畢業(yè)設計-基于at89c51單片機的便攜式太陽能充電器設計-文庫吧

【正文】 設計總體方案示意圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 太陽能光伏發(fā)電 是直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電形式。在太陽的光照下，單元太陽能電池組件能產(chǎn)生一定的電動勢，通過單元組件的串并聯(lián)構成太陽能電池方陣，以達到系統(tǒng)輸入電壓的要求。通過智能控制器對移動設備進行直接充電或者對蓄電池進行充電以備不時之需。 目前，太陽能光伏發(fā)電技術的應用已從軍事、航天等高新科技領域走 ADC0809 DC/DC 變換 顯示 按鍵 89C51 太陽能電池板 移動設備電池 7805 穩(wěn)壓中介 4 進平民百姓的視野。而且在西藏等地區(qū)對于電能的傳輸較內(nèi)地更為麻煩，對于太陽能的采集有更高的優(yōu)勢，因此能夠得到更好的應用。從長遠的目光來看，隨著太陽能電池制造技術的發(fā)展以及光伏發(fā)電裝置性能的不斷完善，必將為人類大規(guī)模地利用太陽能 提供廣闊的市場，太陽能的利用也一定會占據(jù)越來越重要的地位。 太陽能電池參數(shù)及選用標準 根據(jù)太陽能電池板所用材料的不同可分為： （ 1） 硅太陽能電池； （ 2） 無機鹽多元化合物為材料的太陽能電池，如砷化鎵 IIIV，硫化鎘，銅銦硒等； （ 3） 功能高分子材料（有機半導體）太陽能陽能電池； （ 4） 納米晶太陽能電池。 在此 設計 中，我們采用的是硅太陽能電池。表 21 為硅太陽能電池分類與簡介： 表 21 硅太陽能電池分類與簡介 太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)工作的基礎，其功能是將太陽光的能量轉(zhuǎn)化為電能以滿足人們的各項要求。該設計采用模塊組合，將太陽能板進行串、并聯(lián)以達到具有一定要求的輸出電流和輸出電壓的一組光伏電池。考慮市面上各種移動設備的需求不等，采用八塊相同參數(shù)太陽能電池板進電池類型 實驗室轉(zhuǎn)換效率 生產(chǎn)轉(zhuǎn)換效率 性能 單晶硅太陽能電池 % 15% 效率高于非晶硅薄 膜電池 多晶硅薄膜太陽能電池 18% 10% 效率高于非晶硅薄膜電池 非晶硅薄膜太陽能電池 15% 8% 成本低重量輕，穩(wěn)定性不高，轉(zhuǎn)換效率較高 5 行串、并聯(lián)，所選用的太陽能電池板技術參數(shù)指標如表 22 所示： 表 22 太陽能電池板技術參數(shù)指標 實際輸出可根據(jù)不同的被充電對象進行平滑調(diào)整。 51 系列單片機處理器 51 系列單片機作為當今使用最為廣泛的處理器具有明顯的優(yōu)勢，綜合各方面因素，本 設計 采用采用 51 系列單片機 AT89C51。圖 22 為 AT89C51的引腳排列圖。 圖 22 單片機引腳排列 本 設計 中單片機的主要任務是通過計算，對電池板最大輸出功率進行尋找以及確定充電電池的充電狀態(tài)。因 此所要做的工作有兩個，一是通過項目 參數(shù) 實測 max 尺寸 120mm45mm 峰值電壓 6V 峰值電流 100mA 450mA 標稱功率 5W 6 采樣電路實時采集太陽能電池板的輸出電壓和電流，二是將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，生成 PWM 脈寬調(diào)制信號并與預設置的信號進行對比，以此控制開關管的導通與關斷用來調(diào)節(jié)脈寬的增大獲減小，從而實現(xiàn)智能控制輸出電壓以及電流的大小。 單片機最大的好處是可以重復使用以及修改電路工作狀態(tài)方便，而且簡化了硬件電路設計。 穩(wěn)壓器件的選擇 在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，性能穩(wěn)定，使用方便等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。由于本電路設計需要 5V 的輸出電壓，故選擇三 端穩(wěn)壓器 7805. 