便攜式太陽能充電器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　電子與信息工程學(xué)院</b></p><p>　　本 科 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　論文題目 便攜式太陽能充電器的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào)

2、 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　指導(dǎo)教師 xx </p><p><b>　　2013年5月</b></p>&l

3、t;p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前對(duì)太陽能利用主要體現(xiàn)在兩方面：光熱轉(zhuǎn)換與光電轉(zhuǎn)換，本文利用太陽能光電轉(zhuǎn)換特性，設(shè)計(jì)了一種在沒有電源的情況下也能隨時(shí)隨地給各種移動(dòng)設(shè)備充電的便攜式太陽能充電器。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)是以ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)作為控制核心,由按鍵指示電路、數(shù)碼管顯示電路、BUCK斬波電路和A/D采集電

4、路等組成的，實(shí)現(xiàn)了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后由LM7805提供穩(wěn)定電壓，經(jīng)過DC/DC變換電路處理后，由充電電路為負(fù)載供電。系統(tǒng)還加入了單片機(jī)控制按鍵，以便自由選擇充電模式，具有根據(jù)返回手機(jī)電流情況，來控制降低電流的輸入和停止充電功能，以免過分充電會(huì)損壞電池，反饋輸出電流的情況，達(dá)到充電智能化的效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能；單片機(jī)；BUCK變換器 </p><p>　　ABST

5、RACT </p><p>　　At present the use of solar energy is mainly embodied in two aspects: the sunlight transformation and photoelectric, this paper, by using solar photoelectric characteristics, design a way th

6、at there is no power, it can also charger for various mobile anywhere at any time. </p><p>　　The design takes AT89C51 produced by ATMEL as the control core and is composed of buttons, digital pipe display ci

7、rcuit, BUCK chopper circuit and A/D acquisition circuit, which can transfer solar energy into electric power. With stable electric pressure and then processed by DC/DC transform circuit, it can supply electricity through

8、 charging circuit. The system is added with single-chip control buttons for free choice of charging mode. It will control the input of low current and stop charging a</p><p>　　KEY WORDS: Solar energy；Single

9、chip；BUCK converter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題研究背景1</p><p>　　1.2 本課題研究目的與意義1</p><p>　　1.3 本課題研究

10、的總體思路1</p><p>　　1.4 本課題研究的主要任務(wù)2</p><p>　　2 太陽能電池的研究和分析3</p><p>　　2.1 太陽能電池的原理3</p><p>　　2.2 太陽能電池的等效電路4</p><p>　　2.3 太陽能電池板的輸出特性及影響因素5</p><

11、;p>　　2.3.1太陽的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響6</p><p>　　2.3.2溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響7</p><p>　　2.4本系統(tǒng)所采用的光伏電池8</p><p>　　3 太陽能充電器硬件設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　3.2電源電

12、路設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.2.1 LM7805芯片介紹9</p><p>　　3.2.2 LM7805應(yīng)用電路10</p><p>　　3.2.3電源模塊設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.3控制電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3.1單片機(jī)簡(jiǎn)介12</p><p>　　3

13、.3.2單片機(jī)電路13</p><p>　　3.4 按鍵電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.5 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.6 降壓斬波電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.7 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.8 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)20</p><p>

14、;　　3.8.1 MAX471介紹20</p><p>　　3.8.2 工作原理21</p><p>　　4 太陽能充電器軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.1 系統(tǒng)整體程序框架25</p><p>　　4.2 電路啟動(dòng)初始化26</p><p>　　4.3 按鍵采集程序27</p><

15、;p>　　4.4 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序28</p><p>　　4.5充電子程序的設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.6 電源子程序的設(shè)計(jì)30</p><p><b>　　5 電路測(cè)試31</b></p><p>　　5.1軟件測(cè)試31</p><p>　　5.2硬件測(cè)試33&l

16、t;/p><p>　　6 結(jié)論與展望34</p><p><b>　　致 謝35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p><p>　　附錄1：主電路原理圖37</p><p>　　附錄2：匯編源程序38</p><p>

17、　　附錄3：元器件清單46</p><p>　　附錄4：實(shí)物圖47</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題研究背景</p><p>　　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(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國(guó)家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，

18、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(jì)實(shí)用，光能開發(fā)勢(shì)必會(huì)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。</p><p>　　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(zhì)，使用中不釋放包括二氧化碳在內(nèi)的任何氣體，是對(duì)環(huán)境無污染的可再生能源。這對(duì)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。</p><p>　　目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍

19、事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進(jìn)入工業(yè)、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門。而且隨著太陽能電池制造技術(shù)的改進(jìn)以及新的光—電轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)明，各國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和對(duì)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(shí)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]。</p><p>　　1.2本課題研究目的與意義</p><p>　　使用手機(jī)的人都有過這樣的經(jīng)歷，外出或旅游時(shí)

