便携式太阳能充电器的设计综述.docx
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便携式太阳能充电器的设计综述
便携式太阳能充电器的设计
摘要
随着人们对化石能源的开采,能够利用的资源越来越少,再加上化石能源对环境的污染越来越严重,寻找新的洁净、高效的能源,成为了人们迫在眉睫的问题。
从上个世纪人们就开始研究太阳能,到了今天太阳能的利用有了前所未有的进步。
人们出门在外,最大的问题就是手机等电子产品电耗完了,但是却没有可以快随直接的供电产品,这该如何解决呢?
本文在这一问题的基础上提出了基于单片机的便携式太阳能充电器的设计,利用单片机的智能性实现了对电路的控制,利用光伏发电的原理将太阳能所发的电转换为电子产品所能利用的电能,从而解决了人们的一大难题。
而且它不仅可以为手机等充电,还能作为一般的电源来使用,与传统的充电器相比有很大的优势。
关键词:
太阳能;光伏发电;电池;单片机;智能;DC/DC变换
TheDesignOfThePortableSolarCharger
ABSTRACT
Aspeopleonfossilenergymining,lessresourcesleaveforustouse,combinedwithfossilenergypollutionmoreandmoreserious,lookingforanewcleanandefficientenergy,becametheloomingproblems.Fromthelastcentury,peoplestartedtoresearchonsolarenergy,totheuseofsolarenergytoday,ithaveanunprecedentedprogress.
Peoplegooutintheoutside,thebiggestproblemisthatmobilephonesandotherelectronicproducts,powerconsumption,butnottofastwiththedirectpowersupplyproducts,howtosolvethis?
ThisarticleisbasedonMCUwhichisproposedonthebasisofthedesignoftheportablesolarcharger,usingsingle-chipmicrocomputerintelligentrealizedthecontrolofthecircuit,bytheuseoftheprincipleofphotovoltaicsolarelectricityisconvertedtoelectronicproductscanuseelectricity,thussolvedabigproblemtopeopleanditcannotonlyforchargingthemobilephone,alsocanbeusedasageneralpower,tocomparedwiththetraditionalcharger,ithasagreatadvantage.
Keywords:
Solarenergy;Photovoltaic(pv)powergeneration;Thebattery;Singlechipmicrocomputer;Smart;DC/DCconversion
便携式太阳能充电器的设计
1.绪论
1.1本课题研究的背景
随着人们对化石能源的开采,能够利用的资源越来越少,再加上化石能源对环境的污染越来越严重,寻找新的洁净的高效的能源,成为了人们迫在眉睫的问题。
然而对于地球来说,接收到的太阳能远远大于我们所利用的能量,这就造成了能源和资源的浪费。
而且,太阳能属于洁净能源,不会产生像化石燃料燃烧所产生的温室气体,更不会对环境造成污染。
因此这就成为了各国竞相研究的课题,而且为了提高国际竞争力,对太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。
人们出门在外,最大的问题就是手机等电子产品电耗完了,但是却没有可以快速直接的供电产品,这该如何解决呢?
本文在这一问题的基础上提出了基于单片机的便携式太阳能充电器的设计,通过太阳能的光伏发电原理对太阳能电池进行充电,经过一系列复杂的控制和电压电流的变换,产生出能够为手机电池直接充电的电压等级。
目前,随着各国的竞相开发与研究,对于太阳能的研究已经达到了一定的高度,但是还存在一些不足,例如现在太阳能产品还比较昂贵,还不能普及。
相信在未来几十年里这个问题会得以解决,使太阳能资源真正的成为人们所离不开的。
1.2太阳能充电器的优点
太阳能相对于其他的能源,是可再生的,取之不尽用之不竭,这就为太阳能充电器提供了源源不断的能量来源,其他能源的话,一个是资源稀缺有限,第二个要花很多钱,而且一年的维护费用比太阳能产品要高出90%左右,所以在节能、经济、安全方面,太阳能充电器都有它的好处。
太阳能充电器与普通的充电器相比有以下几大优点:
1.太阳能充电器特别适应于应急场合。
出门在外最怕的就是电子设备没有电,而且没有高速快捷的充电设备,而太阳能充电器就克服了这一难题,只要有阳光的地方就能够充电,为人们的生活提供了很大的方便。
2.相对于普通充电器来说,它的充电效率高,而且对环境无污染,是一种高效、节能、环保的电子产品,对当前的环境污染严重、能源利用效率低等现状有很大的改善。
3.它的造型简单、携带方便,极大的改善了人们快节奏的生活状态。
1.3本课题研究的主要内容
本课题所研究的太阳能充电器是通过太阳能电池板,利用“光生伏打效应”将太阳能转换为电能,经过输出装置,为负载提供电能。
经过直流变换即所谓的斩波环节,将一种直流电,变换为另一种可以控制的直流电,从而满足充电的要求。
通过单片机的控制环节,经过复杂的控制,生成PWM波,控制开关管的关闭与导通,从而实现电路的控制环节。
