摘 要

Abstract

目錄

1 緒論

1.1 本課題研究背景及現(xiàn)狀

1.2 課題設(shè)計(jì)思想

1.3 論文結(jié)構(gòu)

2 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案一

2.2 設(shè)計(jì)方案二

2.3 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案

3 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 太陽(yáng)能電池板的選用

3.2 LM7805 穩(wěn)壓電路

3.3 充電主電路的設(shè)計(jì)

3.4 信號(hào)采集處理電路

3.6 單片機(jī) AT89C51 介紹

3.7 單片機(jī)電路

3.7.1 單片機(jī)復(fù)位電路

3.7.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路

3.7.3 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換電路

3.7.4 按鍵電路

3.7.5 數(shù)碼管顯示電路

3.8 鋰電池充電原理

4 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思想

4.2 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器系統(tǒng)的整體程序設(shè)計(jì)

4.3 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器系統(tǒng)的子程序的設(shè)計(jì)

4.3.1 電路啟動(dòng)初始化

4.3.2 按鍵采集程序

4.3.3 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

4.3.4 數(shù)碼管顯示子程序

4.3.5 充電子程序的設(shè)計(jì)

4.3.6 電源子程序的設(shè)計(jì)

5 仿真與調(diào)試

5.1 充電電路仿真

5.2 電流采樣處理電路仿真

5.3 系統(tǒng)做直流電源使用時(shí)電路仿真圖

5.4 系統(tǒng)做充電器使用時(shí)仿真結(jié)果

總結(jié)與展望

參考文獻(xiàn)

附錄A 整體電路圖

附錄B 整體程序

致謝

當(dāng)代社會(huì)隨著一些不可再生資源如煤炭，石油等日益減少，使得各國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)越來(lái)越受能源問(wèn)題的約制，因此許多國(guó)家開始逐漸的實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開發(fā)潔凈的能源如太陽(yáng)能，用以成為本國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。

首先讓我們想到的是太陽(yáng)能電池，因?yàn)樗�不�?huì)消耗水，燃料等物質(zhì)，并且不會(huì)釋放任何對(duì)環(huán)境有污染的氣體，是直接通過(guò)太陽(yáng)光與材料的相互作用釋放出電能，這種無(wú)污染資源對(duì)環(huán)境的保護(hù)有著相當(dāng)重要的意義[1]。由于無(wú)公害的作用，目前世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出具規(guī)模，1995 年到 2004 年的十年內(nèi)平均年增長(zhǎng)率達(dá)到 30%以上。隨著新型太陽(yáng)能電池的涌現(xiàn)，以及傳統(tǒng)硅電池的不斷革新，新的概念已經(jīng)開始在太陽(yáng)能電池技術(shù)中顯現(xiàn)，從某種意義上講，預(yù)示著太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。世界各國(guó)對(duì)光伏發(fā)電也越來(lái)越重視，目前全世界已超過(guò)一百個(gè)國(guó)家使用光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中以歐洲為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家為主，占總市場(chǎng)的 80.1%,早在 09 年的時(shí)候，世界各國(guó)總的光伏新加裝機(jī)容量接近 800 萬(wàn)千瓦，截至當(dāng)年低，世界光伏裝機(jī)容量總共接近 2700 萬(wàn)千瓦[3]。隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電市場(chǎng)的迅速發(fā)展，讓它受到了世界各地的關(guān)注。

目前，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用已經(jīng)逐漸廣泛得到推廣，眾所周知，沙漠地區(qū)由于氣溫特別高，因此最具有大規(guī)模開發(fā)太陽(yáng)能的潛力，這使得沙漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)對(duì)其的使用更加方便，并且能減低甚至節(jié)省昂貴的輸電線路，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，隨著改善太陽(yáng)能電池制造技術(shù)和新的光 - 電轉(zhuǎn)換裝置發(fā)明，國(guó)家環(huán)保和清潔能源，光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能發(fā)電的巨大需求恢復(fù)將繼續(xù)利用太陽(yáng)輻射能比較實(shí)用方法，這可以為人類以后能使用太陽(yáng)能提供了廣闊的開辟前景[4]。