20、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(jī)變成了信息交流的盲區(qū)，造成不必要的麻煩和經(jīng)濟(jì)損失。為了解決這樣的問題，本課題研究了一種太陽能充電器，它可以很好的解決上述問題，給你的生活帶來很大的方便。既節(jié)約了能量，又使用方便，是居家旅行的必備品。</p><p>　　通過本課題的研究，除了對(duì)所學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步鞏固外，還可以把理論與實(shí)踐結(jié)合起來，把知識(shí)轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力，創(chuàng)造使用價(jià)值，

21、給人們的生活帶來方便。</p><p>　　1.3 本課題研究的總體思路</p><p>　　本充電器通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過DC/DC變換電路處理后，由充電電路為負(fù)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(shè)定值時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)有完備的過流過

22、壓保護(hù)，避免因電池過度充電而損壞，并且充電器采用模塊式結(jié)構(gòu)和USB接口，可對(duì)手機(jī)、MP3、攝像機(jī)等多種數(shù)碼產(chǎn)品充電。</p><p>　　文中介紹設(shè)計(jì)的太陽能手機(jī)充電器，與普通的手機(jī)充電器相比，它的特殊之處除了能源的供應(yīng)來自太陽能電池板外，充分利用單片機(jī)的智能性，設(shè)有完備的</p><p>　　電壓電流檢測(cè)保護(hù)電路，并通過LED顯示電路的狀態(tài)，當(dāng)光線不夠強(qiáng)時(shí)，指示燈不亮，蓄電池為手機(jī)充電，

23、光線足夠強(qiáng)時(shí)，指示燈亮，由太陽能電池板供電，同時(shí)可為充電電池充電。把太陽能電池板放在一個(gè)有陽光的地方，即可以為手機(jī)提供一個(gè)方便的太陽能充電點(diǎn)。這種便捷的太陽能充電器幾乎可以在任何地方補(bǔ)充電力，從而獲得通信的自由。</p><p>　　1.4 本課題研究的主要任務(wù)</p><p>　　結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和任務(wù)要求，我設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的多功用太陽能手機(jī)充電器，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有：&l

24、t;/p><p>　　硬件設(shè)計(jì)：電源模塊設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)，顯示電路模塊設(shè)計(jì)，降壓斬波電路模塊設(shè)計(jì)，檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)以及太陽能手機(jī)充電器電路原理圖設(shè)計(jì)。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)：電路啟動(dòng)初始化程序設(shè)計(jì)，按鍵采集程序設(shè)計(jì)，數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)，充電子程序設(shè)計(jì)，電源子程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　2 太陽能電池的研究和

25、分析</p><p>　　2.1 太陽能電池的原理</p><p>　　太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。當(dāng)太陽光照射時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子——空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。薄片的另一?cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光

26、伏效應(yīng)。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對(duì)于半導(dǎo)體P-N結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。</p><p>　　圖2-1 摻入硼原子的硅晶體結(jié)構(gòu)圖（P型） 圖2-2 摻入磷原子的硅晶體結(jié)構(gòu)圖（N型）</p><p>　　太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光

27、能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子--電子和空穴。半導(dǎo)體內(nèi)在P型和N型交界面（圖2-3）兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)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(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)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(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，外電路則有電流通過。如此形成的一個(gè)個(gè)電

28、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(shí)用的電能。圖2-1所示為P型區(qū)結(jié)構(gòu)圖，圖2-2所示為N型區(qū)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖2-3 半導(dǎo)體P型與N型交界面</p><p>　　另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍(lán)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(duì)于入射光的吸收率[6]。</p><p&g

29、t;　　2.2 太陽能電池的等效電路</p><p>　　光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接</p><p>　　受的光強(qiáng)度一定時(shí)，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(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在P-N結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2-4表示的等效電路來考慮。</p><p>　　圖2-4 理想

30、狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖</p><p>　　在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓V和流過負(fù)荷的電流I之間的關(guān)系式，可由下式給出。太陽能</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　當(dāng)I=0時(shí)，可以得到太陽能電池的開路電壓</p><p><b>　　(2-2)</b><

31、/p><p>　　其中I為電池單元輸出電流；IL為PN結(jié)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(duì)溫度(T=t+273K)；n為二極管指數(shù)。</p><p>　　但是在實(shí)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(fù)

32、載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來表示。同時(shí)，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(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻RSH來等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖2-5來描述，其伏安特性可由（2-3）式給出。</p><p>　　圖2-5 實(shí)際光伏電池等效電路</p><p><b>

33、　　(2-3)</b></p><p>　　此式叫做光伏電池的超越方程式。</p><p>　　2.3 太陽能電池板的輸出特性及影響因素</p><p>　　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(guān)系，所以本文不對(duì)其進(jìn)行討論。本節(jié)將著重探討

