毕业论文-基于mppt的太阳能手机充电器的设计与仿真

本科毕业设计论文基于MPPT的太阳能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ABSTRACTSOLARENERGYASARENEWABLEANDCLEANENERGY,TOTHEIMPROVEMENTOFTHEREPLACEFOSSILENERGYANDTHEENVIRONMENTAREOFGREATHELPATPRESENT,THESOLARCELLAPPLICATIONINPORTABLEELECTRONICDEVICESHASMADEGREATPROGRESSNOWMOBILEPHONEHASBECOMEANINDISPENSABLEPARTOFPEOPLESDAILYLIFE,BUTMOBILEPHONEBATTERYENERGYSTORAGEISLIMITED,INFARAWAYFROMTHEGRIDENVIRONMENT,BATTERYRUNOUTFORCOMMUNICATIONINCONVENIENTMOREOVER,THESECURITYPROBLEMSOFMOBILEPHONECHARGERSHASGRADUALLYBYTHEATTENTIONOFPEOPLEINRECENTYEARSOFSOLARMOBILECHARGERINTHISPAPER,ONTHEBASISOFTHEORYRESEARCHANDCOMPUTERSIMULATION,DESIGNTHETWOSOLARMOBILECHARGERWITCHCANALSOBEUSEDTORECHARGETHEPHONEWITHOUTPOWER,SOLARMOBILECHARGERBASEDONINTEGRATEDCHIPANDSOLARMOBILECHARGERBASEDONTHEMPPTINTHEASPECTOFHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREPROGRAMINDETAILDESIGN,SOITCANREALIZEITASACHARGERSHOULDPOSSESSTHEBASICFUNCTIONWHATSMORE,THISPAPERUSEDTHEMATLABSIMULATIONSOFTWAREOFCIRCUITSIMULATIONANDTHETWOKINDSOFSOLARMOBILECHARGERDESIGNHASCARRIEDONTHECOMPARISON,THISPAPEREXPOUNDSTHERESPECTIVEADVANTAGESANDDISADVANTAGESKEYWORDSMOBILEPHONECHARGERSOLARENERGYMATLABCHIPSSINGLECHIPMICROCOMPUTER目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题研究的背景及意义1111太阳能研究的背景及意义1112手机充电器研究的背景及意义212市场产品概况及国内外研究现状2121市场产品概况2122太阳能国内研究状况3123太阳能国外研究状况313课题研究的主要内容314本章小结4第2章太阳能电池与蓄电池的论述521太阳能电池的研究5211太阳能电池的工作原理5212太阳能电池的等效电路5213太阳能电池的输出特性7214太阳能电池仿真模型的建立8215太阳能电池最大功率的实现1022蓄电池及其充电控制14221蓄电池介绍15222蓄电池充电方法15223蓄电池充电仿真1623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1931系统结构与参数设计1932CN3063芯片介绍1933MCC6288芯片介绍2234本章小结24第4章基于MPPT的太阳能手机充电器硬件设计2541系统总体设计25411系统总体设计要求25412系统的参数设计25413系统整体结构设计2642具体硬件电路的设计27421基于MPPT的蓄电池充电控制电路设计27422蓄电池放电电路29423控制系统电路设计32424软件设计4043本章小结44结论45参考文献46致谢47附录1开题报告48附录2中期报告52第1章绪论11课题研究的背景及意义111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，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。112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。