當(dāng)代社會(huì)太陽(yáng)能手機(jī)充電器得到了一定的使用，它具有運(yùn)用方便，環(huán)保，節(jié)能，

格外使用于應(yīng)急場(chǎng)合，高效率充電，性價(jià)比較高，讓大家無(wú)論身處何處，都不會(huì)受到手機(jī)沒(méi)電的困擾[5]。借此太陽(yáng)能手機(jī)充電器的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此提出本課題。

基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電器的設(shè)計(jì)是本次探導(dǎo)的課題。首先，由于太陽(yáng)能電池板的電壓會(huì)隨太陽(yáng)光的強(qiáng)度波動(dòng)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)光的太陽(yáng)能電池板的電壓是高的數(shù)，當(dāng)太陽(yáng)光弱的強(qiáng)度，所述太陽(yáng)能電池板的輸出電壓低時(shí)，從太陽(yáng)能電池板的輸出到穩(wěn)定的電壓[6]。本設(shè)計(jì)采用了穩(wěn)壓器 LM7805 ， LM7805 輸出端口可以輸出穩(wěn)定的5V 電壓，因?yàn)殡娏�可以用于單芯片和其它芯片，其次，作為下一個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換電路。第二，考慮到電池的充電過(guò)程的電壓要求各不相同，不能簡(jiǎn)單穩(wěn)定的直流輸出，因此提出了利用DC / DC轉(zhuǎn)換器電路的，通過(guò)控制關(guān)斷時(shí)間的占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。 SCM 是控制中心，在控制信號(hào)產(chǎn)生電路是由充電過(guò)程的一個(gè)外部狀態(tài)產(chǎn)生的，外部充電電壓的比較信號(hào)和充電電流與理想充電過(guò)程中，占空比調(diào)節(jié)。單個(gè)微控制器設(shè)計(jì)用于該目的，所述電壓檢測(cè)電路和一個(gè)電流檢測(cè)電路，并且為了方便用戶知道系統(tǒng)的狀態(tài)，設(shè)計(jì)設(shè)置在顯示模塊和指標(biāo)。

本論文第一部分介紹了當(dāng)前的形勢(shì)和太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，本研究的背景，并提出了設(shè)計(jì)思路的發(fā)展前景；第二部分論述整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；第三部分介紹了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)；第四部分進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；第五部分進(jìn)行了系統(tǒng)仿真分析；第六部分分析了該設(shè)計(jì)的成果和前景。

該程序使用的 DC / DC 轉(zhuǎn)換電路，將太陽(yáng)能電池板輸出的電壓變換為需要的電壓值給手機(jī)電池充電，同時(shí)單片機(jī)可以控制電路變換，還可采用按鍵設(shè)定某些值，有顯示部分，可以設(shè)定為顯示電路狀態(tài)。可以從該圖中的框圖中可以看出，該程序能夠控制 DC / DC 變換器電路，顯示模塊，但該程序是沒(méi)有實(shí)時(shí)檢測(cè)的外部電路，而不是用 DC / DC 實(shí)時(shí)控制根據(jù)外部電路的條件轉(zhuǎn)換電路。

借于方案一存在的缺點(diǎn)，所以在此提出第二種方案，方案二方框圖如下圖 2.2。

如從圖2可以看出，以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)電路的狀態(tài)的方案的缺點(diǎn)，并通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)到微控制器。 PWM 控制芯片微控制器可以產(chǎn)生施加 PWM波轉(zhuǎn)換電路的控制主要模塊和顯示模塊，但此次方案是將生成 PWM 部分用芯片替換，這使得電路復(fù)雜硬件部分的設(shè)計(jì)，它是更好地使用軟件允許硬件電路簡(jiǎn)單，而且還能充分利用單片機(jī)的功能。