34、前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。光伏電池的幾個(gè)重要技術(shù)：</p><p>　　① 短路電流ISC：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。</p><p>　?、?開路電壓VCC：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。</p><p>　?、?最大功率點(diǎn)電流(IM)：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。</p><p>　?、?最大功率點(diǎn)電壓

35、(VSC)：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。</p><p>　?、?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</p><p>　　⑥ 填充因子 (2-4) </p><p>　?、?光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率PM與陽光投射到電池表面上的功率

36、PS之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率η， </p><p>　　以上各個(gè)參數(shù)可以在圖2-6中表示如下。</p><p>　　圖2-6 太陽能電池的I-V特性關(guān)系曲線</p><p>　　圖2-6中，在I-V曲線上總可以找到一個(gè)工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)(MPPT)，即圖中M點(diǎn)。M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流IM為最佳工作電流，

37、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(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅恪Ｔ瓌t上講，可對(duì)輸出功率求導(dǎo)使其為0，即可得到該電池的最佳工作點(diǎn)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?yàn)樗芴柲茈姵貎?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(gè)超越指數(shù)方程，無法用線性方程表示，具有非線性。圖2-6可表示太陽能

38、電池的P-V曲線。</p><p>　　從圖2-6可見，IM和VM的乘積就是最佳工作點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)所確定的矩形面積，在曲線范圍內(nèi)這個(gè)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(duì)實(shí)際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)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(zhǎng)

39、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(zhuǎn)換效率也越高。</p><p>　　2.3.1太陽的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響</p><p>　　圖2-7、圖2-8分別是太陽能電池陣列在溫度為25℃時(shí)，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2-7可知，太陽能電池陣列的輸出短路電

40、流(ISC)和最大功率點(diǎn)電流(IM)隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大，也就是說式(2-3)中ISC強(qiáng)烈地控制著I的大小。雖然日照的變化對(duì)陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對(duì)為電流與電壓相乘的結(jié)果最大輸出功率來說，變化顯著，</p><p>　　如圖2-8中虛線與各實(shí)線的交點(diǎn)所示。</p><p>　　圖2-7 不同日照下的I-V關(guān)系曲線圖 圖2-8 不同日照下的P-V

41、曲線圖 </p><p>　　2.3.2溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響</p><p>　　圖2-9，圖2-10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(duì)太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對(duì)它的輸出開路電壓影響較大。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯，見圖2-10中各實(shí)線的波峰的幅值變化。&

42、lt;/p><p>　　圖2-9 不同溫度下的I-V特性曲線 圖2-10 不同溫度下的P-V特性曲線</p><p>　　綜上，太陽能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?、?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(shí)近似為恒壓源；</p><p>　?、?開路電壓近似同溫度成反比，短路電流

43、近似同日照強(qiáng)度強(qiáng)成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化；</p><p>　?、?輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)(MPP，Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化[8]。</p><p>　　2.4本系統(tǒng)所采用的光伏電池</p><p>　　太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，是該充電器

44、的核心部分，其功能是將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能，如今的便攜式數(shù)碼設(shè)備種類較多，所需電壓電流不等，對(duì)于輸入功率較大的設(shè)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(shè)計(jì)采用模塊式組合，根據(jù)不同充電負(fù)載的需要，將太陽能板進(jìn)行組合以達(dá)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(jī)等常用小功率用電設(shè)備為例，說明其太陽能充電器的設(shè)計(jì)過程。所選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如下： 尺寸125mm×63mm

45、5;3mm，峰值電壓6V，峰值電流160mA，標(biāo)稱功率0.96W?？紤]被充電池的電流不同所需充電時(shí)間不等，應(yīng)采用2塊相同參數(shù)電池板進(jìn)行串聯(lián)。電池板的理想輸出電壓最大值為12V,電流最大可達(dá)160mA，總標(biāo)稱功率為2W左右,但是根據(jù)現(xiàn)實(shí)的陽光照射情況，實(shí)際輸出并沒有這么大，隨陽光照射的情況變化而變化。</p><p>　　3 太陽能充電器硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

46、</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　太陽能電池在使用時(shí)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(dāng)光線條件適宜時(shí)，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)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(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過度的充電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽

47、命。這就需要一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，51系列單片機(jī)是當(dāng)前使用最為廣泛的8位單片機(jī)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(jī)現(xiàn)在以至將來都會(huì)有強(qiáng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的充電智能控制，同時(shí)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(shè)計(jì)方案如圖3-1所示，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)PWM波控制開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的改變，通過顯示

48、電路顯示輸出狀態(tài)及大小，由ADC0809實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換并傳給單片機(jī)做判斷處理，從而實(shí)現(xiàn)電路的智能輸出與控制。</p><p><b>　　3.2電源電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1 LM7805芯片介紹</p><p>　　LM78××系列穩(wěn)壓器能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)涵過流、過熱和過載