7805 是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是 TO220 封裝，能提供 5V 的直流輸出電壓，內(nèi)置電源保護電路。當使用外圍器件時，可以提供不同的輸出電壓和電流。 圖 23 三端穩(wěn)壓集成電路 7805 的引腳及封裝圖 單片機電源電路的設計以三端集成穩(wěn)壓器 7805 為核心，屬于串聯(lián)穩(wěn)壓電路，圖 23 是三端穩(wěn)壓集成電路 7805 的引腳及封裝圖。 7805 具有輸入電壓范圍寬、工作電流大、輸出精度高、工作及其穩(wěn)定以及外圍電路簡單等特點，即使太陽能電池電壓有較大的波動，也能穩(wěn)定的輸出 5V 電壓，從而為整個電路的 正常運行提供了保障。 電壓電流的 A/D 采集 電路中設計了多功能電壓電流輸出，并且配帶顯示器，故應在電路中加入數(shù)模轉(zhuǎn)換元件。一方面需要對數(shù)據(jù)采集以調(diào)節(jié)合適的輸出電壓和電流， 7 另一方面進行完整的電壓電流輸出顯示。 ADC0809 是一個比較具有代表性的數(shù)模轉(zhuǎn)換元件，在現(xiàn)實生活生產(chǎn)中使用較為廣泛。 ADC0808 是 ADC0809 的簡化版本，功能基本相同。由于在 Proteus 中ADC0809 沒有仿真模塊，故不能使用 ADC0809 進行仿真，所以一般在硬件仿真時采用 ADC0808 進行 A/D 轉(zhuǎn)換，但在實際工業(yè)生產(chǎn)時采 用 ADC0809 進行 A/D轉(zhuǎn)換。故在此 設計 中選擇 ADC0808 進行仿真。圖 24 為 ADC0808 的引腳圖。 圖 24 ADC0808 的引腳結構 ADC0808 各腳功能如下： IN0IN7： 8 位模擬量輸入引腳。 GND：地。 VREF（ +）：參考電壓正端。 VREF（ ）：參考電壓負端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。 EOC：轉(zhuǎn)換結束信號輸出引腳 OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時鐘信號輸入端。 A、 B、 C：地址輸入線。 通道選擇表如下表所示。 8 表 23 通道選擇表 在設計中， START 和 EOC 兩個信號的作用是啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。 ADC0808轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)發(fā)送至 AT89C51 的 P2 口，然后由 AT89C51 進行處理以便電路的各項參數(shù)進行調(diào)節(jié)。 ACS712 的選用 在大多數(shù)的電子產(chǎn)品電路中，直交流的電流 精準測量一直是個難題，為此各類測量元件蜂擁而出。 設計 初期，本人選擇的是 MAX471 測量元件，由于在使用的仿真軟件 Proteus 中沒有元件模板，而且進行封裝的話，各項參數(shù)不好設置，故使用另外一個測量元件 ACS712，而且 ACS712 可以為大多數(shù)情況下的直交流測量提供一個很好的解決方案。圖 25 為 ACS712 的引腳圖。 圖 25 ACS712 引腳圖 C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 9 如圖 25 為 ACS712 引腳圖， ACS712 具有以下優(yōu)點： （ 1） 、封裝輕便，在各種電路上使用方便。可以應用在電動機控制等電路上； （ 2） 、具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電 路，在電路的應用中便于控制盒檢測； （ 3） 、具有較低的功率損耗（內(nèi)電阻一般情況下為 ）； （ 4） 、接線端與傳感器引腳之間電氣絕緣。適用于一些對電氣絕緣要求較高的設備。 在本設計中，使用 ACS712 來檢測充電電流，通過 D/C 轉(zhuǎn)換通道精確測出充電電流，完成預充電到正常充電再到浮充的全自動智能充電過程。 按鍵電路的選擇及設計 由于本電路設計實現(xiàn)功能較多，故在電路中加入了六個按鍵，分別實現(xiàn)電路的輸出功能選擇鍵（為移動設備充電和作為直流電源）、數(shù)字加減鍵、確定鍵和過電流保護指示燈功能，在本電路中，將按鍵接在 P1 口 。 