智能太阳能充电器

大连理工大学大学生创新性实验计划

项目总结报告

项 目 编 号： 项 目 名 称： 项 目 级 别： 项目负责人： 指 导 教 师： 项目所在院系： 项目起止时间：

2009078 智能太阳能充电器

校级 电气学院

20 10 年 4 月 — 20 11 年 4 月

大连理工大学教务处制

大连理工大学大学生创新性实验计划

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智能太阳能充电器

项目原创性声明

本人郑重声明：所呈交的项目总结报告以及所完成的作品实物等相关成果，是本人和项目组其他成员独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

项目负责人签名：

年 月 日

项目指导教师审核签名：

年 月 日

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智能太阳能充电器

二、题名:智能太阳能充电器 Intelligent solar charger

三、 摘

要

太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心。

整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。通过脉宽调制对铅酸蓄电池充电进行智能控制，从而提高太阳能电池输出功率及铅酸蓄电池的使用效率，达到延长电池使用寿命的目的。

系统的多样化负载也是一大亮点，使其具有更广泛的应用领域。

关键词：太阳能；单片机；最大功率点；PWM

Abstract

Solar charger designed to solar energy to power the core of the hardware circuit, control circuit to microcontroller core.

The entire system from the power conversion circuit, sampling circuit, processor, pulse width modulation controller and battery pack composition. System of data acquisition and processing were achieved with single chip. By pulse-width modulation of the lead-acid battery for intelligent control, thereby enhancing the solar cell output power and efficiency of lead-acid batteries, to extend the battery life of purpose.

The diversification of the loads is also a bright point, which make its application fields more extensive.

Key Words：Solar energy; Monolithic integrated circuit ；maximum power；PWM

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四、项目概述

1、项目成员基本情况：

人数：2；院系：电气；专业：电气工程及其自动化；年级：2007级 指导教师基本情况：

**：高级工程师、研究领域：电源 2、项目的选题背景、目的与意义

不可再生资源日益减少，可再生资源的开发利用尤为重要。太阳能作为一种清洁、方便的能源，我们应该学会利用。但太阳能光照的不稳定，提供的电压不稳定、电流小，我们需要用控制电路来控制太阳能的使用。通过太阳能电池板接收太阳能，电压、电流的检测、控制，来实现蓄电池的充电以及负载的供电。 3、项目实施过程的人员工作分配和完成情况

两位同学共同负责前期的准备工作、理论研究、画图，**同学负责制作硬件电路；**同学负责编程以及论文撰写。

电路板经过调试且已经好用，和预期结果相差不多，只是对太阳光强的要求较大。项目基本顺利完成。 4、项目实施过程收获和体会

项目开始时资料的收集、文献的研究、理论上的构思和创新；基本确定方案后，我们又开始查找合适的元件，经过一番比较，选中了avr单片机；在制图和制板的过程中也遇到了一些麻烦，但通过和老师的沟通、共同解决了问题。

这次项目让我的眼界更加宽阔，对于太阳能充电器的大范围利用充满了期待。同时，也感受到了团队合作的魅力所在，两个人互相支持、互相鼓励、共同监督、共同进步。我们不仅仅收获了项目本身，对学习的方法有了进一步深刻的认识，也促进了彼此的友谊。

五、项目预期成果完成情况和创新点

预期成果：太阳能充电器实物能够完成对蓄电池的充电和对负载的供电。

创新点：合理的利用了太阳能，通过智能太阳能充电器的研究，拓展了太阳能的利用领域，为便携式太阳能智能充电器的研究提供了可行依据。

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六、项目说明

实验方法设计及方案：太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。

实施过程：系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。本设计采用太阳能电池板对 AVR单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对铅酸电池充电进行智能控制。

数据分析处理：本实验在调试过程中对最大功率点的进行了计算和判断，由实验测得太阳能电池板和负载的U-I特性曲线，分析最大功率特性。

原因分析及解决办法：图1表明太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A，B，c，D，E即为光伏系统的工作点，如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点A’，B’，C’，D’，E’上，就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率。我们采用波动观测法。

最终实现功能：太阳能电池板在阳光充足的室外可以达到充电电压并给蓄电池充电，阴天或者在室内太阳能电池板不能为其充电，但是充好电的蓄电池可以为负载供电。

特色：环保、开发可再生能源；装置便捷，有很好的发展前景；负载多样性。 七、项目总结

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目 录

摘 要 .................................................................................................................................... 3 Abstract ...................................................................................................................................... 3 引言 ............................................................................................................................................ 8 1 绪论 ........................................................................................................................................ 9