49、保護(hù)電路，帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1.5A，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流。單片機(jī)電源電路的設(shè)計(jì)以三端集成穩(wěn)壓器LM7805為核心，它屬于串聯(lián)正電源穩(wěn)壓電路，輸出電壓為5V。 </p><p>　　串聯(lián)式穩(wěn)壓源實(shí)際上是由具有電壓負(fù)反饋的直流放大器構(gòu)成的。其電路框圖如下圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 三端穩(wěn)壓器7805方框圖與實(shí)物圖</p&g

50、t;<p>　　穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸出電壓v0 增高時(shí)取樣電壓vs也增高。vs與VR基準(zhǔn)電壓之差增大,誤差比較管輸出的倒相電壓增大，使調(diào)整功率放大器輸出電流減小，即調(diào)整功率放大器兩端電壓增大，從而v0輸出電壓下降，也就是說v0基本不增加，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓作用。</p><p>　　由以上可見串穩(wěn)型穩(wěn)壓源調(diào)整功放兩端有一定直流電壓，由流過相當(dāng)于負(fù)載電流的直流電流，所以調(diào)整功放電路消耗較大功率。這不僅使調(diào)整功放

51、易發(fā)熱損壞（如果不是調(diào)整功放電路過熱，需選允許功耗大的器件）。而且效率很低，造成電能的浪費(fèi)。所以這種穩(wěn)壓源適于需用較小電流（小于數(shù)百mA），輸出電壓較低（數(shù)十V以下）場(chǎng)合。這種電源使用較簡(jiǎn)便，對(duì)周圍電路產(chǎn)生的干擾噪聲較小。</p><p>　　3.2.2 LM7805應(yīng)用電路 </p><p>　　LM7805有三個(gè)引腳，1腳接輸入電壓，2腳接地，3腳接輸出。</p><

52、;p>　　功能：輸出穩(wěn)定電壓5V，輸出電流接近1A。</p><p>　　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(yīng)用電路如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 LM7805應(yīng)用電路</p><p><b>　　注：</b></p><p>　　1）輸入電壓，即使是紋波電壓中的低值點(diǎn)，都必

53、須高于所需輸出電壓 2V 以上。</p><p>　　2）當(dāng)穩(wěn)壓器遠(yuǎn)離電源濾波器時(shí)，要求用 Ci。</p><p>　　3）Co 可改善穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　圖3-3是三端穩(wěn)壓集成電路LM7805的應(yīng)用電路，三端集成穩(wěn)壓器設(shè)置的啟動(dòng)電路，在穩(wěn)壓電源啟動(dòng)后處于正常狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)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(zhǔn)電路和恒流

54、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(zhǎng)時(shí)其電感效應(yīng)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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般取0.1μF左右，本文Co即選用0.1μF。一般電容的耐壓應(yīng)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(shí)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(gè)二極管，對(duì)

55、LM7805起保護(hù)作用。</p><p>　　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(jiǎn)單等特點(diǎn)，太陽能電池電壓即使有較大的波動(dòng)，也能穩(wěn)定的輸出5V電壓。</p><p>　　3.2.3電源模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　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(fù)

56、雜化，并破壞了系統(tǒng)的獨(dú)立性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)以及外圍電路供電。</p><p>　　此電源模的一個(gè)特點(diǎn)，就是當(dāng)光線不夠強(qiáng)時(shí)，蓄電池為單片機(jī)及外圍電路供電，光線足夠強(qiáng)時(shí)，由太陽能電池板供電，同時(shí)可為充電電池充電。</p><p>　　這里采用三端集成穩(wěn)壓模塊LM7805設(shè)計(jì)電路的電源模塊，如圖3-4所示。</p><p&

57、gt;　　圖3-4 電源模塊電路</p><p><b>　　3.3控制電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.3.1單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公

58、司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。</p><p><b>　　(1)引腳功能</b></p><p>　　單片機(jī)具備了CPU、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸入輸出口等硬件資源之后，還需要供電電源、時(shí)鐘觸發(fā)和復(fù)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(jī)連接的。&

59、lt;/p><p>　　圖3-5 單片機(jī)引腳圖</p><p>　　圖3-5是單片機(jī)AT89C51的引腳排布圖。這40條引腳大致可分為電源(Vcc、Vss、VPP、VPD)、時(shí)鐘(XTAL1、XTAL2)、專用控制線(ALE、RST、PROG、PSEN、EA)、通用多功能輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)I/O口(P0～P3)等4大部分。該單片機(jī)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