綜合以上兩種方案提出本次設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)框圖如下圖 2.3 所示。

圖 2.3 整體設(shè)計(jì)框圖

相對(duì)于前兩種方案，此整體方案顯示的優(yōu)點(diǎn)，不僅能對(duì)充電電路進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)還可以根據(jù)充電電路的關(guān)鍵電路的信號(hào)處理后的分析來(lái)檢測(cè)的情況進(jìn)行控制可以選擇系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)功能。顯示電路可以顯示用于實(shí)現(xiàn)本方案的電路中，PWM控制信號(hào)的工作狀態(tài)，從而使硬件電路非常簡(jiǎn)單，節(jié)省資源，提高系統(tǒng)的性能。

太陽(yáng)能電池板是通過(guò)吸收太陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射能通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，大部分太陽(yáng)能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。硅太陽(yáng)能電池分為晶體硅電池板, 非晶硅電池板等幾種。單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 15%左右，最高通常可以達(dá)到 24%，它是所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，但制作成本很大，以致于它還不能被普遍地使用,因?yàn)閱尉Ч柰ǔ��?huì)用鋼化玻璃和防水樹脂包裝起來(lái)，所以會(huì)十分耐用，通常能用十幾年，最長(zhǎng)可以用 25年。多晶硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程與單晶的差不多，可相對(duì)而言起光電轉(zhuǎn)換效率要比單晶降低很多，其效率大概在 12% 左右 (其中世界上最高的多晶硅轉(zhuǎn)換效率為 14.8%)[7]。但如果我們從制作費(fèi)用上來(lái)講，多晶硅的由于制造簡(jiǎn)單，節(jié)能節(jié)電，因此其生產(chǎn)費(fèi)用就會(huì)降低不少，從而得到了一定的發(fā)展。另外，其使用年限沒(méi)有單晶硅太陽(yáng)能電池那么長(zhǎng)。如果從性價(jià)比來(lái)說(shuō)，自然是單晶硅太陽(yáng)能電池還略好。接下來(lái)我們說(shuō)下非晶硅太陽(yáng)電池，它是 1976 年出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)電池，其制造過(guò)程得到了很多簡(jiǎn)化，對(duì)硅材料的使用很少，電耗也更低，它突出的優(yōu)點(diǎn)是在很多情況下都能發(fā)電包括弱光時(shí)候。但它也有一定的問(wèn)題，就是光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)而言偏低，就算國(guó)際上的先進(jìn)水平也只大約在10%，不夠穩(wěn)定，時(shí)間越久，其轉(zhuǎn)換效率會(huì)衰減。

根據(jù)所需要的不同數(shù)目的太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換效率是通過(guò)光，溫度和結(jié)晶型太陽(yáng)能電池的制造工藝和其他因素的影響，2010 年中國(guó)平均效率接近為 18%，一般的太陽(yáng)能電池電壓有很多種，其主要用于太陽(yáng)能發(fā)電。

太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是其工作的基礎(chǔ)，是充電器的第一部分，其功能是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)為電能，如今更多種類型的便攜式數(shù)字設(shè)備，電壓和電流范圍所需的輸入功率較大的器件，面積較大，必須使用太陽(yáng)能電池板，這給了攜帶不便。因此，模塊化設(shè)計(jì)的組合，可根據(jù)不同的負(fù)載充電需求，太陽(yáng)能電池板組合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)一組光伏電池在某個(gè)期望的輸出功率和輸出電壓。本文通過(guò)一些常用的小功率設(shè)備例如手機(jī)，來(lái)講解太陽(yáng)能充電器設(shè)計(jì)的過(guò)程。

由于太陽(yáng)能電池板的電壓會(huì)隨太陽(yáng)光的強(qiáng)度波動(dòng)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)光會(huì)使太陽(yáng)能電池板的電壓變高，當(dāng)太陽(yáng)光強(qiáng)度變?nèi)鯐r(shí)，自然會(huì)使電池板輸出電壓變低。為了獲得到穩(wěn)定的輸出，本設(shè)計(jì)應(yīng)用穩(wěn)壓管 LM7805，其輸出口能輸出穩(wěn)定的所需要電壓（5V），以便能保持穩(wěn)定的輸出電壓。典型 LM7805 的應(yīng)用電路圖如圖 3.1 所示。