12市场产品概况及国内外研究现状121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，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。122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。123太阳能国外研究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233，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。13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，设计了两种太阳能手机充电器，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。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。并且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。14本章小结本章主要从太阳能与手机充电器研究的背景和意义、太阳能产业国内外研究的现状以及手机充电器的市场分析几个方面介绍了本文所设计的太阳能手机充电器的研究意义与价值，并且说明了本文设计的主要内容。第2章太阳能电池与蓄电池的论述21太阳能电池的研究211太阳能电池的工作原理太阳能电池是以半导体PN结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器件。太阳能电池的组成材料是半导体，其中硅应用的最为广泛。其工作原理是当太阳光照射在半导体表面时，半导体吸收光能，并且产生许多光电子空穴对，在半导体内的电场的作用下，光生电子和空穴被分离，半导体两端出现异种电荷的积累，即产生光生电压。如果在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有光生电流流过，从而获得了功率的输出3。这样，太阳能通过太阳能电池就转换为了可以使用的电能。当把很多光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，就构成了光伏电池组件，经过封装就成为了常见的太阳能电池板，可以在太阳光的作用下输出功率满足特定场合的需求的电能。212太阳能电池的等效电路光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作PN结型二极管，其等效电路由光生电流源及一系列电阻组成，如图21所示。IDISHRSHRSIURL图21太阳能电池等效电路图用公式表示太阳能电池发电状态的电流方程式为21SHDPHII22SHSPHRU1AKTQEXIO式中IPH光生电流，A；IO二极管反向饱和电流，A；Q电子电荷16109C；K玻尔兹曼常数1381023J/K；T绝对温度，K；APN结的曲线常数；当光照条件与温度一定时，根据公式22得到太阳能电池的IV特性曲线与PV特性曲线，如图22所示4。0016033058065083096116133150012345I/AU/VISCIMUOCUM图22A太阳能电池的IV特性曲线0071421283542500061218243036424854U/VP/WUMPM图22B太阳能电池的PV特性曲线由图22可以得到太阳能电池的几个重要的参数短路电流ISC在给定光照强度和温度下的最大输出电流；开路电压VOC在给定光照强度和温度下的最大输出电压；最大功率点电流IM在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电流；最大功率点电压VM在给定光照强度和温度下相对于最大功率点的电压；最大功率点功率PM在给定光照强度和温度下输出的最大功率。213太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性受多种外界因素的影响，尤其是光照强度和温度。太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随光照强度的变化曲线如图23所示，太阳能电池输出电压、输出电流与输出功率随温度的变化曲线如图24所示。0071421283542500408121620U/VI/A1000W/M2800W/M2600W/M2图23A太阳能电池在25下不同光照强度下的IV特性曲线00714212835425006121824303642485460U/VP/W1000W/M2800W/M2600W/M2图23B太阳能电池在25下不同光照强度下的PV特性曲线由图23可以看出，短路电流随着光照强度的增加而大幅增加，开路电压随光照强度的增加略有增加，所以，输出功率是随着光照强度的增加而增加的。