60、個(gè)芯片提供電源；18腳、19腳是時(shí)鐘振蕩引腳，它們的內(nèi)部連接一個(gè)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(gè)CPU及其定時(shí)等有效操作系統(tǒng)提供時(shí)鐘。另外兩條引腳是和RST。31腳是程序存儲(chǔ)器片內(nèi)片外選擇腳，如果接低電位，CPU不從片內(nèi)ROM</p><p>　　中取指；接高電位，CPU先從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指。第9腳RST的主要功能是使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)接通以上

61、5腳后，只要在第9腳上加一個(gè)寬度不小于24個(gè)振蕩周期，也就是2個(gè)機(jī)器周期的正脈沖，它就能使系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位就是意味著CPU里各種寄存器等功能部分有一種標(biāo)準(zhǔn)的、固定的狀態(tài)，這樣有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　(2)單片機(jī)最小系統(tǒng)：</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51系列單片機(jī)來說,最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、

62、晶振電路、復(fù)位電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間，一般采用10~30uF，容值越大需要的復(fù)位時(shí)間越短。單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，頻率越大處理速度越快。單片機(jī)最小系統(tǒng)起振電容C2、C3一般采用15~33pF，并且電容離晶振越近越好，晶振離單片機(jī)越近越好。圖3-6所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)。<

63、/p><p>　　圖3-6 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.3.2單片機(jī)電路</p><p>　　本系統(tǒng)單片機(jī)主要完成的任務(wù)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(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制輸出大小。具體工作過程是上電復(fù)位，查詢按鍵確定功能，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序并分析計(jì)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

64、顯示。在輸出過程中通過單片機(jī)定時(shí)器定時(shí)檢測(cè)輸出電流或電壓，與設(shè)定值比較后調(diào)節(jié)PWM占空比，使輸出趨于設(shè)定值。在電池充電過程中，通過檢測(cè)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。</p><p>　　通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了充電過程的智能控制，而且大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)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(jiǎn)單的修改程序即可實(shí)現(xiàn)，從而使電路的升級(jí)改造變得簡(jiǎn)單易行。&l

65、t;/p><p>　　3.4 按鍵電路設(shè)計(jì) </p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式：獨(dú)立按鍵和矩陣編碼鍵盤。獨(dú)立按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)接到單片機(jī)的一個(gè)I/O口上，獨(dú)立按鍵則通過判斷按鍵端口電位即可識(shí)別按鍵操作；而矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進(jìn)行識(shí)別。</p><p>　　通常所用的按鍵為輕觸機(jī)械開關(guān)，正常情況下按鍵的接點(diǎn)是斷開的，當(dāng)我們按壓按鈕時(shí)，由

66、于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而機(jī)械觸點(diǎn)在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短由按鍵的機(jī)械特性及操作人員按鍵動(dòng)作決定，一般為5ms～20ms；按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短是由操作人員的按鍵按壓時(shí)間長(zhǎng)短決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒不等。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中由于按鍵不是太多，故采用獨(dú)立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖3-7為本設(shè)計(jì)的按

67、鍵接線圖。</p><p>　　圖3-7 按鍵接線圖</p><p>　　對(duì)電路總體考慮后，將ADC0809采集電路接在了單片機(jī)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(gòu)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

68、鍵，P1.3為過電流保護(hù)指示燈，按下P1.6代表給手機(jī)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(jī)充電，電池充電控制則有手機(jī)提供。</p><p>　　3.5 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　AT89C51單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)串行I／O端口，通過引腳RXD和TXD可與外部電路進(jìn)行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由TXD端送出，接收時(shí)數(shù)據(jù)由RXD端輸入

69、。串口有四種工作方式，通過編程設(shè)置，可以使其工作在任一方式以滿足</p><p>　　不同的場(chǎng)合。其中，方式0是8位移位寄存器輸入／輸出方式，多用于外接移位寄存器以擴(kuò)展I／O端口。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(gè)移位寄存器就可擴(kuò)展一個(gè)8位的并行輸入／輸出接口，如果想多擴(kuò)展幾個(gè)并口就需要在外部級(jí)連幾個(gè)移位寄

70、存器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用基于串口的LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，這樣單片機(jī)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(shí),再發(fā)送新的字形碼?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。單片機(jī)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(yīng)的數(shù)字。</p><

71、p>　　表1 74HC164功能表</p><p>　　說明：H=高電平（穩(wěn)定態(tài)） L=低電平（穩(wěn)定態(tài)） ×=不定 ↑=從低電平轉(zhuǎn)換到高電平QA0…QH0=在穩(wěn)定態(tài)輸入條件建立前QA…QH 的相應(yīng)電平QAn…QHn=在最近的時(shí)鐘輸入條件（↑）建立前QA…QH 的相應(yīng)電平，表示移位一位</p><p>　　圖3-8 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路</p><p&g

72、t;　　如圖3-8單片機(jī)AT89C51的串口外接1片74HC164作為L(zhǎng)ED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(shí)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A---DP各段對(duì)應(yīng)的引腳上。本設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)碼段的亮度一致。要顯示某字段則