圖中 C4、C7 的是用于清除因長(zhǎng)期連接時(shí)由于電感效應(yīng)產(chǎn)生的自激振蕩，降低了紋波電壓，在其輸出端接上電容 C6、C5 的作用是清除電路高頻產(chǎn)生的噪聲，以便提高所用負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)電容的耐壓性都會(huì)比電源輸入、輸出電壓要強(qiáng)。此外，在穩(wěn)壓器輸入、輸出端之間加上二極管，可以避免對(duì)穩(wěn)壓器的破壞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) LM7805 的保護(hù)。

LM7805 輸入電壓在 7V 至 37V 之間，其最大工作電流可達(dá) 1.5A，且擁有電路精簡(jiǎn)，電流輸出高，運(yùn)行工作穩(wěn)定，即使電壓不穩(wěn)定，也能使太陽(yáng)能電池?fù)碛胁蛔兊妮敵鲭妷海?V），最后能讓單片機(jī)控制的電路正常穩(wěn)定的運(yùn)行，并且性價(jià)比高，不需要消耗多余的材料。

充電主電路圖如圖 3.2 所示。

圖 3.2 電池充電電路圖

DC/DC 變換是將直流電能（DC）轉(zhuǎn)換成另一種固定電壓或電壓可調(diào)的直流電能，又可稱成直流斬波[8]。若其輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式(Buck ) 直流斬波器即頻率調(diào)制（1）Buck 電路，若其輸出電壓較輸入之電源電壓高，則稱為升壓式(Boost)直流斬波器。主電路核心由圖可以看出，主要由三部分組成即電感 L1,三極管區(qū)和續(xù)流二極管 D1，其也就形成了一個(gè)完整的 BUCK 降壓DC/DC 轉(zhuǎn)換電路；上圖 Q2是具有將 PWM 信號(hào)打開變大，從而到達(dá)驅(qū)動(dòng) Q1開關(guān)管的功能。

為了使鋰電池能完成安全充電，本設(shè)計(jì)的電流取樣處理電路圖如下圖 3.3 所示

電池電壓與單片機(jī) A/D 接口相連，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換和微控制器即單片機(jī)，以獲得測(cè)量的電壓值得到計(jì)算處理。此次充電電流通過(guò)0.1Ω的取樣電阻，產(chǎn)生的電壓再使用 LM358，將電流取樣電壓放大相應(yīng)的倍數(shù)后輸?shù)絾纹瑱C(jī) A/D 接口進(jìn)行采集。電壓檢測(cè)輸出電壓直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后被發(fā)送到 A/D 輸入接口的單片機(jī)進(jìn)行處理。

3.5 單片機(jī)選型

單片機(jī)型號(hào)眾多，但大家熟悉了解的就那么幾種類型。我們?cè)趯W(xué)校接觸到的也就是 C51 系列，C51 是 51 單片機(jī) C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)稱，由于接觸到的單片機(jī)以型號(hào)為 AT 開頭的為多，所以選用了型號(hào)是 AT89C51 為此次設(shè)計(jì)的單片機(jī)。

ADC0809 是 8 位的采樣分辨率，以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的逐次逼近原理。ADC0809 由一個(gè) 8 通道模擬開關(guān)，地址鎖存器,解碼器， A/D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部有一個(gè) 8 通道多路復(fù)用器，它能根據(jù)信號(hào)的地址鎖存譯碼后，門控 8 模擬輸入信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換。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)換器轉(zhuǎn)換。數(shù)字鎖存器的 A/D 轉(zhuǎn)換完成三態(tài)輸出鎖存器，當(dāng) OE 端為高電平，可以從三態(tài)輸出鎖存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)要發(fā)送數(shù)據(jù)后，應(yīng)該傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。關(guān)鍵的問(wèn)題是如何確定數(shù)據(jù)的 A/D 轉(zhuǎn)換完成轉(zhuǎn)移，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，可以發(fā)送。A/D 轉(zhuǎn)換電路圖如圖 3.7 所示