007142128354250040812162024U/VI/A302025图24A太阳能电池在S1000W/时不同温度下的IV特性曲线00714212835425006121824303642485460U/VP/W202530图24B太阳能电池在S1000W/时不同温度下的PV特性曲线由图24可以看出，短路电流随温度的升高而略有增加，开路电压随温度的升高而大幅减少，所以，输出功率是随着温度的升高而降低的。214太阳能电池仿真模型的建立把式22进行近似，即忽略UIRS/RSH，并且设定IPHISC。设在开路状态下I0，VVOC；在最大功率点处VVM，IIM。由上述条件可以把式22化简为231VCEXP1IOC2SC在最大功率点处有241VCEXP1IOC2MSCM在常温条件下EXPVM/C2VOC1，可忽略“1”项，得出C1为25OC2MSC1EXPI在开路状态下，把式25带入式23得261CEVEII02OC2MSCMSC由于EXP1/C21，可忽略“1”项，得到C227SCMOCM2I1/LNC按照标准，取SREF1000W/M2，TREF25为参考光照强度与温度。设T为任意光照强度S及任意温度TAIR下的太阳能电池的温度，则有2803SAIR对于IV特性曲线上任意一点V，I有29TREFD210SCREFREFI1SI211DRVS212I213式中参考光照强度下的电流温度系数，取00012ISCA/；参考光照强度下的电压温度系数，取0005VOCV/。根据上文中的数学模型，建立的太阳能电池的SIMULINK模型如图25所示。1IO68VOC55VM25TREF10000SREFSCOPE1SATURATION05RPRODUCT6PRODUCT5PRODUCT4PRODUCT3PRODUCT2PRODUCT1PRODUCTEUMATHFUNCTION2EUMATHFUNCTION1LNMATHFUNCTION0175ISC015IMKGAIN2KGAIN11GAINDIVIDE6DIVIDE5DIVIDE4DIVIDE3DIVIDE2DIVIDE1DIVIDE1CONSTANT51CONSTANT41CONSTANT31CONSTANT21CONSTANT11CONSTANT3T2V1S图25SIMULINK太阳能电池模型215太阳能电池最大功率的实现太阳能电池是一种非线性电源，其最大功率点是随着光照强度和温度的变化而变化的。最大功率点跟踪MPPT就是要使系统工作点跟踪最大功率的变化，使光电转换效率达到最大。为了实现最大功率点跟踪，需要在太阳能电池与负载之间接入DC/DC变换器，通过对DC/DC变化器的PWM驱动。太阳能电池板负载BOOST电路最大功率跟踪PWM控制电流检测电压检测图26太阳能电池最大功率跟踪原理图1最大功率跟踪控制算法现在有多种MPPT控制的算法，电导增量法因其控制准确，响应速度快而得到了广泛的应用。因为太阳能电池的PV曲线在最大功率点处的斜率是零，于是得到2140DVIDP即215ID式215就是实现MPPT的条件，也就是说，当输出电导的变化量与输出电导的负值相同时，太阳能电池工作于最大工作点处。电导增量法的流程图如图27所示，SIMULINK仿真模块如图28所示。图2输入V（K），I（K）VVKVK1IIKIK1V0I/VI/VI/VI/VI0I0VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVK1VKIK1IK返回是是是是是否否否否否7电导增量法计算流程图图28电导1PWMZEROORDERHOLD2ZEROORDERHOLD1ZEROORDERHOLD1SWITCH11SWITCHSIGNSCOPE4SCOPE3SCOPE2SCOPE1SCOPESATURATIONREPEATINGSEQUENCERELATIONALOPERATORPRODUCT2PRODUCT1PRODUCTMEMORY2MEMORY1MEMORY0CONSTANT31CONSTANT20001CONSTANT10CONSTANT2V1I增量法的SIMULINK仿真模块2升压变换器DC/DC变换器采用BOOST电路，太阳能电池的输出电压UPV就是BOOST电路的电源，设BOOST电路的输出电压为UO。BOOST电路如图29所示，当开关管导通时，二极管VD关断，电源UPV向大电感L储存能量，同时大电容向负载RL供电，此时UOUPV；当开关管关断时，电感的电流不能突变，二极管导通，电感与电容一起向负载供电，同时向电容充电，此时UOUPVUL。