1.1 设计目的 ..................................................................................................................... 9 1.2 设计思路和分析 ......................................................................................................... 9

1.2.1 太阳能电池板分析 .......................................................................................... 9 1.2.2 太阳能充电系统效率分析 ............................................................................ 10 1.3 系统总体结构设计 ................................................................................................... 11 2 硬件电路设计 ...................................................................................................................... 13

2.1 太阳能电路板部分 ................................................................................................... 13

2.1.1 太阳能电池模型 ............................................................................................ 13 2.1.2 太阳能电池输出特性 .................................................................................... 13 2.1.3 最大功率追踪 ................................................................................................ 14 2.1.4 太阳能电池板充电部分电路图 .................................................................... 15 2.2 单片机部分 ............................................................................................................... 16

2.2.1 单片机选型 .................................................................................................... 16 2.2.2 单片机主电路 ................................................................................................ 18 2.2.3 单片机子电路 ................................................................................................ 19 2.3 电池充电原理 ........................................................................................................... 20

2.3.1 铅酸蓄电池基础 ............................................................................................ 20 2.3.2 充电原理 ........................................................................................................ 21

3 软件设计 .............................................................................................................................. 23

3.1 主程序 ....................................................................................................................... 23

3.1.1 功能描述 ........................................................................................................ 23 3.1.2 程序框图 ........................................................................................................ 23 3.2 ADC头文件 .............................................................................................................. 24

3.2.1 功能描述 ........................................................................................................ 24 3.2.2 程序框图 ........................................................................................................ 24 3.3 PWM头文件 ............................................................................................................. 24 3.4 Time0头文件 ............................................................................................................ 25

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3.4.1 功能描述 ........................................................................................................ 25 3.2.2 程序框图 ........................................................................................................ 25 3.5 Events头文件 ............................................................................................................ 25

3.5.1 功能描述 ........................................................................................................ 25 3.5.2 程序框图 ........................................................................................................ 26

4 结束语 .................................................................................................................................. 29 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 30

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引言

长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的 3-4 万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致\"温室效应\"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正 在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。

在太阳能的有效利用当中, 太阳光能利用是近些年来发展最快,最具活力的领域。 本设计开发出一种具有实用价值的太阳能充电系统，可以对电池进行充电，给人们带来了极大的方便，有一定的社会价值和经济价值。太阳能充电技术是目前各国竞相研究的应用技术,同时也是与前沿理论结合得最紧密的应用技术。太阳能充电技术涉及物理学、材料科学、控制理论、电子科学等诸多学科。太阳能充电技术的主要研究内容,就是如何在给定光- 电转换材料和电池的条件下,完成高效充电。

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1 绪论

1.1 设计目的

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。同时，本设计因其负载多样性也可用于居家室内照明等使用。

1.2 设计思路和分析

太阳能充电器的设计，以太阳能电池板为能源核心对硬件电路进行供电，控制电路以单片机为核心，整个系统由电源变换电路、采样电路、处理器、脉宽调制控制器和电池组组成。系统对数据的采集及处理都采用单片机来实现。本设计采用太阳能电池板对 AVR单片机进行供电，设计了基于单片机的太阳能充电电路，通过脉宽调制对铅酸电池充电进行智能控制。 1.2.1 太阳能电池板分析

太阳能电池板分为单晶硅，多晶硅，非晶硅和多元化合物电池板。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池差不多， 但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12％左右 (2004 年 7 月1 日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。非晶硅太阳能电池是 1976 年出现的新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同， 工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳能电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为 10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。多元化合物太阳能电

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池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。 现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：

a) 硫化镉太阳能电池 b) 砷化镓太阳能电池 c) 铜铟硒太阳能电池

太阳能电池板是太阳能供电系统中心的核心部分，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。其功能是将太阳能的辐射能量转化为电能，能量转化率是一个重要的参数。电池板收光照强度影响，电压、功率 呈显著变化；一种光照强度，阳能电池板也有一个输出功率点，应电压也不尽相同。为保证较高的转换效率，使电池板尽量工作在其最大功率点附近，也就需要根据实际情况，选择合适的工作电压。

太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。 太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时，通过降低充电电流并在 MPP 附近调节系统总线电压，从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。系统电源和电池充电电源控制架构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的 关键组成部分。 1.2.2 太阳能充电系统效率分析

