1、 本科毕业设计 (论文 ) 手机充电器的设计与仿真 学 2015 年 6 月 本科毕业设计 (论文 ) 手机充电器的设计与仿真 学 院： 电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 2015 年 6月 燕山大学毕业设计 (论文 )任务书 学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程系 摘要 I 摘要 太阳能作为一种可再生、清洁能源，对于化石能源的 替代和环境问题的改善有很大帮助。目前，太阳能电池在便携式电子设备中的应用已经取得了很大的进步。现在手机已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，但是手机电池的储能是有限的，在远离市电的环境下，电池的耗尽为
2、通信带来极大的不便。而且，近些年来手机充电器的安全问题已逐步受到人们的关注。 本文在对太阳能手机充电器进行了理论研究与计算机仿真的基础上，设计了两种在没有电源的情况下也能给手机充电的太阳能手机充电器，即基于集成芯片的太阳能手机充电器与基于 MPPT 的太阳能手机充电器。在硬件电路与软件程序方面进行了详细的设计，使其 能够实现其作为充电器应具备的基本功能。还应用 MATLAB 仿真软件对电路进行了仿真研究。并且对两种太阳能手机充电器设计方案进行了比对，阐述了各自的优缺点。 关键词： 手机充电器；太阳能； MATLAB；芯片；单片机 燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) II Abstract So
3、lar energy as a renewable and clean energy, to the improvement of the replace fossil energy and the environment are of great help. At present, the solar cell application in portable electronic devices has made great progress. Now mobile phone has become an indispensable part of Peoples Daily life, b
4、ut mobile phone battery energy storage is limited, in far away from the grid environment, battery run out for communication inconvenient. Moreover, the security problems of mobile phone chargers has gradually by the attention of people in recent years. Of solar mobile charger in this paper, on the b
5、asis of theory research and computer simulation, design the two solar mobile charger witch can also be used to recharge the phone without power , solar mobile charger based on integrated chip and solar mobile charger based on the MPPT. In the aspect of hardware circuit and software program in detail
6、 design, so it can realize it as a charger should possess the basic function. What s more,this paper used the MATLAB simulation software of circuit simulation. And the two kinds of solar mobile charger design has carried on the comparison, this paper expounds the respective advantages and disadvanta
7、ges. Keywords Mobile phone charger; Solar energy; MATLAB; Chips; Single chip microcomputer III 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.1.1 太阳能研究的背景及意义 . 1 1.1.2 手机充电器研究的背景及意义 . 2 1.2 市场产品概况及国内外研究现状 . 2 1.2.1 市场产品概况 . 2 1.2.2 太阳能国内研究状况 . 3 1.2.3 太阳能国外研究状况 . 3 1.3 课题研究的主要内容 . 3 1.4 本
8、章小结 . 4 第 2章 太阳能电池与蓄电池的论述 . 5 2.1 太阳能电池的研究 . 5 2.1.1 太阳能电池的工作原理 . 5 2.1.2 太阳能电池的等效电路 . 5 2.1.3 太阳能电池的输出特性 . 7 2.1.4 太阳能电池仿真模型的建立 . 8 2.1.5 太阳能电池最大功率的实现 . 10 2.2 蓄电池及其充电控制 . 14 2.2.1 蓄电池介绍 . 15 2.2.2 蓄电池充电方法 . 15 2.2.3 蓄电池充电仿真 . 16 2.3 本章小结 . 18 第 3章 基于芯片的太阳能手机充电器硬件设计 . 19 3.1 系统结构与参数设计 . 19 3.2 CN30
9、63 芯片介绍 . 19 3.3 MCC6288 芯片介绍 . 22 3.4 本章小结 . 24 IV 第 4 章 基于 MPPT 的太阳能手机充电器硬件设计 . 25 4.1 系统总体设计 . 25 4.1.1 系统总体设计要求 . 25 4.1.2 系统的参数设计 . 25 4.1.3 系统整体结构设计 . 26 4.2 具体硬件电路的设计 . 27 4.2.1 基于 MPPT 的蓄电池充电控制电路设计 . 27 4.2.2 蓄电池放电电路 . 30 4.2.3 控制系统电路设计 . 32 4.2.4 软件设计 . 40 4.3 本章小结 . 43 结论 . 44 参考文献 . 45 致谢