由上述工作原理，整理可得BOOST电路输入电压UPV与输出电压UO之间的关系为216PVD1输入电流IL与输出电流IO之间的关系为2171IL则等效电阻REQ为2182LOEQD（RIV由式218可知，调节BOOST电路的开关的占空比D，就可以改变输入阻抗的大小，当BOOST电路的等效输入阻抗与太阳能电池的输出阻抗相匹配时，太阳能电池的输出功率达到最大6。UPVVDCRLVTILIOUO图29BOOST升压变化器电路图3仿真结果基于BOOST电路，对太阳能电池的最大功率跟踪进行SIMULINK仿真，该仿真模块主要包括太阳能电池模块、MPPT模块、BOOST电路部分。其主要研究在不同光照强度与温度下太阳能电池输出最大功率的变化。仿真模型如图210所示。SVTIOTYNIVPWMMPPTVVOLTAGEMEASUREMENT1STEP1STEPSERIESRLCBRANCH3SERIESRLCBRANCH2SERIESRLCBRANCH1SERIESRLCBRANCHSCOPEPRODUCTGMDSMOSFETMEMORYMAKDIODEICURRENTMEASUREMENTSCONTROLLEDCURRENTSOURCE25CONSTANT11000CONSTANT图210实现MPPT的SIMULINK仿真模块设太阳能电池工作的光照强度与温度的初始值分别是1000W/和25。在仿真时间为200S时，光照强度变为800W/，温度不变为25；在仿真时间到达350S时，温度变为30，光照强度为800W/。得到太阳能电池输出的电流、电压、功率的波形图如图211、图212、图213所示。0501001502503003504004505000016033058065083096116133150T/SI/AS800W/T25S800W/T30S1000W/T25200图211输出电流波形0501001502002503003504004505000091827364554T/SU/VS1000W/T25S800W/T25S800W/T30图212输出电压波形0501001502002503003504004505000061218243036424854T/SP/WS1000W/T25S800W/T25S800W/T30图213输出功率波形由仿真结果可以看出，在200S时，由于光照强度的减少，输出电压与输出功率随之降低，最后趋于稳定，即此时输出的功率为该条件下的最大功率；在350S时，输出电压与输出功率也随着温度的增加而降低，最终寻得该条件的最大功率。从而验证了电导增量法实现MPPT的正确性。22蓄电池及其充电控制221蓄电池介绍蓄电池可以储存白天吸收的太阳能，这样就可以随时为手机充电，使得太阳能手机充电器更具有实用性和便捷性。现在，普遍应用的储能电池主要有镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。与其他电池相比，锂离子电池具有能量密度高、容量大、体积小、重量轻、寿命长、没有记忆效果等优点，广泛应用与各类电子产品中。因此，本设计选用锂离子电池作为储能蓄电池。所选锂离子电池的特性为额定电压是37V，终止充电电压是42V,终止放电电压是25V。蓄电池作为系统的储能装置，必须对充电电流与充电电压进行合理的控制，才能保证电池的安全使用，提高电池的使用寿命7。222蓄电池充电方法1恒流充电法。在充电过程中充电电流始终保持不变，称为恒定电流充电法。这种充电方法控制简单，易于做到，适合对多个电池串联的电池组进行充电。但是由于电池的可接受电流能力是随着充电过程而逐渐下降的，到充电后期时，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，因此，恒流充电法不能很好地为电池进行充电。2恒压充电法。在充电过程中充电电压始终保持不变，称为恒定电压充电法。随着蓄电池两端电压的升高，电流逐渐减小。这种充电方法电解水很少，能够避免蓄电池过充，但在充电初期电流过大，然后快速下降，对蓄电池寿命造成很大影响。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电压底而充电电流大的时候使用。3恒流恒压充电法。在充电初期用恒流充电的方法给蓄电池充电，当电池两端的电压达到终止充电的电压时，改用恒压充电的方法，称为恒流恒压充电。在恒流充电阶段电池可以快速充电，在恒压充电阶段能够确保电池充到满容量，这种充电方法所需充电时间短，充电效果好，能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前普遍使用的一种充电方法。恒流恒压充电曲线图如图214所示8。