根据物理学可知，发电能力与负载无关，而发电设备的输出能力则是由负载所决定的，就是说，电能输出设备的输出最大能力取决于外部能量的输入和转换效率，而这些电能量能否完全被利用,则取决于负载设备。

1) 电能系统分析

描述发电设备能力和电能利用关系可以用下式表示:

Egf(e) (1) 其中Eg是负载情况下的输出电能，f(e)是在输入能量条件下所能转换的能量。 式(1) 指出，任何时刻发电设备发出的能量都与负载设备所消耗的能量相等。 对于一个发电设备来说，其最大输出能量fmax(e)是一个固定的数值，而f(e)则是由负载决定的能量。在工程实际中，fmax(e)f(e)叫做欠负荷，fmax(e)f(e)叫做满负荷。还有一种情况就是所需要的Egfmax(e)，这种情况下仍然有式(1) 成立，但此时并不能完全满足负载所需要的电能，因此，在这时负载系统所得到的电能小于实际需要，而发电设备输出的电能等于 fmax(e)。

2) 太阳能充电系统效率分析 在太阳能充电系统中，为了尽量提供充电能力和效率，必须把充电系统划分为两个部分，一个是充电电路，一个是控制电路，这两个电路

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都会消耗电能。对于充电电路， 这部分消耗的能量是电池充电中所经过电路的损耗， 对于控制电路，这部分是完成所需要的充电控制所需要消耗的能量。由此可知，太阳能充电系统中，为了尽量提高充电效率，应当尽量减少充电电路和控制电路的能量损耗。 设充电电路的功率损耗为pcp ,控制电路的功率损耗为pctr,电池吸收的功率为pb 则根据能量守恒,得到

plpcppctrpb (2)

其中pldEgdt是充电系统的输入功率。由此

pldEgdtdf(e)pcppctrpb (3) dt根据式(3)可得到充电系统的效率为

(e)pbplpcppctrplpcppctr (4)

dEplplgdtpbplpcppctrplpcppctr (5)

df(e)plplmaxdt把式(1)带入式(4) 如果考虑满负荷工作

(e)式(5)指出，充电效率与以下因素有关： (1) 充电电路和控制电路损耗； (2) 太阳电池的输出功率。 3) 最大效率设计原则

由以上分析可知，为了保证充电效率太阳能充电系统必须满足： (1) 充电电池必须保证功率吸收能力； (2) 尽量减少充电电路和控制电路的损耗； (3) 选择合理的太阳能电池转换输出能量。

1.3 系统总体结构设计

系统总体结构设计充电器如图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，形成了一个闭环系统。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。

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太阳能电池板 分压 电流采样 电流采样 PWM控制电路 电压变换 LED显示 充 电 单片机 电 电压采样 池 A/D转换电路 图1.1 充电器电路模块

电流采样 –12–

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2 硬件电路设计

2.1 太阳能电路板部分

2.1.1 太阳能电池模型

太阳能电池包括一个 p-n 接点，（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于 p-n 接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图2.1所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。

图2.1 太阳能电池的简化电路模型

电流源 IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管 D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电 压 (VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅 电池来说，VOC 值都在 0.5V～0.6V 之间，这也是 p-n 接点二极管的正常正向电压范围。

并行电阻 (RP) 表示实际电池发生的较小漏电流，而 Rs则表示连接损耗。随着负载电流的增加，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入 负载。对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。 2.1.2 太阳能电池输出特性

图2.2示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的 I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻(RS)也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC)，它与VOC都是决定

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电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。

图2.2 典型的太阳能电池I-V特性

实际上，通常不是通过计算，而是通过实验测试的方法得到。在太阳电池的正负极

两端，连接一个可变电阻R，在一定的太阳辐照度和温度下，改变电阻值，使其由0（即短路）变到无穷大（即开路），同时测量通过电阻的电流和电阻两端的电压。在直角坐标图上，以纵坐标代表电压，横坐标代表电流，测得各点的连线，即为该电池在此辐照度和温度下的伏安特性曲线。 2.1.3 最大功率追踪

在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点 (MPP)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值 (ISC)，但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP必须在两种极端情况之间。

我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP实际 。实践中的问题在于，上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图2.3）太阳能电池 MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近 MPP。

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图2.3 太阳能电池输出特性

我们可通过几种不同方法来跟踪太阳能电池板系统的MPP，不过这些方法通常会比较复杂，特别对卫星等关键任务系统来说更是如此。不过，在许多低成本系统中，我们并不必强求MPP 跟踪系统的精确性。简单的低成本解决方案只要能收集到可用能量的 90% 左右就可以了。充电控制系统如何让太阳能电池的工作接近 MPP 呢？