ADC0809 的引腳功能及作用

IN0～I(xiàn)N7：8 路模擬量輸入端。

2-1～2-8：8 位數(shù)字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址輸入線，用于選通 8 路模擬輸入中的一

路。

ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入端，高電平有效。

START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns 寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使 0809 復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換）。

EOC： A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出端，當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入端，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHz。

REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。

Vcc：電源（+5V）。

GND：接地。

按照鍵盤與單片機(jī)的連接方式分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤[11]。獨(dú)立式鍵盤相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)對(duì)其他按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生不好作用。這種按鍵軟件程序簡(jiǎn)單，但占用 I/O 口線較多（一根口線只能接一個(gè)鍵），適用于鍵盤應(yīng)用數(shù)量較少的系統(tǒng)中。矩陣式鍵盤又稱行列式鍵盤，與獨(dú)立式鍵盤對(duì)比，單片機(jī)口線資源利用率提高了一倍。

按鍵接線圖如圖 3.8 所示。

圖 3.8 按鍵電路圖

鍵盤抖動(dòng)的時(shí)間一般為 5～10ms，抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)引起 CPU 對(duì)一次鍵操作進(jìn)行多

次處理，從而可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，因而必須設(shè)法消除抖動(dòng)的不良后果。通過(guò)去抖動(dòng)處理，可以得到按鍵閉合與斷開的穩(wěn)定狀態(tài)。為了準(zhǔn)確判斷閉合鍵的位置，要對(duì)每個(gè)按鍵進(jìn)行編碼。根據(jù)矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)，采用行掃描的鍵位識(shí)別方法。使某條列線為低電平，如果這條列線上沒(méi)有閉合鍵，則各行線的狀態(tài)都為高電平；如果列線上有鍵閉合，則相應(yīng)的那條行線即變?yōu)榈碗娖健Ｓ谑蔷涂梢愿鶕?jù)行線號(hào)與列線號(hào)計(jì)算出閉合鍵的鍵碼。掃描時(shí)由第一列開始，即由 PA 口先輸出 0FEH，然后由 PC 口輸入行線狀態(tài)，判斷哪一行有鍵閉合，若無(wú)鍵閉合，再輸出 0FDH 檢測(cè)下一列各行鍵閉合狀態(tài)，由此一直掃描下去。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，按鍵的數(shù)量設(shè)置為3，它們中的一個(gè)作為一個(gè)復(fù)位按鈕;另一個(gè)作為電壓按鍵，這樣的設(shè)計(jì)提供3V，3.5V，4.0V，4.5V為周期的四個(gè)電壓值，可以 “電壓選擇”鍵選擇一個(gè)電壓輸出;另一個(gè)開始充電，裝上一個(gè)電池為電池充電，當(dāng)按下“開始充電”按鈕，系統(tǒng)開始為鋰電池充電。因此，使用一個(gè)獨(dú)立的密鑰的方法，它可以減少編程的難度。

LED 數(shù)碼管組成的多個(gè)發(fā)光二極管打包在一起，以形成“8”字狀的裝置中，連接導(dǎo)線已在內(nèi)部做好，只要能導(dǎo)致它們導(dǎo)出各自的筆劃，公共電極。

數(shù)碼管顯示電路圖如圖 3.9 所示

本設(shè)計(jì)使用四位 LED 數(shù)碼管數(shù)碼管段加小數(shù)點(diǎn)為 7 或 8 個(gè)數(shù)碼管，數(shù)碼管有兩種陰陽(yáng)，本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管，8 段 LED 陰極接地連接在一起，陽(yáng)極當(dāng)某一高電平時(shí)，二極管被點(diǎn)亮而發(fā)光，設(shè)計(jì)時(shí)允許數(shù)碼管陽(yáng)極的某一組合被設(shè)置高。

鋰電池充電的工作原理就是指其充放電原理。充電時(shí)鋰離子由正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)而嵌入石墨層中。放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過(guò)程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。一般而言電池容量指的就是放電容量。可以看到，鋰電池在充放電的過(guò)程中，鋰離子是存在于正極 → 負(fù)極 → 正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。