电流/C电压/V1C01C电压电流恒流恒压图214恒流恒压充电曲线图因此，本设计选用恒流恒压充电的方法为蓄电池进行充电。223蓄电池充电仿真蓄电池恒流恒压充电方法的原理如图215所示。图215蓄电池恒流恒压充电原理框图图中IG蓄电池恒流充电过程的电流参考值，A；UG蓄电池恒压充电过程的电压参考值,V。利用MATLAB中SIMULINK软件环境可以得到仿真电路216所示。仿真结果如图217所示9。VOUTTAIVVOLTAGEMASUREMNTSWITCHSERISRLCBRANCH1SERISRLCBRANCHSCOPEREPATINGSQUCE1REPATINGSQUCE42VNYNYI25V预充电IM5VY图56放电子程序流程图43本章小结本章主要介绍了以单片机为控制核心的太阳能手机充电器的系统结构与参数设计，还具体介绍了基于MPPT的蓄电池充放电电路、控制电路按键及显示电路的参数计算与器件选型。并且通过程序流程图的形式介绍了能够实现太阳能手机充电器太阳能电池最大功率跟踪、蓄电池充放电、稳定输出等功能的软件实现方式。结论本文完成了关于太阳能手机充电器的两种设计。一种是基于集成电路的太阳能手机充电器的设计，这种充电器可以在有阳光的地方把太阳能转换为电能存储在蓄电池中，之后蓄电池就可以随时为手机充电。在蓄电池充电的部分采用专用的太阳能供电的锂电池充电管理芯片，放电部分采用升压芯片将蓄电池输出电压升压到5V为手机充电。这种类型的充电器在主要电路部分都使用专门的芯片来实现，大大简化了电路的结构，降低了生产成本。因此，这种充电器具有能耗低、体积小、经济、可靠的优点。但它也存在一些不足电路拆卸困难，维修成本高，故障的检测不方便，而且太阳能电池不能工作在最大功率点处，也不能在充电过程中实现智能控制。另一种是以单片机为控制核心的基于MPPT的太阳能手机充电器的设计，这种充电器在阳光下可以向蓄电池存储能量，也可以直接问手机充电，蓄电池还可以随时为手机充电。在向蓄电池充电控制部分，通过单片机的智能控制，既能实现太阳能电池的最大功率跟踪，又能用恒流恒压的方式为蓄电池充电。并且设计了三种工作模式，即太阳能电池向蓄电池充电模式、太阳能电池向手机充电模式、蓄电池向手机充电模式，可以通过按键来选择工作模式，还可以由液晶显示屏显示充放电的状态与故障提示。设计主要包括了硬件电路与软件程序两部分，还利用了MATLAB仿真软件，针对太阳能电池最大功率实现、蓄电池充、放电部分进行了仿真研究，从而验证了所设计内容理论上的正确。本文设计的太阳能手机充电器已经能够实现其作为充电器的基本功能指标。但是它只是停留在理论的层面上，在低功耗、电磁兼容、便捷性、接口设计等方面它还有待改进，而且作为人们生活中必不可少的电子产品，它应该更具安全性、智能性。因此，在进一步的设计中要注重电磁兼容与保护电路的设计，做出一个真正节能环保、安全可靠、可以投入实际应用的产品。在未来的设计中，还可以设计出具有多种输出模式的充电器，使充电器可以为多款不同的产品进行充电，更体能现它的多功能性与便捷性，使它拥有更广阔的市场。参考文献1黄春耀基于单片机的智能充电控制器的设计与应用J龙岩学院学报2007122王鹏产业链视角下中国光伏产业发展分析J产业经济学20093余翔太阳能发电技术简介J科技交流20054徐德鸿电力电子系统建模及控制M北京机械工业出版社，20071171215曹祖亮光伏发电系统及最大功率点跟踪控制方法比较J广东电力20106王兆安，黄俊电力电子技术M北京机械工业出版社，20117郑俊钦锂离子蓄电池及其安全保护性能的检测J海峡科学20148BOICOF,LEHMANB,SHUJAEEKSOLARBATTERYCHARGERSFORNIMHBATTERIESJPOWERELECTRONICSSPECIALISTS,2005IEEE36THCONFERENCH1461529ELIASMFM,NORKM,RAHIMNA,ETALLITHIUMIONBATTERYCHARGEFORHIGHENERGYAPPLICATIONJPOWERENGINEERINGCONFERENCE200328328810潘靖锂电池智能管理系统D浙江大学，200411AMIRMRAHIMIALITHIUMIONBATTERYCHARGEFORCHARGEINGUPTOEIGHTCELLJIEEEVEHICLEPOWERANDPROPULSIONCONFERENCE,SEPT200513113612郭建国用MAX471MAX472实现对电源的监测与保护J国外电子元器件200113张亚群,游亚戈基于ADC0809的16通道数据采集系统J计算机工程201014张链,韩昭太阳能充电器的设计与研究J天津职业院校联合学报201415赵亮液晶显示模块LCD1602应用J电子制作200716张东虞基于单片机控制的太阳能手机充电器设计研究J企业技术开发2014致谢附录1开题报告1、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1国内外研究动态虽然太阳能行业是一个巨大的产业，但是还存在各种问题，尤其是在技术方面。