动态电源路径管理 (DPPM) 技术能满足跟踪 MPP 的设计挑战可实现太阳能电池板电力的最大化，且我们能用MOSFET来调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。太阳能电池板用作电源，对单节锂铅酸电池进行充电。太阳能电池板包括一系列硅单元串，每串包括11个硅单元，就好像电流有限的电压源，电池板的尺寸及光照量决定着电流的大小。

DPPM 能够监控系统总线电压 (VOUT) 随电流限制电源的下降。系统总线连接的电容 (Co) 开始放电，一旦系统和电池充电器所需电流大于太阳能电池板提供的电流， 就会使系统总线电压下降。一旦系统总线电压降到预设的DPPM阈值，电池充电控制系统将在DPPM阈值位置调节系统总线电压。我们可通过降低电池充电电流来实现上述目的，从而获得太阳能电池板的最大电力。DPPM 控制电路设法达到稳定状态条件，使系统获得所需的电力，并用剩余电力给电池充电，这样，我们就能最大化太阳能电池板的电力，并提高系统的可靠性。 2.1.4 太阳能电池板充电部分电路图

图2.4为太阳能电池板充电部分电路图，包括六个部分：太阳能电池、输入电压采

样、Buck电路，输出电压采样、充电电流采样、输出。

输入电压采样和输出电压采样均采用电阻分压式，将大电压转化为能够用于A/D转换的小电压，输入AVR单片机的A/D输入端口。充电电流采样使用采样电阻，同样输

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入AVR单片机的A/D端口。经过内部程序的处理，再来决定PWM的占空比，并实现最大功率追踪的功能。

采用Buck的原因有两个：一是太阳能电池的输出电压过高，若用于铅酸蓄电池充电应进行降压处理；二是Buck电路中含有开关管，可以通过PWM的方式控制输出的电压和电流，并实现最大功率追踪。

本设计中的负载多样化也是一大亮点，包括电灯，LED，手机和蓄电池，这使得设计本身用途更加广泛，应用场合更加广阔。当然，太阳能电池的应用远不只这些，在这里我仅做了几个简单的探讨而已

图2.4 太阳能电池板充电部分电路图

2.2 单片机部分

2.2.1 单片机选型

单片机采用AVR系列单片机ATmega88-16PI。技术资料如下：

 

高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 先进的RISC 结构

o o

131 条指令 – 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32 个8 位通用工作寄存器

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o o o



全静态工作

工作于20 MHz 时性能高达20 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 8K字节的系统内可编程Flash



非易失性程序和数据存储器

o

擦写寿命: 10,000 次

通过片上Boot 程序实现系统内编程 真正的同时读写操作 擦写寿命: 100,000 次

o

具有独立锁定位的可选Boot 代码区

 

o

512字节的EEPROM



o o



1K字节的片内SRAM

可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 六通道PWM

8路10 位ADC(TQFP 与MLF 封装) 6路10 位ADC( PDIP 封装) 可编程的串行USART 接口

可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 面向字节的两线串行接口

具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器

引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU 上电复位以及可编程的掉电检测 经过标定的片内振荡器 片内/ 外中断源

五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和待机模式

外设特点

o o o o o o o o o o o o



特殊的微控制器特点

o o o o

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

I/O 和封装

o o

23个可编程的I/O 口线

28引脚PDIP, 32 引脚TQFP 与32 引脚MLF 封装 ATmega88V：1.8 - 5.5V ATmega88：2.7 - 5.5V -40℃ 至85℃

ATmega88V:0-4 MHz @1.8-5.5V, 0-10 MHz @2.7-5.5V ATmega88:0-10 MHz @2.7-5.5V, 0-20 MHz @4.5-5.5V 正常模式:

 



工作电压:

o o



工作温度范围

o



工作速度等级

o o



极低功耗

o

1 MHz, 1.8V: 240μA

32 kHz, 1.8V: 15μA ( 包括振荡器)

o

掉电模式: 1.8V， 0.1μA

本设计之所以选择AVR单片机是因为其具有PWM输出通道，A/D输入通道，可以满足设计需求，简化硬件电路。而ATmega88-16PI是综合性能需求和价格之后的最好选择。

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。 2.2.2 单片机主电路

图2.5所示为单片机主电路，除去电源、复位、晶振、下载线这些基本外围电路之外，还包A/D输入、PWM输出，LED显示、开关输入、负载控制输出。

A/D及PWM部分在前面已提及，在这里就不再赘述。 开关输入部分控制Lamp和LED输出，实现如下功能： ① 未按时，二者均不亮； ② 按一下，Lamp亮； ③ 按两下，LED亮； ④ 按三下，返回① ；