鋰蓄電池的充電特性曲線圖如圖 3.10 所示：

圖 3.10 鋰電池充電特性曲線圖

為保證安全充電，對(duì)鋰離子電池充電要求首先是在充電時(shí)保持電流不變，電池電壓會(huì)在充電過(guò)程中漸漸升高，當(dāng)電池端電壓達(dá)到4.2V（4.1V）,會(huì)改變充電狀態(tài)，即變化為電壓不變的恒壓充電。電流會(huì)依照電芯的飽和程度，隨著充電過(guò)程的漸漸降低，當(dāng)降低到0.01CA 時(shí)，認(rèn)為充電終止。大家注意，其中 C 是以電池標(biāo)稱容量對(duì)照電流的一種表示方法，如電池是 1000mAh 的容量，1C 就是充電電流 1000mA，注意是mA而不是mAh，0.01CA 就是 10mA。當(dāng)然，規(guī)范的表示方式是 0.01C5A。

首先主程序由初始化段和循環(huán)主體段兩部分組成，在執(zhí)行循環(huán)體時(shí)，需要一個(gè)個(gè)的調(diào)用所需的任務(wù)模塊，不會(huì)直接去執(zhí)行程序，其中每一個(gè)任務(wù)為一個(gè)子函數(shù)，這種機(jī)制也叫稱為輪詢機(jī)制。舉個(gè)例子說(shuō)明：就是當(dāng)一個(gè)正在被主程序執(zhí)行的子函數(shù)，它會(huì)自動(dòng)確認(rèn)其執(zhí)行條件有無(wú)可行性，如果可以就執(zhí)行，反之，就會(huì)返回。按鍵處理是以 10ms 為周期的選擇一次。PWM 的控制調(diào)節(jié)不能過(guò)快，最好以 200ms 為周期，如果太快，會(huì)影響到數(shù)碼管刷屏，A/D 采樣速度也是一樣。

子程序主要由 4 部分組成，包括初始化程序，PWM 波程序，按鍵采集程序，信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換程序；如果從系統(tǒng)表現(xiàn)出的功能來(lái)看，又可以分成充電子程序、電源子程序，這兩程序都會(huì)用到子程序的 4 個(gè)程序。

本次設(shè)計(jì)使用的 PWM 波是可以掌控開關(guān)管的占空比，它的生成是運(yùn)用了輸出在低電平和高電平的轉(zhuǎn)換、延時(shí)。即當(dāng)輸出為低電平時(shí)，將輸出信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)開關(guān)管斷開，反之，如果其為高電平時(shí)，開關(guān)管則會(huì)打開。開關(guān)管的占空比是通過(guò)低電平和高電平的時(shí)間的比值（即PWM 波的占空比）來(lái)控制。

本設(shè)計(jì)單片機(jī)采用 AT89C51 芯片，由于其內(nèi)部沒(méi)有 AD 轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)需外接轉(zhuǎn)換模塊，本設(shè)計(jì)采用 ADC0809，模擬信號(hào)輸入有兩路，一路是電壓信號(hào)，一路是電流信號(hào)。ADC0809 在對(duì)多路輸入的模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用分時(shí)復(fù)用的方法，即 AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)兩路信號(hào)輪換采集轉(zhuǎn)換。輪換周期根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和控制的情況設(shè)定。

本設(shè)計(jì)由單片機(jī)程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)整體工作，其工作過(guò)程主要為：電路啟動(dòng)初始化，

電路功能的選擇，輸出選擇及確定輸出，單片機(jī)集合計(jì)算輸出 PWM 信號(hào)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)及處理調(diào)節(jié) PWM 信號(hào)占空比等，程序整體框架圖如下圖 4.1 所示。