目前，国内对于环保的意识普遍不高，又由于太阳能充电器的制作成本高，能源转换效率不高，所以我国在太阳能充电器的研究与投入并不多。国内也有一些企业在做太阳能充电器，但是其光电转换的效率太低了，而且存在安全隐患。而在一些发达国家，由于环保意识较强，对太阳能的开发有了更大的投入，因此太阳能充电器在技术领域就有了更好的发展，科技含量高出国内很多。例如，国外的哈特便携式太阳能充电器设备，拥有全球最高太阳能转换电能效率，在阳光下最快2小时充满一部智能手机，最大可储存3000MAH的电量在国内的研究中，探讨太阳能手机电池充电器的设计研究一文利用51系列的单片机作为主控制设备,同时与其他电路与芯片结合所组成太阳能手机充电器，并以PWM形式的电压实现输出，这种充电器的优点在于稳定性高、带载能力强、控制灵活，另外所采用的闭环控制模式能够实现太阳能电池板最大输出功率点的自动寻找，且具备自动调节功能、控制精度极高，从而能够使手机电池的使用寿命有效延长、使用效率明显提高。2选题的依据和意义首先，手机已普及到世界范围，而手机的电池储能却是十分有限的，使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，因充电器不在身边或找不到充电的地方，影响了手机的正常使用，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。其次，随着化石能源的日益枯竭，环境问题的日益突出，未来能源问题和环境问题越来越受到人们的关注。为了子孙后代的生存和发展，寻找清洁的替代能源问题已迫在眉睫。太阳能作为一种新兴可再生能源，它具有取之不尽、用之不竭，清洁安全，分布广泛等特点，在未来社会能源结构中发挥非常重要的作用。而在中国，蕴藏的丰富的太阳能资源，太阳能应用和市场广阔。因此，本设计研究了一种基于单片机的智能太阳能充电器，它可以很好的解决上述问题。只要有光，就可以随时随地给手机充电，大大方便了我们的外出生活。给你的生活带来很大的方便。所以说，太阳能充电器既节约了能量，又使用方便，是居家旅行的必备品。2、研究的基本内容，拟解决的主要问题1研究的基本内容本设计研究的方向是基于单片机的智能太阳能手机充电器，从硬件电路的设计和软件程序的设计完成太阳能手机充电器的各项功能。其中硬件电路的设计包括斩波电路、稳压电路、单片机电路、信号采集电路等的闭环电路的设计；软件程序设计包括电路启动程序、按键采集程序、数码管显示程序、数模转换程序等的编写。图11系统结构图2拟解决的主要问题1、由太阳能到电能的转化；2、由硬件电路实现稳定、安全的充电；3、由软件实现按键识别、数码显示、电路检测等功能，实现智能充电。太阳能电池板DC/变换器控制保护电路蓄电池DC/变换器控制保护电路手机锂离子电池图12工作原理图3、研究步骤、方法及措施1研究步骤1、查阅理解相关资料，做好前期的准备工作；2、了解手机充电器市场现状及其发展趋势，确定研究方向；3、针对太阳能手机充电器进行学习和研究，争取提出创新；4、根据设计思路进行电路硬件及软件部分的设计；5、对电路进行仿真测试，查找不足，进行改进，完善设计，论文定稿，绘制图；6、对论文进行装订整理，准备论文答辩。2研究方法1、到图书馆搜集图书及电子资料，并对资料进行理论分析总结，整理出自己的设计思路；2、上网收集相关的资料，完善设计；3、请教指导老师与同学，寻求新的思路与切入点。4、研究工作进度3132拿到毕业论文题目，接受毕业设计任务；3335明确设计任务和目的，查阅相关资料；36315消化理解资料，了解手机充电器的相关技术特征和技术要求，收集、对比研究手机充电器实用方案，分析工作原理，开展实用性，工程价值等的对比研究，完成理论知识的学习，选定研究方向，初步确定设计思路，完成系统总体方案的设计；316321完成开题报告；322324准备开题答辩；32641深入学习太阳能充电技术，完善资料；42420在了解工作原理的基础上研究光电转换技术和充电技术，完成电路各个具体部分的设计；421425准备中期答辩；42855对课题进行创新和突破；56516对选定的充电器电路开展仿真研究，结合仿真数据，给出研究结论；517525整合资料，完成论文撰写以及图纸绘制；526610交给指导老师评阅，对论文进行修改；611620准备毕业答辩。