负载控制输出用于控制太阳能充电部分的负载，由于单片机输出电流较小，所以在

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2.2.3 单片机子电路

② 充电时，绿色LED闪烁；

③ 充电完成，绿色LED发光；

在微弱的电流下点亮，故不需要驱动。

⑤ 过电压或短路时，红色LED闪烁；

④ 蓄电池欠电压时，红色LED发光；

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① 初始状态，红色LED和绿色LED均不发光；

图2.5 单片机主电路

片机作为电源，单片机电源滤波和前面提到的电流放大驱动。

LED显示用以显示电池充电状态，过电压和短路保护，具体功能如下：

子电路部分对于Lamp和Phone均有三极管电流放大，用于真正的驱动负载。LED可以

图2.6所示为单片机子电路部分，其中包括TL431将太阳能电池输出降压供给单

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图2.6 单片机子电路

2.3 电池充电原理

2.3.1 铅酸蓄电池基础

铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 1. 放电中的化学变化

蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物硫酸铅。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。 2. 充电中的化学变化

由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之。

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2.3.2 充电原理

蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。蓄电池的容量减少到规定值以前, 蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下,蓄电池浮充供电的时间,称为浮充寿命。通常免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。

通常要完成两个任务, 首先是尽可能快地使电池恢复额定容量, 另一个任务是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量,以维持电池的额定容量。在充电过程中,铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅, 正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后,电池开始发生过充电反应,产生氢气和氧气。这样,在非密封铅酸蓄电池中,电解液中的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中,采用中等充电速率时,氢气和氧气能够重新化合为水。

初始的时间与充电速率有关.当充电速率大于 C/5 时,电池容量恢复到放出容量的 80%以前, 即开始过充电反应, 如右图所示。只有充电速率小于 C/100, 才能使电池容量恢复到100%后,才开始过充电反应。由右图还可以看出,采用较大充电速率时,为了使电池容量恢复到 100%,必须允许一定的过充电,过充电反应发生后,单格电池的电压迅速上升,达到一定数值后,上升速率减小,然后电池电压开始缓慢下降。由此可知,电池充足电后,维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的是压。这就是说,电池充足电后,充电器应输出恒定的浮充电压。在浮充状态下,充入电池的电流应能补充电池因自放电而失去的电量。浮充电压不能过高,以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充电压,免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。实践证明,实际的浮充电压与规定的浮充电压相差 5% 时,免维护蓄电池的寿命将缩短一半。

电池的电压与温度有很大关系,温度每升高 1℃,单格电池的电压将下降 4mV。也就是说, 铅酸电池的电压具有负温度系数,其值为–4mV/℃。由此可知,在环境温度为 25℃时工作很理想的充电器,当环境温度降到 0℃时,电池就不能充足电,当环境温度升到 50℃时,电池将因严重过充电而缩短寿命。因此,为了保证在很宽的温度范围内,都能使电池刚好充足电,充电器的各种转换电压必须随电池电压的温度系数而变。

对铅酸蓄电池的充电有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电等方法。由于在独立光伏系统中，蓄电池的寿命直接决定了系统的寿命，所以不能简单地使用恒流充电或者恒压充电，必须采用三阶段充电的策略。图2.7所示为三阶段充电特性曲线。

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图2.7 三阶段充电特性

（1） 恒流充电

在充电初期，蓄电池的荷电状态比较低，故采用恒流充电。充电器的控制对象为Buck变换器的输入电压Up，通过MPPT算法找到最大功率点所对应的电压，作为Upref，并且通过数字PI算法使太阳能电池工作的最大功率点。当太阳能电池实现MPPT时，蓄电池也就实现了最大功率充电。由于蓄电池电压在短时间内可认为是不变的，而且最大功率在短时间内也是不变的，因此一段时间内Ib基本上是不变的，从而实现了恒流充电。 （2）恒压充电

当恒流充电进行一段时间后，Ub升高到14.4V，并推出恒流充电，进入恒流充电阶段。此时，充电器的控制对象为Buck变换器的输出电压Ub，并且通过数字PI算法使Ub稳定在14.4V，从而实现了恒压充电。 （3）浮充

