太阳能充电器毕业设计：单片机智能控温延长电池寿命

第36卷第4期·学术

Vol36

No4

2009年7月

Julv．2009

太阳能充电器的设计

宋振灿，邹继军

(东华理工大学，江西抚州

344000)

要：设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对手机电池充电进行智能控制．

从而提高太阳能电池输出功率及手机电池的使用效率，达到延长电池使用寿命的目的。

关键词：太阳能；单片机；最大功率点；PWM

中图分类号：TK511

文献标识码：A

文章编号：1007—8320(2009)04—0032—02

DesignofSolarcharger

SONGZhen--chan,ZHOUJi_jun

(EastChinaInstituteofTechnology，Fuzhou，~angxi344000，China)

Abstract：Wedesignasolarcellchargerbasedonmonolithicintegratedcircuit．Weuse51monolithicintegrated

circuitstosimulatethecellchargepattern，andtocharge、dischargeprocesscarriesontheintelligentcontrol，thus

raisesthesolarcelloutputandthehandsetbattery’Suseefi

ciency，achievestheextensionbatteryservicelife．

Keywords：Solarenergy；Monolithicintegratedcircuit；maximumpower；Pulse-durationmodulation

使用手机的人都有过这样的经历：外出时手机电

池突然没有电了，因充电器不在身边或找不到可以充

电的地方，影响了手机的正常使用。为了解决这一问

题，本文介绍一种太阳能手机充电器，它使用太阳能

电池板，经电路进行直流电压变换后给手机电池充

电，并能在电池充电完成后自动停止充电。

充电电路的硬件设计

充电器如图1所示

主要包括电源变换电路、采

样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组等，形成了

个闭环系统。其中．单片机是电路的控制部分，PWM

电路是整个电路的核心部分。下面对系统的工作原理

分几个部分进行简述。

PWM控制电路

压采样l

L!二二=-——

A／D转换电路k

l电流采样

图1

充电器电路模块图

收稿日期：2009～04—25

作者简介：宋振灿(1982一)。男，在读研究生，研究方向：嵌入

式系统。

1．1

处理器部分

处理器采用51系列单片机89C51。单片机内部有

两个定时器、两个外部中断和一个串口中断、三个八

路的I／O口，本设计采用12MHz的晶振。单片机的任

务是通过采样电路实时采集太阳能电池板的输出电

压和电流以及电池的充电状态．并采用一定的算法寻

找最大功率点

1．2

电路采样部分

如果在系统中要对电流进行检测，必须先将电流

信号转换为电压信号．然后才能实现

D的转换。常

用的转换方法是在电路中加入精密电阻。由此将电流

信号转换为电压信号。这种方法的优点是测量简单方

便，但是这种方法当电流很小时，影响测量准确度，因

而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检

测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，

从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，可以采

用电流电压转换芯片MAX472．克服了常规测量电流

方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高

测量精度，并且可以用单片机进行精确控制。

电压和电流采样采用串行模／数转换器TLC0834，8

位分辨率易于和微处理器接口或独立使用满比例尺

工作或用5V基准电压用地址逻辑多路器选通的4或

第36卷第4期

宋振灿，等：太阳能充电器的设计

33

8输入通道单5V供电，输入范围0—5V。

1．3

PWM控制电路

控制器采用脉宽调制(PWM)方式控制供电电流

的大小。PWM控制部分是由单片机输出的PWM波通

过控制电路实现的，主控制器和它采用中断的方式进

行通讯。控制其增大或减小脉宽。PWM信号通过光电

隔离驱动主回路上的功率管IF9540。用PWM方式控

制的开关电源可以减小功耗。同时便于进行数字化控

制．但母线的纹波系数相对较大。PWM控制电路如图

2所示

图2

PWM控制电路

电池充电原理

锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过

放或过流时．会造成电池的损坏或降低使用寿命，图3

为锂电池的充电曲线，共分三个阶段：预充状态、恒流

充电和恒压充电阶段。以800mAh容量的电池为例，

其终止充电电压为4．2V。用1／10C(约80mA)的电池进

行恒流预充。当电池端电压达到低压门限V(min)后．

以800mA(充电率为1C)恒流充电，开始时电池电压

以较大的斜率升压．当电池电压接近4．2V时．改成4．2V

恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为

1／10C(约80mA)时，认为接近充满，可以终止充 电。

预充状态

恒流充电

恒压充电

V 1 F

IREG

V M IN

l PR E

图 3

手机电池充 电曲线

电池板最大输 出功率点的找寻 (登 山法 )

