基于51 单片机的太阳能手机充电器设计1 引言太阳能是为便携式设备.PDF

基于51 单片机的太阳能手机充电器设计 1 引言 太阳能是为便携式设备供电的有吸引力的能源。一段时间以来，它一直被广泛地用于诸如计 算器和航天飞机这样的应用。最近，人们正考虑把太阳能用于包括移动电话充电器这样的范 围更宽广的消费电子应用。太阳能电池板所提供的功率高度依赖于工作环境。这包括诸如光 密度、时间和位置之类的因素。因此，电池通常被用作能量存储单元。当来自太阳能板的电 能有余的时候，就可以对电池充电；当太阳能板提供的电能不足时，电池就可以为系统供电。 目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为： ①硅太阳能电池； ②以无机盐如砷化镓III-V 化合物，硫化镉，铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池； ③功能高分子材料（有机半导体）制备的大阳能电池； ④纳米晶太阳能电池等。我们采用的是硅太阳能电池。 2 充电器的硬件设计 充电器如图1 所示。主要包括电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池 组等，形成了一个闭环系统。 其中，单片机是电路的控制部分，PWM 电路是整个电路的核心部分。下面对系统的工作原 理分几个部分进行简述。 2.1 处理器 处理器采用51 系列单片机89C51。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，采用12MHz 的晶振。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳 能电池板的输出电压和电流以及电池的充电状态，通过计算决定如何对电池板最大输出功率 进行寻找以及确定充电电池的充电状态。 2.2 采样部分 如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D 的 转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号。这种方 法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因而很难选择一 个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器， 从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采用电流电压转换芯片 MAX472，克服 了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，并且可以用 单片机进行精确控制。 电压和电流采样采用串行模/ 数转换器TLC0834，8 位分辨率易于和微处理器接口或独立使 用满比例尺工作或用5V 基准电压用地址逻辑多路器选通的4 或8 输入通道单5V 供电， 输入范围0-5V。 2.3 PWM 控制电路 控制器采用脉宽调制（PWM） 方式控制供电电流的大小。 PWM 发生器是由的单片机输出的PWM 波通过控制电路实现的，主控制器和它采用中断的 方式进行通讯，控制其增大或减小脉宽。PWM 信号通过光电隔离驱动主回路上的MOSFET。 开关管、二极管、LC 电路构成开关稳压电源。用PWM 方式控制的开关电源可以减小功耗， 同时便于进行数字化控制，但母线的纹波系数相对较大。PWM 控制电路如图2 所示。 3 电池充电原理 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用 寿命，图3 为锂电池的充电曲线，共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。 以800mAh 容量的电池为例，其终止充电电压为4.2V。用1/10C（约80mA）的电池进行恒 流预充，当电池端电压达到低压门限V（min）后，以800mA（充电率为1C）恒流充电， 开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近 4.2V 时，改成4.2V 恒压充电，电流 渐降，电压变化不大，到充电电流降为 1/10C（约80mA）时，认为接近充满，可以终止充 电。 4 寻找太阳能最大输出功率点 在寻找最大功率点时，我们采用比较方式来实现，具体的做法是：首先采集太阳能电池板的 输出电压和电流，计算出此时的功率，然后继续采集。如图4 所示。在图4 中，C 点与B 点比较，如比B 点大或相等时，就给一个正号权位；如比B 点小时，就给一个负号权位。 而A 点如比B 点大或相等时，就给一个负号权位；如A 点比B 点小时，就给一个正号权 位。当三点比较完之后，如有两个正号权位则属正斜率，应当增大输出电压，提高输出功率； 如有两个负号权位则属负斜率，应当减小输出电压，提高输出功率；如权位为零即为一正一 负表示达到顶点，不做任何变动。在A、B、C 三点的功率值的取法为先取B点的功率为立 足点，那么先读取C 点功率，再从C 点返回读取A 点功率。连续检测三点的功率值并比 较其大小再计算出权位值，经由权位值来判定立足点要往C 点移动、A 点移动、或不移动。 此种方法虽然运算时间比传统的扰动观察法