随着恒压充电的进行，蓄电池对电流的接受能力减弱，Ib开始变小，当Ib0.5A时，则退出恒压充电，进入浮充状态。根据蓄电池手册上的数据，浮充电压约为12.6V。此时，充电器的控制对象仍然是Ub，并且通过数字PI算法使Ub稳定在12.6V，从而实现了浮充。

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3 软件设计

3.1 主程序

3.1.1 功能描述

主程序的主要功能如下： ① 所有模块的初始化 ② 按键扫描及键值读取③ 欠压保护 ④ 充电管理 3.1.2 程序框图

开始 模块初始化 计算A/D转换值 读取键值 短路及欠压保护 结束 图3.1 主程序框图

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3.2 ADC头文件

3.2.1 功能描述

ADC头文件主要功能如下： ① A/D初始化 ② A/D使能 ③ A/D禁止 ④ A/D中断 3.2.2 程序框图

因为部分子函数都较为简单，所以这里就不对其进行框图介绍了，只针对A/D中断画出程序框图。

开始 读取转换结果 改变转换通道 ADC0~ADC3循环 结束 图3.2 A/D中断程序框图

3.3 PWM头文件

ADC头文件主要功能如下： ① PWM初始化 ② PWM使能 ③ PWM禁止

因为这三个子程序都十分简单，属于基本操作，所以就不再画框图仔细介绍了。

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3.4 Time0头文件

3.4.1 功能描述

Time0头文件主要功能如下： ① T0初始化 ② T0中断 3.2.2 程序框图

因为T0初始化程序较为简单，所以这里就不对其进行框图介绍了，只针对T0中断画出程序框图。

开始 每隔1秒进行一次如下操作 无阳光时判断阳光是否出现 有阳光时判断阳光是否停止 结束 图3.3 T0中断程序框图

3.5 Events头文件

3.5.1 功能描述

这个头文件包括所有小事件的的操作处理。

ADC头文件主要功能如下： ① A/D转换数值传递

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② 计算A/D转换数值 ③ 最大功率追踪

④ 电池充电管理及过充保护 ⑤ 过放及欠压保护 3.5.2 程序框图

这里的子程序都较为复杂，所以我们将逐个画出子程序进行介绍。 1. A/D转换数值传递子程序

图3.4 A/D转换数值传递程序框图

开始 存储转换结果 判断60次转换是否到达 结束

2. 计算A/D转换数值子程序

图3.5 A/D转换数值程序框图

开始 按照算法计算电压值 按照算法计算电流值 结束 –26–

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3. 最大功率追踪子程序

4. 电池充电管理及过充保护子程序

开始 根据电流大小确定设定电压 比较设定电压和实际电压改变占空比 结束 图3.6 最大功率追踪程序框图

开始 根据三阶段充电特性改变占空比 判断过充 若是则保护并闪灯

判断恢复 如是则退出保护并 结束 图3.7 电池充电管理及过充保护程序框图

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5. 过放及欠压保护子程序

开始 判断过放及欠压 若是则保护且闪灯 判断恢复 若是则退出保护 结束 图3.8 过放及欠压保护子程序

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4 结束语

经历了一年多的时间，这个项目终于在坎坷中完成了。在这一年里，我和同组的同学从茫然到懵懂，再到略有所知，直到现在的项目完成，每走一步，都付出了很多努力。

由于我们的专业素养不够，经验不足，虽然竭尽全力，但完成情况仍不够好，还有很多地方有待改善。

虽然项目已经提交，但我们不会放弃这方面的学习，希望能够做到更好。 感谢这一年里老师的指导，还有所有曾经给过我们帮助的人。没有你们的帮助，就不会有我们的进步，谢谢你们！

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参 考 文 献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2001. [2] 周兴华.AVR单片机C语言高级程序设计.北京:中国电力出版社,2008.

[3] Nicoia Femia, Giovanni Petrone. Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method, 2005.(4).

[4] 董文博，吴知非.数字化智能充电器的设计[J].电子技术应用,2006.（2）.

[5] 刘超. 基于单片机的智能手机充电系统[J]。长春理工大学校报（高教版），2007.（1）. [6] 缪家鼎,徐文娟,牟同升.光电技术[M].杭州：浙江大学出版社,1994.

[7] 朱飞，杨平.AVR单片机C语言开发入门与典型实例.北京：人民邮电出版社，2010. [8] 李鹏.基于单片机的太阳能充电装置设计[J].高校理科研究,2006.（2）.

[9] 冯垛生, 张淼，赵慧等.太阳能光能发电技术与应用.北京: 人民邮电出版社,2009. [10] 杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术.北京:电子工业出版社,2009.

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