10、 . 46 附录 1 开题报告 . 47 附录 2 中期报告 . 51 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 太阳能研究的背景及意义 随着人们对化石能源的开采，能源日益紧缺，再加上化石能源对环境的污染越来越严重，环保的压力不断增大，寻找廉价的新型的清洁能源，成为了世界各国的发展方向。对于地球来说，接收到的太阳能远远大于所利用的能量，这就造成了能源和资源的浪费。而且，太阳能属于清洁能源，不会产生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，为了提高国际竞争力，各国对于太阳能资源的利用和开发更是刻不容缓。太 阳能产业的发展不仅是单纯的经济问题
11、，更是能源替代和环保的问题。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，转换过程中不释放包括二氧化碳在内的温室气体，是对环境没有任何污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室效应具有非常重大的意义。目前，太阳能电池的应用已从军事、航天领域进入到工业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。而且随着太阳能电池技术的改进以及新型光 电转换装置的发明，以及各国对环境的保护要求和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍是利用太阳辐射能切实可行的方法， 为人类将来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。太阳能电池技术最重要的研究内容，就是如何在给定光电转换材料和电池的条件下，完
12、成高效可靠的充电。随着太阳能电池板价格方面越来越便宜和科学家在光伏技术方面研究的不断深入，人类对于太阳能的利用将会越来越多。但是，太阳能光伏发电技术在家庭小产品方面的应用实例还是相对较少的，如目前使用太阳能充电的手机充电器还没有被广大消费者普遍接受。因此，太阳能作为一种容易获取、对环境无污染的绿色能源若能应用到消费类产品中，对于改善地球的整体的能源状况和环境问题有着巨大的意义。 燕山大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 1.1.2 手机充电器研究的背景及意义 自马丁库伯在 1973 年发明了手机，经过几十年的发展它已经成为了人们生活中不可或缺的通讯工具。目前，中国已拥有 13 亿的手机用户，如果
13、手机无法正常使用，将会给我们的工作、生活带来许多的不便，甚至造成巨大的损失。手机充电器作为手机的一个必不可分的组件，它的性能好坏，会直接影响到手机的正常使用，所以手机充电器的作用至关重要。然而现在市场上有些充电器的产品质量并不能满足要求，而且还存在着安全隐患。充电器的质量、安全等一系列问题不仅直接影响着手机的正常使用，还使手机电池的寿命大大减少。尤 其是安全问题特别重要，有关手机在充电过程中发生爆炸的事故很多，这很大程度上和手机充电器的质量有关。所以手机充电器的质量不能保证的话，一旦出现意外，就会产生难以想象的危害。而智能充电器能够对充电过程进行控制，不仅可以在充电过程中对电池进行保护，还可以
14、防止过电压并控制充电温度 1。还存在的一个问题是，手机电池的储能是有限的，外出远离市电的人们经常会遇到手机没电又无法及时补充电能的情况，这时，太阳能手机充电器的优点就显现出来。首先，它特别适合应急的场合，只要有阳光的地方就可以进行充电；其次，它体现了节能、环保的理念，是一款绿色的产品。综上所述，太阳能手机充电器具有非常广阔的发展前景和巨大的现实意义。 1.2 市场产品概况及国内外研究现状 1.2.1 市场产品概况 如今，市场上手机充电器的类型主要有旅行手机充电器、座式充手机电器、车载手机充电器、无线手机充电器、太阳能手机充电器等。目前，市场上销售最多的是旅行手机充电器，严格地从充电电路进行分析
15、，只有非常少的一部分充电器属于真正意义上的智能控制手机充电器。现在一些较好的手机充电器有如下特点：多电压可选、限流保护、体积小、重量轻、快速充电、自动关断等。而且随着节能环保 概念的提出，对手机充电器节能环保与可靠性也提出了更高的要求，因此，太阳能手机充电器必然成为以后手机充电器的一种发展趋势。 第 1 章 绪论 3 1.2.2 太阳能国内研究状况 中国从 1958 年开始了太阳能电池的研究，在 1971 年成功应用在东方红二号卫星上，于 1973 年开始应用在地面上。可以说我国的光伏发电起步较晚，但是发展速度较快。中国的光伏发电产业在 20 世纪 80 年代以前一直处于起步阶段，但是随着我国
16、的经济发展，政府对光伏发电产业的关注与投入也越来越大。自 2002 年起，我国太阳能电池制造业高速发展，但是，在太阳能电池的应用方面， 跟发达国家相比，我国太阳能光伏电池的市场需求相对较小，发展相对缓慢，工艺技术方面也比较落后，在国外的市场仍面临着严峻的考验。在太阳能电池的研究方面，国内很多高校和研究机构也都长期致力于太阳能光伏发电技术的研究，并积累了许多经验也取得了一些的研究成果。虽然与国外相比，我国的技术水平和投入力度还有很多不足，在太阳能光伏发电的应用层面上还有很大的发展空间，但是，随着我国经济的进一步发展，以后一定可以利用丰富的太阳能资源解决资源短缺的问题。 1.2.3 太阳能国外研究
17、状况 太阳能光伏产业从 20 世纪 80 年代以来一直持 续发展，太阳能光伏发电技术应用于全世界，特别是在非洲、澳洲、南美洲、亚洲等国家普遍受到重视。为了鼓励开发和利用光伏能源，各国政府出台了各种鼓励政策以推动太阳能光伏发电产业的发展，尤其以美国、德国等一些西方发达国家为主。德国率先推出“ 1000 太阳能屋顶计划”，美国也在 1997 年提出“百万屋顶计划”，并制定相关的财政补贴政策，此后，意大利、法国、西班牙荷兰等国家也纷纷出台政策以鼓励、促进太阳能光电产业的发展 2。使得其应用范围遍及到几乎所有的用电领域。太阳能电池的光电转换效率也随着技术的进步不断地提高，晶体硅 的光电转换效率达到 15%，单晶硅的光电转换效率为23.3%，砷化镓光电池的光电转换效率是 25%，特别是新型的薄膜太阳能电池由于用硅量只有硅片电池的 1/100，加工工艺简化，可以大大缩短能量返还的时间，提高能量的再生比。 1.3 课题研究的主要内容 本文在对太阳能手机充电器进行了理论研究与计算机仿真的基础上，设