由于对锂电池采用全过程恒流充电的方式容易使电池因为过度充电而减少使用的寿命,所以采用开始恒流快速充电的方式,等到电压上升到设定值时,采用恒压的充电方式这个过程也是通过单片机的控制来实现的。
而且系统中设有完备的过电流过电压保护,避免电池因过度充电而损坏。
电路中设置有显示环节,通过功能键灵活的选择电路的输出,为不同的电子产品充电。
有阳光的地方就能够充电,与传统的充电器相比,更为灵活,通信更为方便[3]。
2.太阳能充电器的硬件电路设计
2.1太阳能发电的原理
太阳能发电的原理是利用光生伏打效应,首先由太阳能电池吸收光子,当光子达到一定数量之后,就会在体内产生电子-空穴对,其中电子带负电,光子带正电,由于两者的极性相反,就会被半导体P-N结所产生的静电场所分离开,电子和空穴分别流向太阳能电池的正极和负极,从而产生电流,接上负载之后就可以向外电路供电了[2]。
2.2系统的总体设计方案
如下图2-1为系统的总体设计框图。
图2-1系统总体设计框图
由于太阳光的变化幅度大而且无规律,所以通过太阳能电池板所获得的电能不稳定,不能直接用来供给给电路,所以需要经过直流变换的环节,即斩波电路将一种直流变换为另一种可调节的直流,从而满足电路的需求。
而且大部分充电器大都采用大电流的快速充电法,如果充电时间过长而没有及时拔去充电器,就会造成电池的损伤,从而减短电池的寿命[4]。
在本系统中通过太阳能电池板将太阳能转换为电能,由AT89C51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ADC0808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[5]。
系统中电能的主要来源是太阳能电池板,它是整个系统的主体部分,也是最主要的部分,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。
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,实测的峰值电压可达6V,峰值电流为100mA,实测功率为0.6W。
实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。
本课题中所采用的太阳能电池板经过稳压器输出为5V的电压。
2.37905的应用
7905是典型的三端稳压集成芯片,它不需要太多的外围元件,使用起来很方便,而且还含有过流、过热等保护,提高了系统的稳定性。
它的输出电压为4.9-5.1V,最典型的应用是5V。
它的典型应用电路如图2-2所示。
图2-27905的典型应用电路
为避免输入端断开时C1向稳压器放电造成不必要的损伤,在稳压器的两端之间跨接一个二极管,从而构成对7905的保护作用。
一般电容所能承受的最高电压应比电源的输入和输出电压高。
电路中C1的作用是,减小纹波电压,消除自激振荡,取值范围在0.1μF~1μF之间,上图中C1选用0.33μF;电容C2主要作用是用于改善负载的瞬态响应,消除电路高频噪声,一般取0.1μF左右,上图中C2选用的是0.1μF[7]。
2.4单片机控制单元
图2-3为单片机的引脚图。
图2-3单片机引脚图
在本系统中单片机控制单元主要功能是控制信号的采集、按键的操作以及连接显示器从而控制显示器的输出,由于AT89C51单片机具有低电压、高性能的特点,含有定时器能够控制系统定时采集PWM脉冲控制信号、3个8路I/O口用来接按键部分以及连接数模转换系统从而将模拟信号转换为数字信号来显示输出,能够满足本系统的控制要求,故本系统的控制单元主要采用AT89C51单片机对系统进行控制。
在本系统中单片机工作的具体过程是上电复位,查询键盘,根据键盘的输入状态来确定充电器的功能。
再继续查询键盘,确定输出的大小或普通电源的输出电压,然后转移到相应的子程序计算PWM占空比,开始输出电流或电压,并将数据发送到显示电路。
在输出的过程中通过定时器的定时检测,来判断输出的电流或电压,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,通过检测电流的大小来确定电池充电的多少,从而改变充电方式或决定是否继续充电[8]。
单片机最大的好处是可以重复使用以及修改电路工作状态,而且简化了硬件电路设计,使电路的升级改造变得简单易行。
2.5电流电压的采集及转换
ADC0808是CMOS组件,它带有8位的ADC部分,还有8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑,并且可以直接和单片机接口。
(1)ADC0808的内部结构框图如图2-4所示。
图2-4ADC0808的内部结构框图
由图4可知,通过通道地址的锁存和译码将数据传输到模拟通道选择开关IN0-IN7从而决定选通哪一路开关,然后送入A/D转换部分进行数模转换将结果通过D0-D7输出。
(2)ADC0808的引脚结构如图2-5所示。
图2-5ADC0808的引脚结构
IN0-IN7为8位模拟量输入引脚。
ADDA-ADDC为模拟通道选择地址信号,ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。
当ALE线为有效值时,A、B、C的地址信号被锁存,从而选通对应通道进行模拟量的输入。
通道选择表如下表2-1所示。
表2-1CBA通道选择表
CBA
选择的通道
CBA
选择的通道
000
IN0
100
IN4
001
IN1
101
IN5
010
IN2
110
IN6
011
IN3
111
IN7
START为A/D转换启动信号,正脉冲时有效,所有内部寄存器清零;负脉冲时进行数模转换;转换的过程应保持为低电平。
EOC用来判断转换是
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