73、相應(yīng)的移位寄存器74HC164的輸出線必須是低電平。</p><p>　　3.6 降壓斬波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　太陽能電池在使用時(shí)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(shè)計(jì)中引入斬波變換電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓或者降壓變換，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。</p><p>　　

74、降壓斬波電路(Buck Chopper)的原理圖及工作波形如圖3-9所示。圖中V為全控型器件IGBT，D為續(xù)流二極管。由圖3-9（b）中V的柵極電壓波形UGE可知，當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)，電源Ui向負(fù)載供電，UD=Ui。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管D續(xù)流，電壓UD近似為零，至一個(gè)周期T結(jié)束，再驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，重復(fù)上一周期的過程。負(fù)載電壓的平均值為：</p><p><b>　　（3-1）</b>&l

75、t;/p><p>　　式（3-1）中ton為V處于通態(tài)的時(shí)間，toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間，T為開關(guān)周期，α為導(dǎo)通占空比，簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū?α=ton/T)。由此可知，輸出到負(fù)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。</p><p>　　(a)電路圖 (b)波形圖</p>

76、<p>　　圖3-9 降壓斬波電路的原理圖及波形</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中開關(guān)管選用2N5366PNP型三極管和2N5551NPN型三極管聯(lián)合使用。2N5366的射極與電池板正極相連，集電極與電感相連，基極與2N5551三極管的集電極相連，2N5551的基極與單片機(jī)的P1.1口相連，射極與地相連。當(dāng)P1.1口輸出高電平，2N5551導(dǎo)通，進(jìn)而2N5366導(dǎo)通，電壓輸出；當(dāng)P1.1口輸出低電平，2

77、N5551截至，2N5366截至，無電壓輸出。通過編程，控制占空比。</p><p><b>　　如圖3-10所示。</b></p><p>　　圖3-10 降壓斬波電路圖</p><p>　　3.7 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)</p><p>　　受外界環(huán)境因素影響，太陽能電池輸出的電壓極不穩(wěn)定，而且隨著手機(jī)電池充電的飽和，恒

78、壓充電的電流會(huì)隨著時(shí)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(zhuǎn)換后送由單片機(jī)進(jìn)行判斷是否需要進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)使輸出接近設(shè)定值。</p><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以和單片機(jī)直接接口。</p>&

79、lt;p>　　（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE為高電平，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。如圖3-11。</p><p>　　圖3-

80、11 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　(2)引腳結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖3-12 引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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(fù)端；EOC

81、：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)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。</p><p>　　ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)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。 </p><p>　　地址輸入和控制線：4條 </p><

82、;p>　　ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)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2所示。</p><p>　　表2 CBA通道選擇表</p><p>　　數(shù)字量輸出及控制線：11條 </p><

83、;p>　　ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)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。 </p&

84、gt;<p>　　CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p><b>　?。?）電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中用單片機(jī)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

85、、C地址線，P2.3接在0809的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的ALE端經(jīng)74HC74觸發(fā)器二分頻后提供，單片機(jī)采</p><p>　　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、P2.2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

86、近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。而觸發(fā)單片機(jī)動(dòng)作準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，這時(shí)使P2.5輸出高電平，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，單片機(jī)讀取P0口然后做下一步處理操作。如圖3-13所示。</p><p>　　圖3-13 ADC0809的接線圖</p&

87、gt;<p>　　3.8 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　ADC0809不能處理微弱的電信號(hào)，尤其在手機(jī)充電接近飽和的時(shí)候，電流十分微弱，必須經(jīng)過放大才能由ADC0809處理。</p><p>　　3.8.1 MAX471介紹</p><p>　　MAX471是美國(guó)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(cè)量電流的上

88、下限為3A，可通過一個(gè)輸出電阻將電流輸出轉(zhuǎn)化為對(duì)地電壓輸出。根據(jù)實(shí)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。</p><p>　　MAX471具有如下特點(diǎn)： 具有完美的高端電流檢測(cè)功能；內(nèi)含精密的內(nèi)部檢測(cè)電阻；在工作溫度范圍內(nèi)，其精度為2%；具有雙向檢測(cè)指示，可監(jiān)控充電和放電狀態(tài)；內(nèi)部檢測(cè)電阻和檢測(cè)能力為3A；并聯(lián)使用時(shí)還可擴(kuò)大檢測(cè)電流范圍；</p><p>　　最大電源電

89、流為100μA；關(guān)閉方式時(shí)的電流僅為5μA；電壓范圍為3～36V。</p><p>　　MAX471引腳結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖3-14 MAX471引腳結(jié)構(gòu)</p><p>　　MAX471各引腳功能說明如下：SHDN為關(guān)閉信號(hào)，正常操作時(shí)接地；當(dāng)它為高電平時(shí)，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(fù)端。SIGN為集電