5、主要参考文献1魏光普太阳电池发展现状与我国阳光发电规划J物理,1999,28112蒋鸿飞,胡淑婷绿色能源太阳能充电J上海应用技术学院学报自然科学版,2007,21471493王国华便携电子设备电源管理技术M西安西安电子科技大学出版社,2004,11521974张红梅，尹云华太阳能电池的研究现状与发展趋势J水电能源科学,2008,2661931975张东虞基于单片机控制的太阳能手机充电器的研究J企业技术开发,2014,33226张朝明,腾宇,徐卓超太阳能手机充电器的研究与设计J数字技术与应用,2011,3附录2中期报告1、开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果1、进行方案比选并确定最终的具体实施方法；2、完成硬件电路的设计、参数的计算以及器件的选型；3、完成了硬件电路原理图的绘制；4、完成了部分电路的仿真。2、具体实施方案21系统总体设计思路本设计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，以单片机作为控制核心，进行硬件与软件设计。完成了太阳能手机充电器充放电功能的实现。图21系统总体设计图22各部分硬件电路的实现与仿真221太阳能最大功率跟踪的实现功能实现分析了太阳能的工作原理和输出电压、电流、功率特性，研究了常用的最大功率跟踪方法，并采用电导增量法的最大功率跟踪算法，有效的实现了太阳能电池的最大功率跟踪功能。本设计在太阳能电池后接一BOOST变换器，通过PWM控制变换器的占空比，来调整太阳能电池的负载为最佳匹配负载。通过直接检测太阳能电池的输出电压和输出电流，连续计算太阳能电池的输出功率，通过寻优的方法来获得太阳能电池的最大输出功率。参数及选型太阳能电池板开路电压68V,短路电流175MA,最大电压55V,最大电流150MA，峰值功率0825W，外型尺寸10469MM。屏蔽二极管D1用来防止太阳能电池所发电压低于蓄电池电压时，蓄电池向太阳能电池倒送电而消耗蓄电池的能量并导致太阳能电池板发热。D1采用肖特基二极管MBRM120LT3，其峰值反向电压VRRM20V，正向平均整流电流IF1A,正向导通压降VF035V。MAX471芯片电流采样使用MAX471芯片实现，它是双向、精密电流传感放大器。由公式ROUT50000ISENSER3可知，当输出电阻R22K时，在传感电流允许变化范围3AISENSE3A内，输出电压VOUT的变化范围为3VVOUT3V。BOOST电路参数综合考虑单片机的时钟频率、PWM分辨率、电感体积、电路损耗以及噪声干扰等因素，本设计选择的开关频率为30KHZ。由公式可以计算出L1460UH，C1228UF二极管D2的选型为快恢复二极管IN5817,其VRRM20V，正向平均整流电流IF1A。开关管的选型为N沟道MOSFET管NCE3010，其额定电压为VDS30V，额定电流ID10A。太阳能电池板RSRSRSRSOUTSHDNGNDMAX471单片机采样电路驱动电路R32K图二基于BOOST太阳能电池最大功率跟踪电路DI12FPMAXOUT4VL2ININ2IINPAX0505/IIC仿真及结果SVTIOTYNIVPWMMPPTVVOLTAGEMEASUREMENT1STEP1STEPSERIESRLCBRANCH3SERIESRLCBRANCH2SERIESRLCBRANCH1SERIESRLCBRANCHSCOPEPRODUCTGMDSMOSFETMEMORYMAKDIODEICURRENTMEASUREMENTSCONTROLLEDCURRENTSOURCE25CONSTANT11000CONSTANT图三太阳能电池最大功率跟踪仿真电路1IO68VOC55VM25TREF10000SREFSCOPE1SATURATION05RPRODUCT6PRODUCT5PRODUCT4PRODUCT3PRODUCT2PRODUCT1PRODUCTEUMATHFUNCTION2EUMATHFUNCTION1LNMATHFUNCTION0175ISC015IMKGAIN2KGAIN11GAINDIVIDE6DIVIDE5DIVIDE4DIVIDE3DIVIDE2DIVIDE1DIVIDE1CONSTANT51CONSTANT41CONSTANT31CONSTANT21CONSTANT11CONSTANT3T2V1S图四太阳能电池模型1PWMZEROORDERHOLD2ZEROORDERHOLD1ZEROORDERHOLD1SWITCH11SWITCHSIGNSCOPE4SCOPE3SCOPE1SCOPESATURATIONREPEATINGSEQUENCERELATIONALOPERATORPRODUCT2PRODUCT1PRODUCTMEMORY2MEMORY1MEMORY0CONSTANT31CONSTANT20001CONSTANT10CONSTANT2V1I图五MPPT模型001603058065083096161315012345I/AU/VISCIMUOCUM007142128354250061282430642854U/VP/WUMPM图六太阳能电池特性曲线222蓄电池充电电路功能实现该部分电路采用了MAX1898和一个外接的P沟道MOSFET来将交流适配器输入电压降至电池端压。