1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 能源犹如人体的血液。随着人类生活水平的提高，人们对能源的需求也日益提高。太阳能作为一种新型的绿色可再生能 源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。因此，太阳能的利用越来越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。而且随着科技的发展，人民生活水平的不断提高，手机越来越成为生活中不可缺少的部分，结合太阳能对手机电池进行充电成为一个新的研究课题，越来越被人们所重视。 本设计以太阳能电池板作
2、为能源核心给系统提供电源，控制电路以单片机作为核心，整个系统由 太阳能电池 、蓄电池、手机充电器三部分组成。太阳能控制器是光伏发电系统的核心部分，本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，通过 C8051F020 单片机的选取和“二次插值法”的应用从而实现最大功率点跟踪 (MPPT)。充电器部分由于市面上的手机基本采用锂离子电池，本文只对于锂电池充电进行简要的介绍，采用 AT89S52 单片机来控制智能充电管理芯片MAX1898 从而实现对单节锂电池的智能充电。 关键词 ： 最大功率跟踪 ,单片机 ，智能 充电器 。 II Solar energy handset battery char
3、ging station research and development - monolithic integrated circuit control system design Abstract The energy just likes the human body the blood. Along with humanity living standard enhancement, the people also day by day enhance to the energy demand. The solar energy takes one kind of new green
4、renewable energy source, has the reserves to be big, use merits and so on economical, clean environmental protection. Therefore, the solar energy use is valued peoples more and more, but the solar energy light bends down the power technology application is the focal point which the people pay attent
5、ion generally.Moreover along with the technical development, living standards unceasing enhancement, the handset becomes in more and more life the essential part, the union solar energy carries on the charge to the handset battery to become a new research subject, more and more is taken seriously by
6、 the people. This design provides the computer by the solar cell board as the energy core to the system, the control circuit takes the core by the monolithic integrated circuit, the overall system by the solar cell, the accumulator cell, the handset battery charger three parts is composed. the solar
7、 energy controller is the light bends down generating systems hard core, how this article in view of enhances the solar energy light to bend down generating systems transfer efficiency, through C8051F020 monolithic integrated circuits selection and “quadratic interpolation” thus the application real
8、izes the biggest power to track (MPPT). Because the battery charger part in the market condition handset uses the lithium ion battery basically, this article only carries on the brief introduction regarding the lithium battery charge, uses at89S52 monolithic integrated circuit to control intelligent
9、 charge management chip MAX1898, thus realizes to the single-node lithium batterys intelligent charge. Key word: MPPT, Monolithic integrated circuit, intelligent battery charger. III 目录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1课题的来源 . 1 1.1.1能源危机和环境污染问题 . 1 1.2国内外技术现状及发展趋势 . 2 1.2.1 太阳能的开发和利用 . 2 1.2.2锂电
10、池的发展 . 3 1.3课题研究的主要内容 . 3 第二章 太阳能电池和手机锂电池的特点 . 4 2.1 太阳能电池的输出特性及最大功率跟踪（ MPPT）的意义 . 4 2.1.1 倾斜面辐照模型 . 4 2.1.2 负载特性 . 5 2.1.3 太阳能光伏电池的特性 . 5 2.3锂离子电池的充电要求 . 7 第三章 太阳能手机充电站硬件设计 . 9 3.1 系统总体设计方案 . 9 第四章 最大功率跟踪器 的设计 . 10 4.1 系统的硬件 . 10 4.1.1 主要器件的选取 . 10 4.1.2 BUCK 电路器件参数的选取 . 11 4.1.3采样电路 . 13 4.1.4信号处理