90、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(fù)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。</p><p>　　3.8.2 工作原理</p><p>　　MAX471的功能框圖如圖3-15所示。</p><p>　　圖3-15 MAX471功能框圖</p><p>　　如圖3-15所示M

91、AX471包含兩個(gè)放大器，傳感器電流I通過傳感器電阻從RS+流向RS-（反之亦然），輸出電流流過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(shí)打開。</p><p>　　以圖3-15為例，若傳感器電流從RS+經(jīng)精密傳感電阻流向R-，輸</p><p>　　出端OUT通過輸出電阻Rout接地（GND）。此時(shí)Q2斷開，放大器A1工作，輸出

92、電流從Q1的發(fā)射極流出，由于沒有電流流過RG2交點(diǎn)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和RG2交點(diǎn)的電位，因此傳感電流流過所產(chǎn)生的壓降就等于輸出電流流過RG1所產(chǎn)生的壓降，即</p><p><b>　　×RG1=×</b></p><p>　　所以 =（&

93、#215;）/RG1 </p><p>　　= (×Rout)=( ××) /RG1</p><p>　　同理，若傳感器電流從RS-經(jīng)傳感電阻流向RS+，則可得</p><p>　　= ( ××) /RG2</p><p>　　綜上可得MAX471輸出電壓的方程</p><

94、p>　　= ( ××) /RG</p><p>　　其中———期望的實(shí)際輸出電壓</p><p>　　———所傳感的實(shí)際電流</p><p>　　——— 精密傳感電阻</p><p>　　——— 輸出調(diào)壓電阻</p><p>　　RG——— 增益電阻（RG=RG1=RG2）</p>

95、<p>　　對(duì)于MAX471，所設(shè)定的電流增益為/ RG=500×10-6，=500×10-6 ××，</p><p>　　當(dāng)輸出電阻 =2kΩ時(shí)，在傳感器電流允許變化范圍（-3A≤≤3A）內(nèi)，輸出電壓的變化范圍：-3V≤≤3V ,即滿標(biāo)電壓為3V。</p><p>　　特定的滿標(biāo)范圍所對(duì)應(yīng)的輸出調(diào)壓電阻Rout為：</p>

96、<p>　　Rout=（×RG）/( ×)</p><p>　　對(duì)于MAX471, =/ ×500×106</p><p>　　但要注意，變化時(shí)，須保證MAX471輸出電壓的電壓上限不能超過VRS+-1.5V。</p><p>　　MAX471所需的供電電壓/為3～36V，所能跟蹤的電流的變化頻率可達(dá)到130kH

97、z，采用8腳封裝，其典型應(yīng)用電路如圖3-12所示,對(duì)瞬變電流的響應(yīng)非?？欤粢獪p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(gè)電容1µF（ 也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定）進(jìn)行旁路。這一電容的引入不會(huì)影響到MAX471的使用性能。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，電阻R4采用20K/0.6W精密電阻，在輸出最大500mA時(shí)不超過5V，輸出電壓便于ADC0809采集并作數(shù)字化處理。</p>

98、<p>　　MAX471接線電路如圖3-16所示。</p><p>　　圖3-16 MAX471接線電路圖</p><p>　　4 太陽能充電器軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)整體程序框架</p><p>　　本設(shè)計(jì)整體工作主要由單片機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)，其工作過程為：電路啟動(dòng)初始化，電路功能選擇，輸出選擇并確定輸出，單片機(jī)采集

99、計(jì)算輸出PWM信號(hào)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)并處理調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比等，程序整體框架如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 程序整體框架流程</p><p>　　4.2 電路啟動(dòng)初始化</p><p>　　初始化是為單片機(jī)的運(yùn)行設(shè)置初始的運(yùn)行環(huán)境，主要完成以下工作：清片內(nèi)，每次單片機(jī)加電時(shí)，都將引起單片機(jī)的上電復(fù)位操作。復(fù)位操作完成以后，單片機(jī)的寄存器會(huì)被置以不同的值

100、，這些值中有相當(dāng)一部分是未知的值。這些未知的值在單片機(jī)復(fù)位完成，正式運(yùn)行以后，會(huì)產(chǎn)生無法讓程序設(shè)計(jì)人員掌握的后果，甚至?xí)斐上到y(tǒng)的損壞。因此，在單片機(jī)運(yùn)行后，首先清0使之置初始參數(shù)設(shè)定，便于程序設(shè)計(jì)人員掌握，以利系統(tǒng)的工作。設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行所需的各個(gè)參數(shù)，設(shè)置定時(shí)器和中斷設(shè)定。圖4-2為初始化程序流程。</p><p>　　圖4-2 初始化程序流程</p><p>　　4.3 按鍵采集程序&l