这种电路形式简单，但功率损耗较大，虽然可以通过减小充电电流来使充电过程的晶体管功耗降低，但是电池的充电时间会随着增加，需要折中考虑电路损耗和充电时间来确定最佳充电电流。MAX1898提供精确的恒压/恒流充电，提高了电池性能并延长了电池寿命，同时，它还具有充电电流由用户设定、输入关断等功能。参数计算外接电容C3可设置充电时间TCHG快速充电时的充电时间它们的关系如下C33433TCHG式中，C3的单位是NF，TCHG的单位是H。一般快速充电时间不超过3小时，因此C3常取为100NF。外接电阻R4可设置最大充电电流ICHG，它们的关系如下最大充电电流设置为1A，则R4为14K。C5为10UF的旁路电容，可以使蓄电池平稳的充电。410RICHG图七蓄电池充电电路223蓄电池放电电路功能实现采样BOOST电路将蓄电池输出的37V电压升至5V，通过PWM控制，为手机提供稳定的5V充电电压。参数计算由以下公式计算得L220UH,C6400UF。二极管D2的选型为快恢复二极管IN5817,其VRRM20V，正向平均整流电流IF1A。开关管的选型为N沟道MOSFET管NCE3010，其额定电压为VDS30V，额定电流ID10A。INCHGISETCTCSDRVGNDBATTRSTRTMAX189845V12V输入输出至单片机C3100NFR414KC201UFC4100NFC510UFIOVD1FS2RLC图八BOOST升压电路仿真及结果VVOLTAGEMASUREMNT2VVOLTAGEMASUREMNTSUBTRACTSERISRLCBRANCH4SERISRLCBRANCH3SERISRLCBRANCH1SCOPESATURATIONREPATINGSQUCERELATIONALOPRRPISPIDCONTROLERGMDSMOSFETMAKDIODEICURENTMEASUREMNT5CONSTAN_MBATERY图九BOOST升压电路模型00005001001500200250123456T/SU/V图十输出电压波形224控制及驱动电路本系统主要由单片机AT89C51完成控制数据的采集以及对采集的数据分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通和关断，并将数据送至显示电路显示。实现了充电过程的智能控制。ADC0809为数据采集并做数字化处理作用，驱动芯片选用6N137光耦隔离芯片。蓄电池手机电池采样电路驱动电路单片机R5R650K50KL220UHNCE3010IN5817C6400UFIN0IN1IN2OUT0OUT7ADC0809太阳能输出电流太阳能输出电压蓄电池输出电压P10P17AT89C51A0A7P00P07LCD0602图五控制电路图六驱动电路225辅助电源采用超低静态电流线性稳压电源芯片MAX1725提供控制电路电源。其中，输入电源由蓄电池提供，稳压输出为5V。蓄电池ENVCCOCFBGNDLXSX1301C10C11C12C13R11L3R12R13图七辅助电源电路ANOCATVCCEAOUTGND6N137单片机PWM输出R75V电源3、设计过程遇到的困难以及解决方案1、由于太阳能手机充电器功能多样，资料的收集与整理比较费时，开始时方向错误导致时间延误，从而影响进度。虽然遇到挫折，但是我及时和老师沟通，纠正了错误，很快的赶上了。2、由于设计经验不足，设计过程中未考虑电路的损耗问题，导致参数的选定与元器件的选择都出现问题。通过老师的指导，重新设计了部分电路。3、元件的选定与运用。由于要考虑到设计的实际应用情况，同时还要考虑元件的精度问题，以及各个元件是否配套和如何连接问题。这样元件选定后外部电路设计就显得十分重要，直接影响到了整个系统的设计。通过与老师的沟通与自己查阅资料，最终选定元器件。4、未完成的任务以及拟解决的方法1、辅助电源与蓄电池充电控制部分的仿真还未完成。由于这两部分选用了芯片构成电路，还需了解芯片的具体原理并进行建模与仿真。2、电路的软件设计部分还没有完成。要根据电路功能的描述，完成软件部分流程图以及程序的设计。5、时间进度表11至13周完成所有电路的仿真13至15周完成软件部分的设计15至18周完成论文的撰写以及图纸的绘制燕山大学毕业设计论文评审意见表指导教师评语成绩指导教师签字年月日评阅人评语成绩评阅人签字年月日燕山大学毕业设计论文答辩委员会评语表答辩委员会评语总