登山法属于扰 动观 察法 。也 是最 常用 的最 大功 率

点跟踪 (MPPT) 控制法 。它采用 逐 点检测 太阳 阵列 的

当前输 出 电压 与 电流 值 ，将 计算 出的 当前 功率 P。(P。=

I，U，) 与系统前 一时刻 存储 的功 率值 P 相 比较 ，根 据 比

较结 果确 定参 考 电压 的调 整方 向。具体 的调 整 方案

为 ：令 A P = P，一P 为当前 输 出功 率 与前 一 次功 率之

差 如 果 ：A P>0 ，即 功 率 比上 一 次 有所 增 大 ，说 明参 考

电压 的调整方 向正确 ，继续按原来 的方 向调整 ；A P<

0．即输 出功率 比上一 次小 ，说明参考 电压 的调整 方 向

错误 ．需要 改变 原来 的调整方 向 。此种 方法 虽然运 算

时间 比传统 的扰 动观 察 法较 慢达 到最 大功 率 点 以及

在 日照 量 快 速 变 化 下 无 法 达 到 最 大 功 率 点 ，但 可 以 降

低 传统 扰动 观察 法 中不 明的 干扰及 判 断错 误而 造 成

的功率损失 ．就整个控 制效果而 言可 以接受。

(d )C= B >A

(e)C=B = A

(f)A：B= C

图 4

登山法中最大功率点附近数据状态

程序 总体设计及说 明

我 们采 用 的太 阳 能 电池 板 的 输 出 电压 是 9V ，而

充 电电池 的最高输 入电压要求 不能高 于 4．2V ．为了保

护 电池 起 见 ．我 们 先把输 出的 电压从 低 到高逐 渐 增

加。其 中 Ua 为充 电 电池 两端 电压 ，Ub 为 太阳 能板两

端 电 压 。

图 5

主 程序 流 程 图

产 生 PWM 波 ：可 以采用延 时的办法 。也可 以使 用

定时器 ，可 以根据 需要 进行选择 。

结语

利 用 51 单 片机作 为控制 芯片 。与 外 围电路构 成

太 阳能手机充 电器 ，采用 PWM 方式进行

(下转第48 页)

湖 南 农 机

2009 年 7 月

节带来 了不利影 响。采用负荷传 感技术不 但可 以解 决

这 些 问 题 ．而 且 还 可 以 使 泵 的 输 出 流 量 及 时 适 应 负 载

的需 要 ，实现节 能。因此 ，负载传 感技术在 农业机械 液

压控 制 上 的应用 已变得 越 来越 重要 。黑龙 江垦 区于

1999 年 引 进 的 200 多 台 纽 荷 兰 M160 型 拖 拉 机 均 采

用 了闭心式 负荷传感系统 。该系统 的液压泵属 于三泵

合 一 的 变 量 泵 ，并 带 有 压 力 补 偿 阀 和 流 量 补 偿 阀 。 压

力和流量均 能按 照负载 要求而 改变 ，负载传 感变 量泵

的补偿器 通过传 感油路 可 以控 制农机 具 的液压输 出 、

挂 车 制 动 或 者 是 液 压 提 升

( 2 )机 、电 、液 一 体 化 。 为 了提 高 机 器 的作 业 质 量

并使其 高效 、安全 、可 靠地 工作 ．现代 化农 机将 电子 技

术 、传 感 器 技 术 与 液 压 技 术 相 结 合 ，实 现 了 农 机 的 自

动控制 、自动监 测和 处理 。农 业机 械 的机 、电 、液 一体

化 技术 的 内容主 要包 括 ：微 电脑液 电控 制 、割 台仿 形

控制和 故 障代 码诊 断等 。随着 电子技 术 的飞速 发展 ，

机 电液 一体 化 技术 把 过 去 由分立 元件构 成 的系 统集

成到 一起 ．使 系统 的 整体 结构 趋 于模 块 化 ．从而 使 机

构更简 单。既提 高 了工 作可靠 性 ，又实现 了液 压系 统

的 自动化 ，从而 克服液压 系统 效率低 、漏 油 、维 修性 差

等缺 点 ，以充分 发挥液 压传动 力矩 大 、惯 性小 、响应 快

等优 点。相应地 ，在 数显监控 、机械 电子液压一体 化 自

动控制 技术方面 也会迅速 发展起来 。

(3)液 压动力输 出功率 明显 增加 。近年来 ，油菜生

产 得 到 国家 的 财 政 大 力 支 持 和 技 术 扶 持 ，农 民种 植 油

菜 的积 极性 提 高 ，为满 足 农业 生 产发 展 的需 要 ，今后

油菜 生产 机 械化 装 备主 要 向大 功率 、高 效 率方 向发

展 ．为适 应这 一发展趋势 。液压 技术在油菜生产 机械中

的应用将进一步扩大。

(4)播 种施肥驱 动采用液 压系统完成 。油菜 直播过

程 中 ，联合 播种机 须 同步 完成肥 料和 种子 的施 播 ，为

了与行 走距 离匹配 ，传统 播种机 上 一般采 用地 轮驱 动

排 种 和 排 肥 器，对 排 种 行 距 和 株 距 的 稳 定 性 有 一 定 的

保 障 ，但是 结构 复杂调节 不方 便 。采用液 压 马达驱 动

排 种排 肥轴 ．利用 电液 自动控 制 原理 ，可 以及 时地 完

成 对 排 种 和 排 肥 的 匹 配 调 节 和 无 级 变 速 。而 且 对 整 机

的 结 构 布 局 和 使 用 操 作 性 能 有 极 大 的 提 高 ．还 可 以 保

证排 种和排 肥的均匀 性和可靠 性 。

结语

随着 现代化 农业 的发 展 ，油 菜 生产机械 化装 备必

须具有 功率 大 、效 率高 、宽幅 、高速 、一机 多用 的特 点 ，

而采 用先进 的液 压技术 、电液 综合 自动控 制 是实现这

种要 求的前 提。 实践证 明 ，带 有液压 控制 的农 机具适

应性 强 ，操 纵机动 灵活 ，作业质 量符 合农 艺要 求 ， 液 压

技 术在油菜 生产机械 中的应用 必将愈来 愈广泛 。

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(上接第33页l 控制 ，可 以 自动 寻找 太 阳能 电池板 的 最

大输 出功率 点提高 了能量 的使用 率 ，具有控 制灵 活 、

稳 定性 高 的 优 点 。

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