101、t;/p><p>　　鍵盤子程序用于探測(cè)開關(guān)、是否處在有效的開關(guān)狀態(tài)，以決定是否啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。讀線、讀取、相連的端口，并將其值判斷處理后存于相關(guān)緩存中。其中讀取端口后要做一定的延時(shí)以排除鍵抖引起的誤動(dòng)作。圖4-3為按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖。</p><p>　　圖4-3 按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序</p><

102、p>　　數(shù)據(jù)采集主要由單片機(jī)控制ADC0809完成，程序分為數(shù)據(jù)初始化，發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，接收數(shù)據(jù)，處理并存入緩存程序。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集主要由單片機(jī)控制ADC0809完成，程序分為數(shù)據(jù)初始化，發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，接收數(shù)據(jù)，處理并存入緩存，程序流程如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 數(shù)據(jù)采集子程序結(jié)構(gòu)流程圖</p>&l

103、t;p>　　4.5充電子程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　充電過程分兩階段進(jìn)行，第一階段為恒流充電，充電電流可設(shè)定，當(dāng)充電電壓達(dá)到4V時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段，即4.2V的恒壓充電方式，恒壓充電電流會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時(shí)，表明電池已充到額定容量的93%～95%，此時(shí)即可認(rèn)為基本充滿，如果繼續(xù)充下去，充電電流會(huì)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(shí)，“充飽”指示燈

104、亮，“充電”指示燈滅。充電子程序流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 充電子程序結(jié)構(gòu)流程圖</p><p>　　4.6 電源子程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　本太陽能手機(jī)充電器與傳統(tǒng)充電器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)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(jī)充電，或作為MP3等其他小電子設(shè)備的供電電源，并有完善的過流

105、保護(hù)功能，從而確保電子產(chǎn)品的安全使用。電源子程序流程圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 電源子程序結(jié)構(gòu)流程圖</p><p><b>　　5 電路測(cè)試</b></p><p><b>　　5.1軟件測(cè)試</b></p><p>　　啟動(dòng)Keil C51,軟件進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊“Proje

106、ct”→“new uVision Project”新建工程，在彈出的對(duì)話框中選擇所用單片機(jī)的型號(hào)，進(jìn)入工作界面，在target的文件下，新建“.asm”文件，并保存，添加到工程中，編寫C程序，調(diào)試通過后，“.asm”文件，此文件可以直接下載到單片機(jī)中運(yùn)行。</p><p>　　程序在Keil中調(diào)試如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 程序在Keil中調(diào)試</p>&

107、lt;p>　　程序在Debug中調(diào)試如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 程序在Debug中調(diào)試</p><p>　　通過在程序中的調(diào)試，沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，證明匯編程序是可行的，然后生成“.asm”文件，燒錄到單片機(jī)中，進(jìn)行下一步的硬件測(cè)試。</p><p><b>　　5.2硬件測(cè)試</b></p><p>

108、;　　將太陽能電池連接到LM7805的輸入端，同時(shí)，輸出端通過USB線接上手機(jī)，檢查完畢后，置于陽光下，觀察手機(jī)是否能正常充電；</p><p>　　結(jié)果顯示，手機(jī)無充電現(xiàn)象，且數(shù)碼管及LED都不會(huì)亮，分析可能是由于太陽光線不強(qiáng)，造成太陽能電池輸入電壓沒有達(dá)到LM7805的起振電壓；</p><p>　　用電壓表測(cè)量LM7805的輸入電壓即太陽能電池板的輸入電壓，最大只有3V，而LM780

109、5正常起振電壓至少為8V，因此可以斷定太陽能電池板沒有達(dá)到實(shí)際所需的輸入電壓要求；</p><p>　　分析可能是太陽能電池的輸出功率較低，使得LM7805無法正常工作，通過串聯(lián)更換的太陽能電池來提高它的工作電壓，同時(shí)，用手電筒對(duì)著太陽能電池板，提升光照的強(qiáng)度，從而把電池板的輸出功率提上去；</p><p>　　在新的條件下，再次連接好線路，放在太陽光下，觀察充電效果，可是手機(jī)、數(shù)碼管和L

110、ED還是沒有任何的反應(yīng)；</p><p>　　根據(jù)以上情況，懷疑電路本身可能出現(xiàn)某種未知的故障，造成整個(gè)電路出現(xiàn)無法正常工作，于是，用萬用表檢測(cè)各個(gè)管腳的連接情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)的VCC無電壓，進(jìn)一步檢測(cè)后，原來是單片機(jī)的20管腳斷路，排除故障后，再次進(jìn)行充電；</p><p>　　仍然沒有進(jìn)行充電，用萬用表檢測(cè)各個(gè)模塊的電壓，從LM7805入手，輸入電壓為9V，輸出電壓卻為2.3V，而