太阳能充电器的设计

目录摘要 (1)0 引言 (1)1 电源及负载 (1)2 太阳能充电器硬件设计 (3)2.1 系统总体设计方案 (3)2.2 单片机电路 (3)2.3 LM7805应用及控制器电源电路 (4)2.4 充电电路 (5)2.4.1 DC-DC变流电路 (5)2.4.2 Buck斩波电路 (5)2.4.3 实际充电电路 (6)2.5 电压电流的A/D采集 (6)2.5.1 主要技术指标和特性 (6)2.5.2 部结构和外部引脚 (7)2.5.3引脚连接结构 (8)2.5.4 MAX472及电流检测 (9)2.6 液晶显示电路 (9)3 C51源程序的设计实现 (10)3.1系统整体程序框架 (10)3.2 数据采集及模数转换程序 (10)3.3电路保护子程序 (11)3.4 充电子程序的设计 (12)3.5 电源子程序的设计 (12)结论 (13)参考文献 (13)附录1 主电路原理图 (14)附录2 C51源程序 (16)太阳能充电器的设计唐XX（XX大学XXXX学院20xx XXXXXX专业X班）摘要：根据独立光伏发电系统理论设计了一种太阳能充电器。

该太阳能充电器由多晶硅太阳能电池将光能转换为电能，通过Buck变换器变换为稳定的直流输出，利用锂离子电池充当储能单元。

应用AT89S52单片机设计充电电路的控制管理系统并通过调节PWM波形的占空比来控制电路输出。

关键词：太阳能电池；AT89S52单片机；智能充电；Buck变换器0 引言由于能源问题的日益紧，引起人们对太阳能应用的热潮。

现在，由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池构成的产品发展相对成熟，国外很多专家也正在这方面做深入的研究，太阳能应用拥有广阔的前景。

本论文在所掌握的专业基本理论的基础上，结合其它相关学科方面的知识以及前人在这一领域的研究成果，针对节能环保和目前太阳能充电器对蓄电池的保护不够充分，蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于AT89S52单片机的太阳能充电器的方案，在太阳能对蓄电池的充电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计、算法研究和软件编写，实现了对蓄电池的科学管理。

独立光伏发电系统的前级由光伏电池、DC-DC变流器和蓄电池组成一个光伏充电器。

[1]本设计由多晶硅太阳能电池板将太阳能转化为电能后，分别经过稳压电路和Buck变换器处理后为控制模块和充电电路供电。

并对锂离子电池的充、放电过程和影响锂离子电池使用寿命的各种因素作了详细的分析后，采取开始恒流快速充电，待电池电压上升到限定值时，自动转入恒压充电的方法。

充电过程中采用AT89S52单片机模拟PWM输出来控制开关管的通断，实现电路对锂离子电池的充电控制。

系统中设计有过流过压保护，以避免因电池过度充电而损坏。

1 电源及负载1.1硅太阳能电池特性太阳能电池是一种利用光伏效应把光能转换为电能的器件，它主要是由硅半导体材料构成，当太照射到半导体P-N结时，会在P-N结两边产生电压，当外电路导通时，使P-N结短路就会产生电流，这个电流随着光的强度增大而增大，当接受的光的强度一定时，就可以由太阳能电池在光伏系统中负载的匹配特性决定系统的工作特性，并且太阳能电池可以看成恒流源。

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）。

MPPT所对应的电流为最佳工作电流，电压为最佳工作电压，功率为最大输出功率，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，从而求出最大输出功率。

但要求出其解析解，几乎不可能。

因为它受太阳能电池部等效的串、并联电阻的影响。

其等效电路如图1所示。

图1 太阳能电池等效电路[2]本设计选用的太阳能电池板技术参数指标如下：尺寸120mm×120mm，峰值电压5.5V，峰值电流180mA，标称功率1W。

实际采用两块相同参数电池板进行串联，实测电池板的输出电压最大值为11.8V，电流最大可达110mA，总标称功率为1.2W左右，实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。

1.2锂离子电池充电方式锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高，自放电小，没有记忆效应，工作温度围宽为-20℃～60℃，循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大，使用寿命长，没有环境污染，被称为绿色电池。

锂离子电池标称电压（表示电池电压近似值）3.7V,充电限制电压（恒流充电转恒压充电时的电压值）4.2V。

图2 锂电池常规充电方法图2为3.7V锂电池常规充电方法充电过程示意图。

首先恒流（0.2C或1C）充电，即电流一定，而电池电压随着充电过程逐步升高，当电池端电压达到充电限制电压（4.2V）时,改为恒压充电，即电压一定，电流随着充电过程的继续逐步减小，当减小到0.01C时，则认为充电终止。