圖 4.1 程序整體框架流程圖

初始化設(shè)置初始運(yùn)行環(huán)境為單片機(jī)運(yùn)行，主要完成以下任務(wù)：清理片內(nèi) RAM，

每一個(gè)微控制器上電，上電復(fù)位將導(dǎo)致單片機(jī)操作。在復(fù)位操作完成后，單芯片寄存器將被設(shè)置為不同的值，該值的一個(gè)相當(dāng)大的部分是未知的。在微控制器的復(fù)位完成這些未知的值，正式工作后，會(huì)產(chǎn)生不能讓程序員掌握的后果，甚至?xí)�損壞系統(tǒng)。因此，微控制器運(yùn)行后，先設(shè)置為 0，這樣的初始參數(shù)設(shè)置，方便編程人員掌握，以方便系統(tǒng)的工作。設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行所需的參數(shù)，設(shè)置定時(shí)器和中斷設(shè)置。初始化程序流程圖如下圖 4.2 所示。

圖 4.2 初始化程序流程圖

鍵盤子程序用于檢測(cè)開關(guān)，是否在有效的開關(guān)狀態(tài)來(lái)決定是否啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行。讀線、讀取、連接到該端口，它的值存儲(chǔ)處理后確定相關(guān)的緩存。看完端口在其中做了一定的延遲，以排除引起的誤動(dòng)作鍵晃動(dòng)。按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖 4.3 所示。

圖 4.3 按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖

數(shù)據(jù)收集主要是由單片機(jī)控制 ADC0809 來(lái)完成，該方案分為數(shù)據(jù)初始化，發(fā)送一個(gè)命令到開始轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，接收數(shù)據(jù)，處理且存儲(chǔ)在緩存中，程序流程如圖 4.4 所示。

圖 4.4 數(shù)據(jù)采集子程序結(jié)構(gòu)流程圖

開機(jī)時(shí)，先讓數(shù)碼管初始化，通過(guò)串口為“0”字形碼輸出使數(shù)碼管顯示“O”。然后來(lái)確認(rèn)按鍵是否被按下，如果沒(méi)有鍵被按下繼續(xù)確認(rèn)。

顯示子程序時(shí)要先初始化串口，以致串口工作會(huì)顯示在方式 0，以便讀取顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)（其用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也就是將被顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)），然后找到通過(guò)字形碼查表相應(yīng)的方式，再將字形碼寫入串口寄存器 SBUF 通過(guò)串口方式 0 發(fā)送出去顯示。子程序是如何顯示在緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字形碼呢？具體方法是，從小型字形碼到每一位十六進(jìn)制數(shù)到大的順序固定區(qū)域，以便存儲(chǔ)在表單中顯示出來(lái)碼表的記憶。當(dāng)要顯示的字符，該表的起始地址到數(shù)據(jù)指針 DPTR 寄存器為基地，在顯示緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)作為偏移到索引寄存器 A，查表“MOVCA，@ A + DPTR“，在取出相應(yīng)數(shù)字的字形碼其是通過(guò)累加器 A 得到的結(jié)果。

充電過(guò)程分兩階段進(jìn)行，第一階段為預(yù)充電，充電電流以0.01CA的小電流進(jìn)行充電；第二階段，當(dāng)充電電壓達(dá)到3V時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段(一般認(rèn)為三分鐘后電池電壓大于 3V)，以0.5CA的電流進(jìn)行恒流充電方式，。電流降到小于0.01CA時(shí)，表明電池已充到額定容量，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[4]。充電過(guò)程中，“充電”指示燈亮；充滿時(shí)，“充飽”指示燈亮，“充電”指示燈滅，通過(guò)按鍵設(shè)置可控制充電時(shí)間。充電子程序流程圖如圖 4. 5 所示。

與傳統(tǒng)的手機(jī)充電器相比，本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能手機(jī)充電器最大的優(yōu)點(diǎn)是不僅能夠?yàn)殡姵刂苯映潆姡�也可用作一般直流電源。該系統(tǒng)存在并且可以有3V，3.5V，4V，

4.5V 四種電壓輸出，這可以用來(lái)選擇一個(gè)按鈕作為輸出電壓。直流輸出可直接給手機(jī)充電，或作為電源等小型電子設(shè)備，如 MP4。輸出電壓可以是一個(gè)數(shù)字顯示，以及完善一個(gè)過(guò)流保護(hù)作用，以確保能安全使用的電子產(chǎn)品。