11、电路 . 14 4.1.5单片机内硬件资源设置 . 15 4.2系统的软件 . 17 4.2.1二次插值法简介 . 17 4.3系统的软件实现 . 18 4.3.1信号的采集 . 18 4.3.2八位脉宽调制程序 . 19 4.3.3登山法寻找最大功率点 . 19 第五章 锂电池充电部分设计 . 22 5.1锂电池充电方法 . 22 5.2 MAX1898介绍 . 24 5.2.1功能介绍： . 24 IV 5.2.2引脚功能介绍： . 24 5.3 充电原理图 . 25 5.3充电器的功能 . 26 5.4充电器的程序设计 . 27 第六章 结论 . 31 参考文献 . 32 致谢 . 错误
12、 !未定义书签。 附录 . 33 太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 1 第一章 绪论 1.1 课题的来源 1.1.1 能源危机和环境污染问题 随着社会的快速发展，手机越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。如果某人的手机不能使用，将对他的工作、生活带来巨大的影响，甚至损失。而外出手机电池没电，又没有适用的手机充电器，是造成手机无法使用的最常见原因之一。因此，作为 流动人口大量集散的火车站、汽车站等场所附近，建造一所太阳能手机充电站，为需要的人们提供服务，以方便旅客的工作和生活，就成为一个迫切的问题。 随着全球经济的发展，能源问题日益尖锐，越来越多的国家开始关注能源利用及转换效率的问
13、题。随着常规能源如石油、煤炭、天然气的日益枯竭，大力发展新能源与可再生能源已成为中国 21 世纪发展国民经济和建设小康社会刻不容缓的主要任务和战略目标。我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要 （ 2006 2020 年）中明确将“可再生能源低成本规模化开发利用”作为重点领域和优先课题。并且专门 颁布了可再生能源法，鼓励和促进可再生能源的规模化利用。 可再生能源是可以永续利用的能源资源，如水能、风能、太阳能、生物质能核能 等，不存在资源枯竭问题。中国除了水能的可开发装机容量和年发电量均居世界首位之外， 太阳能 资源也非常丰富 。 中国太阳能较丰富的区域占国土面积的2/3 以上，年辐射量超过 60
14、00MJ/m2，每年地表吸收的太阳能大约相当于 1.7 万亿 tce 的能量。随着越来越多的国家采取鼓励可再生能源的政策和措施，可再生能源的生产规模和使用范围正不断扩大。自 2006 年可再生能源法实施以来，中国可再生能源 已进入快速发展时期。 2009 年中国可再生能源在一次性能源消费结构中所占的比例已从 2008 年的 8.4%提升 到 9.9%。进入 2010 年以来，为加速能源结构优化升级，我国太阳能、风能、核能等可再生能源产业蓬勃发展 1。 环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点。 环境污染是指人类直接或间接地向环境排放超过其自净能力的物质或能量，从而使环境的质量降低，对人类的生存与发
15、展、 生态系统 和财产造成 不利影响的现象。 例如 ， 温室效应 、 臭氧层破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已发展到相当严重的地步。当然，环境污染的最直接、最容易被人所感受 到 的后果是使 环境 的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动 。 例如城市的空气污染造成空气污浊，人们的发病率上升等等；水污染使 水环境质量 恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人 们 的身体太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 2 健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的污染事件不仅带来健康问题，
16、也造成 社会问题 。随着污染的加剧和人们 环境意识 的提高，由于污染 而 引起的人群纠纷和冲突逐年增加 2 ,3。 1.2 国内外技术现状及发展趋势 1.2.1 太阳能的开发和利用 太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点 4, 5： （ 1）数量巨大：每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所产生的能量； （ 2）时间长久：用之不竭，太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续 100 亿年； （ 3）普照大地：取之不尽，不需要开采和运输；
17、（ 4）清洁无污染：无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。 太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，还有太阳房、太阳灶、太阳能温室和太阳能干燥系统等，这些技术尤其在我国的西部和北 方应用较广，成效显著。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点： （ 1）结构简单，体积小且轻。能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出 45 50W 的晶体硅太阳能电池组件，体积约为 450mm 985 45mm,质
18、量约为 7kg。 （ 2）安装运输方便，建设周期短。只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源；一个 6.5MV 的太阳能电池发电站，占地约 80km2，不足 10 个月便可建成发电。 （ 3）维护简单，使用方便。如遇风雨天，只需检查太阳能电池表面是否被玷污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。大型光伏电站使用计算机控制运行，运行费用低。 （ 4）清洁、安全、无噪声。光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。 （ 5）可靠性高，寿命长，并且应用广泛。晶体硅太阳能电池的寿命可以长达 2035 年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命可以达到
19、 10 多年。太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范 围内都能作为独立电源。 太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 3 1.2.2 锂电池的发展 电池是通过能量转化而获取电能的器件，化学电源是通过氧化还原反应将化学能转化为电能。电池可分为一次电池和二次电池，一次电池是一次性应用的电池，二次电池是可以反复使用的电池。随着便携式设备的发展，无论从节约成本还是从环境保护的角度来说，二次电池都比一次电池更有优势，因此二次电池的市场需求量也越来越大。锂离子电池也是二次电池的一种。 锂电池和锂离子电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池。其是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶
20、液的电池。锂电池的正极可采 用MnO2， SOCL2， (CFx)n 等。 最早出现的锂电池来自于发明家爱迪生。由于锂金属的化学特性非常活泼，使锂金属的加工、保存、使用对环境要求非常高。因此，锂电池长期没有得到应用。 1992 年 Sony 成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的手机、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小，使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。 1.3 课题研究的主要内容 市场上的太阳能手机充电系统主要关注的是系统效率和可靠性等问题。其中提高效率包括如下手段：（ 1）使太阳 能电池或方阵的输出功率最大，出于经济方面的
21、考虑，在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法；（ 2）采用高效的电池充电策略。 为了提供稳定、高效的电光源，从而满足手机充电的要求。本文研究太阳能最大功率跟踪 MPPT 原理，其本质上是一个作为功率调节的 A/D 变换器。它利用晶体开关管工作在开关状态，将太阳能电池阵列的直流输出信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池的等效负载。 A/D 变换器中的开关调节通常采用脉宽调制的方法，它与太阳能电池板串联，通过改变 PWM 波的占空比来控制充电电压，从而实现最大 功率跟踪。 本论文主要包括以下几个方面：首先，对太阳能光伏特性进行研究与分析，并且对实现太阳能电池最大功率点跟踪功能的
22、电路进行总体设计；采用二次插值法和登山法求取最大功率点，用以实现太阳能电池最大功率点的跟踪和控制：从太阳能电池组件、控制电路、太阳能电池最大功率的转化、手机电池充电方式等方面对太阳能手机充电站进行设计。 太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 4 第二章 太阳能电池和手机锂电池的特点 2.1 太阳能电池的输出特性及最大功率跟踪（ MPPT）的意义 光伏发电存在一个很大的问题是光伏电池的输出特性受外界环境影响大，温 度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化 ;另外，光伏电池 转换效率低且价格昂贵，初期投入较大。因此，充分利用光伏电池所产生的能量 是光伏发电系统的基木要求。
23、2.1.1 倾斜面辐照模型 太阳能电池组件每小时的发电量由组件平面上每小时接受到的平均光强、环境温度和组件特性以及负载特性所决定。由于太阳能电池方阵通常与地面成一定倾角安装 ,在计算太阳能电池组件每小时的输出时 , 需要将水平面上实测的辐射强度数据折算到组件平面上的相应值。 Hay6的天空散射各向异性模型常用于此目的 ,其表达式为 : 00/ 0 .5 1 / 1 c o s 0 .5 H 1 c o s T B B D B B BH H R H R H H H H cos / cos B i zR 入射角： 1 c os c os c os sin sin c os i z z s 天顶角：
24、 1 c o s s in s in c o s c o s c o s z 太阳方位角： e w n se w n s s o w1 1802s -1so s in c o s = s in s in zewew 1 | | = 1 其 他 ns 1 - 0 = 1 其 他 1 0 = 1 其 他太阳能手机充电站研究与开发 单片机控制系统设计 5 ew = a r c c o s ta n / ta n 式中， 斜面倾角； 地物表面折射率； i 入射角，太阳辐射与所研究表面法线见的夹角； z 太阳天顶角； 纬度； 赤纬，当天赤纬角为在太阳时正午，太阳光线与赤道平面的夹角； 太阳高度角； 表面
25、方位角，所研究表面法线水平面的投影与正北方向的夹角； s 太阳方位角，太阳辐射水平面的投影与正北方向的夹角。 2.1.2 负载特性 在配有蓄电池的光伏系统中，太阳能电池 方阵向蓄电池充电，蓄电池又通过负载放电。蓄电池的充电伏安特性可以表示为： L B L bV V I R 式中， VB 蓄电池内电动势； Rb 蓄电池的内阻。 2.1.3 太阳能光伏电池的特性 当光照恒定时，由于光生电流 Iph 不随太阳能电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。太阳能电池的两端接入负载 R 后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压 V。负载端电压反作用于太阳能电池的 P-N 结上，
26、产生一般与光生电流方向相反的电流 Id。此外，由于太阳能电池板前后表 面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻 RS。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能电池中，一般串联电阻都比较小，大都在 10-3 欧至几欧之间。另外，由于制造工艺的因素，太阳能电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻 Rsh 来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在 1K 以上。太阳能电池的等效电路如图 2-1 所示。 图 2-1太阳能电池等效电路 由太阳能电池等效电路可得出： ph d shI I I I （ 2-1） 其中