[3]2 太阳能充电器硬件设计2.1 系统总体设计方案图3 系统总体设计方案太阳能电池在使用时由于太的变化较大，其阻又比较高，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。

由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后不及时停止会使电池过度充电。

过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来，严重损害电池的寿命，这就需要一个复杂的控制管理系统。

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系列单片机具有强大的生命力。

本系统将采用AT89S52做为充电电路的控制器，以较低的成本来实现复杂的充电智能控制。

本系统总体设计方案如图3所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程调节PWM波形的占空比来控制开关管关断，从而实现输出电压电流的改变。

通过显示电路显示电路状态，由ADC0809和MAX472实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，最终实现电路的智能输出与控制。

2.2 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脉冲宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。

通过单片机编程不仅实现了充电过程的智能控制，而且可以大大简化了硬件电路设计，由于单片机性能全面和适应能力强，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需要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。

本系统设计引脚接线如图4所示，其中P1口接ADC0809数据端口，P0口接LCD1602数据端口。

图4 AT89S52最小系统及引脚连接2.3 LM7805应用及控制器电源电路图5 LM7805应用电源电路单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。

图5是三端稳压集成电路LM7805的典型应用电路。

电路中C5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，取值围在0.1μF～1μF之间。

在输出端接电容C6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。

C7是整流后的第一级滤波电容，取值视情况越大越好。

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C6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接一个二极管，将断电后输入输出端电压钳制在1V以。

LM7805输入电压为7V到35V，最大工作电流1.5A，具有输入电压围宽，工作电流大，输出精度高且工作极其稳定，外围电路简单，成本低等特点，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，从而使单片机等控制电路正常工作。

2.4 充电电路2.4.1 DC-DC变流电路DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波电路的控制方式有三种：一是周期T不变，调节开关导通时间t on，叫脉冲宽度调制；二是t on不变，改变开关周期T，叫频率调制；三是混合型。

直流斩波电路包括六种基本电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路。

[4]2.4.2 Buck斩波电路根据太阳能电池的特性，在本设计中输入始终大于输出，所以设计采用脉冲宽度调制方式的Buck变换器。

Buck变换器又称降压斩波电路或串联开关稳压电路。

其原理图和等效电路图如图6所示。

图6 降压斩波电路原理图及其等效电路图Buck变换器由开关管V1、二极管V2、电感线圈L和电容器C组成，开关管V1受占空比为D的脉冲的控制，交替导通或截止，再经L和C组成的滤波器，在负载R上得到直流输出电压U o，从而完成将未经稳压的直流输入电压U i变换成平滑直流输出电压U o的功能。

我们采用图6所示的等效电路图来分析串联开关电路的稳态工作过程。

开关管V1用一开关S来代替。

当开关S处于位置1时，表示开关管V1处于导通状态。

电流I i=I L，流过电感线圈L时，在电感线圈未饱和前电流线性增加，负载R流过电流I o R上的电压即输出电压U o，其极性为上正下负。

当I i>I o时，电容器C处于充电状态，而二极管V2处于反偏置状态。

当开关S处于位置2时，表示开关管V1处于截止状态。

I i=0，而电感线圈中的电流I L不会发生突变，电感线圈L中的磁场将改变L两端的电压U L的极性，以维持电流I L不变。

负载R上的电压U o仍保持上正下负。

在I L<I o时，电容器C处于放电状态，以维持I o不变，即保持输出电压I o R（即U o）不变。

二极管V2处于正偏置状态，为电感线圈电流I L和输出电流I o提供通路，所以二极管V2起续流作用。

从上述分析中，可以看出当开关管V1处于导通状态时，I i>0。

当开关管V1处于截止状态时I i=0。

所以输入电流I i随开关管V1周期性的导通和截止而成为脉动电流，但输出电流I o在电感线圈L、续流二极管V2、滤波电容器C的作用下却保持连续平滑。

[5]2.4.3 实际充电电路变换器工作在连续模式时，通常选择电感的额定电流大致等于流过此装置的最续电流，然后选择适当的电感使其电流纹波比r约为0.4。

这里r定义为I C为最大负载时电感电流波形的中心，ΔI为其变化摆幅。

对于Buck电路，电感电流波形的平均值（几何中心）等于负载电流，当输入电压增加时电流的峰值同时增加。

因此在Buck变换器的磁路设计中，高输入电压为其最不利的工作条件。

[6]图7 Buck变换器充电电路2.5 电压电流的A/D采集2.5.1 主要技术指标和特性ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行A/D转换的器件。