電源程序流程圖如圖 4.6 所示。

圖 4.6 電源子程序結(jié)構(gòu)流程圖

總所周知 buck 斬波電路中調(diào)整輸出電壓值的變化是由控制開關(guān)管開通與關(guān)斷時(shí)間控制， multisim 仿真電路如下圖 5.1 所示

圖 5.1 電壓檢測(cè)仿真圖

上面提出將電流采樣電壓是采用 LM358 電路讓其放大到相應(yīng)倍后再輸送到單片機(jī)的 A/D 接口，輸入的電壓是 5V 時(shí)，輸出時(shí)的電壓則為 125V，這樣就能看出其電路所具有放大多少倍（計(jì)算可得 21 倍）的功能。如下圖 5.2 所示

圖 5.2 電流采樣處理電路仿真圖

Protues 軟件因?yàn)椴淮嬖谔��?yáng)能電池模擬模塊，所以在仿真時(shí)我們把穩(wěn)壓輸出電壓值用直流電源電壓為 5V 的來(lái)更換，當(dāng)數(shù)字到達(dá)3時(shí)，表示充電已經(jīng)完成。按復(fù)位鍵會(huì)顯示0，點(diǎn)開始鍵表示開始充電。整體電路仿真圖如下圖 5.4 所示

圖 5.3 整體電路仿真圖

充電器在運(yùn)行過(guò)程中它會(huì)隨著充電的進(jìn)行，充電電壓會(huì)漸漸升高，指示燈會(huì)從0

逐漸變成3，此過(guò)程可表示充電從開始到結(jié)束。仿真結(jié)果如下圖 5.4、5.5、5.6 所示。

圖 5.4 充電過(guò)程仿真

圖 5.5 充電過(guò)程仿真

圖 5.6 充電過(guò)程仿真

時(shí)光飛逝，離開大學(xué)的日子也漸漸向我們走來(lái)，隨之而來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)也即將完成。通過(guò)一段時(shí)間的努力，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)終于結(jié)束了。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們整個(gè)大學(xué)期間學(xué)習(xí)的一次總結(jié)性的檢驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)的過(guò)程能檢驗(yàn)我們大學(xué)期間的基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)是否扎實(shí)，各種知識(shí)間的結(jié)合是否靈活，能否嚴(yán)格，全面，系統(tǒng)的結(jié)合所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)方案，我設(shè)計(jì)了一個(gè)由單片機(jī)控制的充電器，在充電過(guò)程中我們會(huì)看到方形波帶寬會(huì)逐漸變寬，并且會(huì)顯示出“1”，“2”，“3”數(shù)字，在充電完成后波形消失，顯示成一條直線，我設(shè)置了一個(gè)復(fù)位鍵，當(dāng)我按下鍵時(shí)，它會(huì)重新充電。

本次設(shè)計(jì)能初步完成以上功能，但設(shè)計(jì)不足之處很多。主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：第一、本此設(shè)計(jì)顯示模塊采用了數(shù)碼管，不如采用液晶顯示，硬件電路簡(jiǎn)單，能省去一些 I/O 口來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能。第二，沒(méi)有采用溫度檢測(cè)，一般快速充電電流會(huì)比較大，在不超過(guò)允許充電電流的情況下，電池溫度也會(huì)升高，若能加溫度監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)溫度超過(guò)允許值時(shí)，終止充電會(huì)減少因溫度過(guò)高給電池帶來(lái)的危害。第三、沒(méi)有采用電能存儲(chǔ)裝置，不能存儲(chǔ)電能備天氣狀況不好并且沒(méi)有市電的情況使用，若有電能存儲(chǔ)功能，可以將系統(tǒng)閑置時(shí)太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)起來(lái)，作為電源給別的用電設(shè)備使用，這樣可以即方便又節(jié)能環(huán)保。能源的日益緊張，太陽(yáng)能電池板、充放電控制器、蓄電池等構(gòu)成的產(chǎn)品都有了相對(duì)成熟的發(fā)展，相信不久之后太陽(yáng)能手機(jī)充電器的應(yīng)用將會(huì)變得普遍[9]。

單片機(jī)源程序如下: