太阳能充电器的设计毕业论文设计(编辑修改稿)

太阳能充电器的设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 太 阳 能 电 池 板 AT89C51 DC/DC 变换 显示电路 手 机 电 池 ADC0809 郑佳：太阳能充电器的设计 4 总电路原理图 铜陵学院 毕业论文 （设计） 5 第二章 太阳能充电器硬件电路设计 太阳能电池板部分 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、 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 120mm 45mm，峰值电压 6V，峰值电流 100mA，标称功率。 考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，采用八块相同参数电池板进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为,电流最大可达 450mA，总标称功率为 5W 左右 ,实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。 太阳能光伏电池的工作原理如图 所示，当光波照射到半导体表面时，半导体内部N 区和 P 区中的价带电子由于受到太阳光子的冲击，吸收太阳能量发生能级跃迁被激发导带，从而产生了许多处于非平衡状态的电子一空穴对。 由于 PN 结电场的存在，这些电子一空穴对运动到 PN 结区产生分离，其中正电荷和负电荷分别聚集从而产生了与 PN 结势电场相反的光生电场，当接通外部电路环路时，电子一空穴对的运动产生直流电流，从而对外出电能因为单个 PN 结 产生的光生电势比较小 (约 左右 )，在实际应用中，多将许多个小的太阳能光伏电池单元通过串联或者并联组合在一起构成光伏电池组件，从而可以输出更大的电能。 图 显示了太阳能电池的输出特性。 太阳能电池的输出随着二极管的 IV 特性不同而略有变化，且串联电阻 (RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。 不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。 最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。 这种电流称作太阳 能电池的短路电流 (ISC)，它与 VOC 都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为 “电流有限的 ”电源。 当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。 郑佳：太阳能充电器的设计 6 图 21 太阳能光伏电池工作原理 图 22 太 阳能电池 IV 特性 铜陵学院 毕业论文 （设计） 7 在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。 由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP)。 在一种极端情况下，输出电压为最大值 (VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。 在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此， MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用， MPP 实际上总会出现 在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图 23）。 实践中的问题在于，太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。 图 23 太阳能电池输出特性 蓄电池部分 太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。 蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。 电池的定义 在现代技术中电池有了更为精确地定义：能够产生电能的便携、独立化学系统。 电池按转换能量方式分为两大类：一类是物理电池，如太阳能电池；另一类是化学电池，即把化学能转变为电能的装置。 化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电 池（可充电电池）。 其中，一次电池可分为：盒式锌锰电池、扣式锌银电池、锌空气电池等。 二次电池可分为：镍镉电池、氢镍电池、锂电池和铅酸蓄电池等。 一次电池，又叫不可充电电池或原电池，从电池单向化学反应中产生电能。 原电池放电导致化学成分永久和不可逆的改变。 但可充电电池，又叫二次电池，可在应用中放电，也可由充电器充电。 所以二郑佳：太阳能充电器的设计 8 次电池储存能量，而不是产生能量。 充电和放电电流（安培）通常用电池额定容量的倍数表示，叫做充电速率（ Crate）。 例如，对于额定为 1 安培时的电池， C/10 的放电电流等于1Ah/10=100mA。 电池的额定容量（ Ah 或 mAh ）是电池在特定条件下完全放电所能储存的电能。 因此，电池的总能量等于容量乘以电池电压，单位为瓦时。 任何一种电池由四个基本部件组成，这四个主要部件是正负两个电极、电解质、隔膜和外壳。 充放电特性 本系统中，采用阀控式密封铅酸蓄电池 (VRLA 电池 )。 它的充放电特性如下： 1 ）充电特性 c c bU E I r （ 21） 式中 cU 为蓄电池充电时端电压， E 为蓄电池电动势， cI 为蓄电池充电电流， br 为蓄电池内阻。 当以稳定的电流对蓄电池充电时，由于蓄电池内部的化学反应，从而蓄电池内阻发生变化，引起蓄电池端电压的变化如图 24 所示。 （实线为充电过程的变化，虚线为停充 后的变化。 ） 2 . 4 Uv01 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 11 . 62 . 02 . 8abcde  tho 图 24 充电时端电压的变化曲线 在充电初期，蓄电池的端电压升高很快（曲线的 oa 段）。 充电中期，电势增高渐慢（曲线的 ab 段）。 充电后期，端电压比较缓慢地上升。 如继续充电，电池内部的化学反应使蓄电池的内阻增大，因而端电压又继续上升，如曲线中 bc 段。 当充电达到达曲线的 cd 段时，如再继续充电，端电压也不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解。 如果在 d 点停止充电，端电压迅速降低（曲线的 de 段）。 随后端电压慢慢地下降，最后达到稳定状态（曲线的 de 段）。 应当指出，充电速度的快慢 (充电率的大小 )将影响到充电蓄电池的端电压以及充电时间。 充电率的大小是指在一定时间内将蓄电池充满所需电流的大小。 如以 10 小时率充电容量 (C)为 120Ah 的蓄电池，则充电电流为 120Ah/10h=12A，常用 10C 表示 10 小时率。 在充电末期采用较小的充电电流有益于电池的使用寿命延长。 铜陵学院 毕业论文 （设计） 9 2） 放电特性 dd bU E I r   (22) 式中 dU 为蓄电池放电时端电压， E 为蓄电池电动势， dI 为蓄电池放电电流， br 为蓄电池内阻。 当以稳定的电流放电时，蓄电池端电压的变化如图所示。 （实线为放电过程的变化，虚线为停放后的变化。 ） 01 0987654321 1 11 . 62 . 22 . 01 . 8 Uv tho a b cde 图 25 蓄电池放电时端电压的变化曲线 由放电曲线可知，放电曲线基本由三部分组成：放电开始（曲线的 oa 段）短时间内电压快速下降，然后电压缓慢下降（曲线的 ab 段）；最后端电压在极短的时间内迅速降低（曲线的 bc 段）。 第二部分（曲线的 ab 段）的时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。 放电至 c 点时，放电便告结束。 如果继续放电，使电池的端电压急剧下降，如图中虚线部分的 cd 段所示。 这种现象叫过放电，虽然能放出部分能量，如经常过放电会降低蓄电池的充电、放电反应速度，加速蓄电池的老化和降低其使用容量。 一般规定的放电截止时的电压称为放电终止电压。 如果停止放电，则铅蓄电池的端电压立即回升，如图中曲线的虚线部分 ce 段所示。 蓄电池作为电源模块的设计 本系统所采用的电器元件需要外部供电，如果接上外加电源，则使得电路复杂化，并且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。 这里采用三断集成稳压器件 7805 设计电路的电源模块，如图 26 所示。 郑佳：太阳能充电器的设计 10 图 26 电源模块电路 单片机部分 本系统采用 AT89C51 系列的单片机。 这是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除的只读存储器 （ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压高性能 的 CMOS8 微处理器。 该单片机内部有两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八路的 I/O 口，本设计采用 12MHz 的晶振。 单片机最小系统的核心部分包括单片机芯片、振荡电路及复位电路。 单片机主要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，确定输出电流大小，或作为 普通电源的输出电压，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。 图 27 为单片机的系统 结构。 铜陵学院 毕业论文 （设计） 11 图 27 AT89C51 单片机系统结构图 电压电流的 A/D 采集 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D转换器 ， 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。 是目前国内应用最广泛的 8 位通用A/D 芯片 1）内部结构（如下图 28 左图所示） 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 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。