圖 26 按鍵接線圖 10 在單片機應用系統(tǒng)中，按鍵主要有兩種形式： （ 1） 、獨立按鍵：每個按鍵都單獨接到單片機的一個 I/O 口上； （ 2） 、矩陣編碼鍵盤：通過行列交叉按鍵編碼進行識別。 在本設計中由于按鍵不是太多，故采用獨立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖 26 為本設計的按鍵接線圖。由 P0 口的硬件構成可知，如果P0 口做輸出的話則需要接上拉電阻，之后再與按鍵連接起來。在實際工作中還需考慮按鍵的抖動問題，所以在電路的軟件編程中按鍵部分必須加入延時程序以保證電路的準確性。 數(shù)碼管顯示電路 的設計 綜合各種因素，本 設 計 采用 LED 數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路 ,每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O 接口。單片機只需要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，直到有新的數(shù)據(jù)要顯示時 ,再發(fā)送新的字形碼可以了。這樣可以是 cpu 的負荷減少到最小。 圖 27 數(shù)碼管驅(qū)動電路 在實際電路需要一個中介作為 LED 顯示器的靜態(tài)顯示接口以便連接在AT89C51 上。在經(jīng)過考慮之后，可以選用 74HC164 實現(xiàn)此功能。圖 27 為 11 數(shù)碼管驅(qū)動電路。數(shù)碼管在單片機內(nèi) 09 所對應的字型碼分別是： 01H， 4FH，12H， 06H， 4CH， 24H， 20H， 0FH， 00H， 04H。 12 3. 軟件設計 系統(tǒng)整體程序框架 設計 電路整體工作主要由單片機程序控制實現(xiàn)。其工作過程為：電路初始化，輸出功能選擇，選擇確定輸出電流電壓，為移動設備充電直至完成，程序整體框架如圖 31 所示。 啟 動數(shù) 據(jù) 初 始 化電 源 子 程 序充 電 子 程 序充 電 完 成電 池 充 電NY 圖 31 程序整體框架流程 電路初始化程序 初始化是每個具有單片機電路開始工作的必需的工作，主要完成以下工作： （ 1） 、清片內(nèi) ram，進行上電復位操作； （ 2） 、置初始參數(shù)設定，以利系統(tǒng)的工作； （ 3） 、設置系統(tǒng)運行所需的各個參數(shù)； （ 4） 、返回執(zhí)行充電任務。 鍵盤子程序 鍵盤子程序主要作用是檢測開關是否處在有效的開關狀態(tài)，而且在確定程序運行后判斷應執(zhí)行那個充電狀態(tài)。 通常所用的按鍵為輕觸機械開關，因機械觸點在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，一般為 5ms～ 20ms， 13 所以讀取端口后要做一定的延時以排除鍵抖引起的誤動作。圖 32 為按鍵子程序結構流程圖。 入 口讀 I/O口處 理 存 入 緩 存返 回延 時NY 圖 32 按鍵子程序結構流程圖 數(shù)碼管顯示子程序 開機時，需要先進行初始化數(shù)碼管。如圖 33 為數(shù)碼管顯示子程序。 入 口初 始 化按 鍵 按 下查 詢 顯 示返 回NY 圖 33 數(shù)碼管顯示子程序結構流程圖 14 當要顯示某字符時，片內(nèi)工作為：把首先把起始地 址送入 DPTR 中作為基址，然后將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)作為偏移量送入變址寄存器 A，執(zhí)行查表指令 “MOVCA， @A+DPTR”，則累加器 A 中得到的結果即對應數(shù)字的字形碼。 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序 數(shù)據(jù)采集及數(shù)模的轉(zhuǎn)換主要 ADC0808 完成，然后傳遞給 AT89C51 進行數(shù)據(jù)的處理后產(chǎn)生預期的效果。程序流程如圖 34 所示。 入 口初 始