充電占空比，既MOSFET導通時間（0<D<1）。開關性穩(wěn)壓電源的效率很高，但輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對模擬電路供電時，將產(chǎn)生較大的影響。因開關電源工作效率高，一般可達到80％以上，故在其輸出電流的選擇上，應準確測量或計算用電設備的最大吸收電流，以使被選用的開關電源具有高的性能價格比，通常輸出計算公式為：Is=KIf式中：Is—開關電源的額定輸出電流；If—用電設備的最大吸收電流；K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8。降壓斬波電路(BuckChopper)的原理圖及工作波形如圖7所示。圖中V為全控型器件，選用IGBT。D為續(xù)流二極管。由圖3-6b中V的柵極電壓波形UGE可知，當V處于通態(tài)時，電源Ui向負載供電，UD=Ui。當V處于斷態(tài)時，負載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個周期T結束，再驅動V導通，重復上一周期的過程。負載電壓的平均值為：(3-1)U(3-1)式3-1中ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關周期，α為導通占空比，簡稱占空比或導通比(α=ton/T)。由此可知，輸出到負載的電壓平均值UO最大為Ui，若減小占空比α，則UO隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故稱該電路為降壓斬波電路。(a)電路圖(b)波形圖圖3-7降壓斬波電路的原理圖及波形在本電路中輸入始終大于輸出，所以采用脈寬調(diào)制方式的BUCK變換器，BUCK變換器又稱降壓變換器、串聯(lián)開關穩(wěn)壓電源、三端開關型降壓穩(wěn)壓器。其電路如圖3-7所示，PWM脈寬調(diào)制信號有單片機提供，控制開關管的通斷。圖3-7中，V為開關管，其驅動電壓一般為PWM(Pulsewidthmodulation脈寬調(diào)制)信號，信號周期為Ts，則信號頻率為f=1/Ts，導通時間為Ton，關斷時間為Toff，則周期Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）的特點：①非常低的輸入輸出電壓差②非常小的內(nèi)部損耗③很小的溫度漂移④很高的輸出電壓穩(wěn)定度⑤很好的負載和線性調(diào)整率⑥很寬的工作溫度范圍⑦較寬的輸入電壓范圍⑧外圍電路非常簡單，使用起來極為方便3.8電壓電流的A/D采集受外界環(huán)境因素的影響，太陽能電池輸出的電壓極不穩(wěn)定，而且隨著手機電池充電的飽和，恒壓充電的電流會隨著時間的推移逐漸降低，因此需要采集太陽電池輸出的電壓電流信息，經(jīng)模數(shù)轉換后送由單片機進行判斷是否需要進行脈寬調(diào)節(jié)使輸出接近設定值。ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換，可以和單片機直接接口。（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結構88路模擬量開關地址鎖存與譯碼器8路A/D轉換器三態(tài)輸出鎖存器VREF(+)STCLKIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEVREF(-)OED0D1D2D3D4D5D6D7EDC圖3-8ADC0809內(nèi)部結構ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。（2）引腳結構圖3-9引腳結構圖ADC0809各引腳功能如下：

D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。

IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。

VCC：+5V工作電壓。

GND：地。

REF（+）：參考電壓正端。

REF（-）：參考電壓負端。

EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。

OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇如表1所示。表1CBA通道選擇表CBA選擇通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉換啟動信號，在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。本設計中用單片機的P0口接收來自0809的換數(shù)據(jù)，P2.0、P2.1、P2.2依次接在0809的A、B、C地址線，P2.3接在0809的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，時鐘信號由單片機的ALE端經(jīng)74HC74觸發(fā)器二分頻后提供，單片機采用12MHz晶振，ALE端經(jīng)二分頻后為500KHz。ADC0809具體工作過程為：首先P2.0、P2.1、P2.3輸入3位地址，并使P2.3輸出高電平，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動A／D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A／D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請，而觸發(fā)單片機動作準備接收數(shù)據(jù)，這是使P2.5輸出高電平，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，單片機讀取P0口然后做下一步處理操作[31]。3.9MAX471介紹及工作原理ADC0809不能處理微弱的電信號，尤其在手機充電接近飽和的時候，電流十分微弱，必須經(jīng)過放大才能由ADC0809處理。3.9.1MAX471介紹MAX471是美國MAXIM公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器。它內(nèi)置35mΩ精密傳感電阻，可測量電流的上下限為3A，可通過一個輸出電阻將電流輸出轉化為對地電壓輸出。根據(jù)實際情況，用戶可根據(jù)自己的需要配置外接的傳感電阻與增益電阻。MAX471引腳結構：圖3-10MAX471引腳結構MAX471各引腳功能說明如下：SHDN為關閉信號，正常操作時接地；當它為高電平時，供電電流小于5μA。RS+為內(nèi)傳感電阻的電源端。GND為地端或電源負端。SIGN為集電極開路邏輯輸出，SIGN為低電平表示電流由RS－流向RS+。RS－為內(nèi)傳感電阻的負載端。OUT為電流輸出端，該電流的大小正比于流過傳感電阻的電流。3.9.2工作原理MAX471的功能框圖如圖3-11所示圖3-11MAX471功能框圖如圖3-11所示MAX471包含兩個放大器，傳感器電流I通過傳感器電阻Rsense從RS+流向RS-（反之亦然），輸出電流Iout流過RG1和Q1還是RG2和Q2取決于傳感電阻中電流的方向，內(nèi)部電路（圖中沒有畫出來）不允許Q1和Q2同時打開。以圖3-11為例，若傳感器電流Isense從RS+經(jīng)精密傳感電阻Rsense流向R-，輸出端OUT通過輸出電阻Rout接地（GND）。此時Q2斷開，放大器A1工作，輸出電流Iout從Q1的發(fā)射極流出，由于沒有電流流過RG2交點的電位，因A1的開環(huán)增益很大，其正向輸入端與反向輸入端基本上保持同一電位，所以，A1的正向輸入端的電位也近似等于Rsense和RG2交點的電位，因此傳感電流Isense流過Rsense所產(chǎn)生的壓降就等于輸出電流Iout流過RG1所產(chǎn)生的壓降，即Iout×RG1=Isense×Rsense所以Iout=（Isense×Rsense）/RG1Vout=(Iout×Rout)=(Isense×Rsense×Rout)/RG1同理，若傳感器電流Isense從RS-經(jīng)傳感電阻Rsense流向RS+，則可得Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG2綜上可得MAX471輸出電壓的方程Vout=(Isense×Rsense×Rout)/RG其中Vout———期望的實際輸出電壓Isense———所傳感的實際電流Rsense———精密傳感電阻Rout———輸出調(diào)壓電阻RG———增益電阻（RG=RG1=RG2）對于MAX471，所設定的電流增益為Rsense/RG=500×10-6，Vout=500×10-6×Isense×Rout，當輸出電阻Rout=2kΩ時，在傳感器電流Isense允許變化范圍（-3A≤Isense≤3A）內(nèi)，輸出電壓Vout的變化范圍：-3V≤Vout≤3V,即滿標電壓為3V。特定的滿標范圍所對應的輸出調(diào)壓電阻Rout為：Rout=（Vout×RG）/(Isense×Rsense)對于MAX471,Rout=Vou/Isense×500×10-6但要注意，變化Rout時，須保證MAX471輸出電壓的電壓上限不能超過VRS+-1.5V。MAX471所需的供電電壓Vbr/Vcc為3～36V，所能跟蹤的電流的變化頻率可達到130kHz，采用8腳封裝，對瞬變電流的響應非?？?，若要減弱由于噪聲在輸出端產(chǎn)生的干擾，可在輸出調(diào)壓電阻的兩端并聯(lián)一個電容1μF（也可根據(jù)實驗確定）進行旁路。這一電容的引入不會影響到MAX471的使用性能。4匯編源程序的設計實現(xiàn)4.1系統(tǒng)整體程序框架本設計整體工作主要由單片機程序控制實現(xiàn)，其工作過程為：電路啟動初始化，電路功能選擇，輸出選擇并確定輸出，單片機采集計算輸出PWM信號，定時采集數(shù)據(jù)并處理調(diào)節(jié)PWM信號占空比等，程序整體框架如圖4-1所示。初始化初始化電流充電充電子程序電源子程序YesNo開始結束圖4-1程序整體框架流程4.2電路啟動初始化初始化是為單片機的運行設置初始的運行環(huán)境，主要完成以下工作：清片內(nèi)，每次單片機加電時，都將引起單片機的上電復位操作。復位操作完成以后，單片機的寄存器會被置以不同的值，這些值中有相當一部分是未知的值。這些未知的值在單片機復位完成，正式運行以后，會產(chǎn)生無法讓程序設計人員掌握的后果，甚至會造成系統(tǒng)的損壞。因此，在單片機運行后，首先清0使之置初始參數(shù)設定，便于程序設計人員掌握，以利系統(tǒng)的工作。設置系統(tǒng)運行所需的各個參數(shù)，設置定時器和中斷設定。圖4-2為初始化程序流程。清片內(nèi)RAM清片內(nèi)RAM初始參數(shù)設定AD設定定時器設定中斷設定返回開始圖4-2初始化程序流程4.3數(shù)碼管顯示子程序開機時，初始化數(shù)碼管，通過串口將“0”的字形碼輸出使數(shù)碼管顯示“O”顯示子程序是怎么將顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)變成相應的字形碼呢?具體的方法是將每個數(shù)字的字形碼以16進制數(shù)從小到大的次序依次存放在存儲器中的固定區(qū)域中，構成顯示代碼表。當要顯示某字符時，把表格的起始地址送入數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR中作為基址，將顯示緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)作為偏移量送入變址寄存器A，執(zhí)行查表指令“MOVCA，@A+DPTR”，則累加器A中得到的結果即表格中取出的對應數(shù)字的字形碼。由于單片機在以方式0串行發(fā)送數(shù)據(jù)的時候數(shù)據(jù)從RXD引腳從低位到高位依次輸出，而最先輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過74LS164串轉并后到達Q7，也就是說單片機內(nèi)的DO通過串口發(fā)送并經(jīng)過74LS164后到達74LS164的Q7腳即數(shù)碼管的A腳，因此在單片機內(nèi)字型碼與74LS164所對應的字型碼正好相反，所以共陽極數(shù)碼管在單片機內(nèi)O-9所對應的字型碼分別是：01H，4FH，12H，06H，4CH，24H，20H，0FH．00H，04H。4.4數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉換程序數(shù)據(jù)采集主要由單片機控制ADC0809完成，程序分為數(shù)據(jù)初始化，發(fā)送啟動轉換命令，等待轉換結束，接收數(shù)據(jù)，處理并存入緩存程序。數(shù)據(jù)采集主要由單片機控制ADC0809完成，程序分為數(shù)據(jù)初始化，發(fā)送啟動轉換命令，等待轉換結束，接收數(shù)據(jù)，處理并存入緩存，程序流程如圖4-3所示。初始化初始化啟動轉化轉換結束？處理存儲NY入口返回圖4-3數(shù)據(jù)采集子程序結構流程圖4.5充電子程序的設計充電過程分兩階段進行，第一階段為恒流充電，充電電流可設定，當充電電壓達到4V時轉入第二階段，即4.2V的恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時，表明電池已充到額定容量的93%～95%，此時即可認為基本充滿，如果繼續(xù)充下去，充電電流會慢慢降低到零，電池完全充滿。充電過程中，“充電”指示燈亮；充滿時，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅。充電子程序流程圖如圖4-4所示。電壓>4V？電壓>4V？電流<0.1mA恒流充電充電結束恒壓充電入口返回采集電壓電流YNYN圖4-4充電子程序結構流程圖4.6電源子程序的設計本太陽能手機充電器與傳統(tǒng)充電器相比，最大的優(yōu)點就是不僅能直接給電池充電，還能作為普通的直流電源使用，其中的5V直流輸出也可以直接給手機充電，或作為MP3等其他小電子設備的供電電源。其輸出電壓0到5V可調(diào)，數(shù)字顯示，并有完善的過流保護功能，從而確保電子產(chǎn)品的安全使用。充電子程序流程圖如圖4-5所示。入口入口采集電壓電流關斷輸出增大占空比跳過減小占空比過電流?輸出電壓判斷返回NY小大相等圖4-5電源子程序結構流程圖5結束語本手機充電器系統(tǒng)的設計分為硬件電路設計和程序設計兩個部分，硬件電路設計屬于前期的主要工作，通過方案論證與可行性分析，最終確定由89C51單片機完成主電路的控制與設計，并展開外圍電路與控制硬件電路設計，硬件電路的設計主要是電路原理圖的繪制以及參數(shù)的確定。在硬件電路設計上遇到一些問題，關于DC/DC轉換的PWM脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生問題，經(jīng)過反復分析論證，最后確定用單片機通過編程來實現(xiàn)，這樣將大大降低硬件的成本。軟件的設計采用模塊化的程序設計方法，分為主程序部分、數(shù)碼管顯示模塊、AD轉換采集模塊以PWM脈寬信號產(chǎn)生模塊等。程序的設計既參考了一些資料里的內(nèi)容，也有相當多的自我設計，比如說PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生程序，就是參考了網(wǎng)友提供的標志位加定時器實現(xiàn)的方法，但主程序中有關數(shù)據(jù)處理計算的則是自己設計，因為這些東西涉及到具體硬件電路，是找不到相關資料的，在數(shù)據(jù)處理中有簡單的單字節(jié)算法，也有雙字節(jié)的，有的則采用巧妙的算法有效避免出現(xiàn)雙字節(jié)，從而使程序設計變得簡單。對于本設計，如果進行進一步的研究，我認為應該在以下幾個方面重點考慮：（1）考慮顯示模塊改用液晶顯示，這樣可