2024年1月16日发(作者：市雨旋)
电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】太阳能手机充电站研究与开发--充电器部分
（20_ _届）
本科毕业设计
太阳能手机充电站研究与开发--充电器部分
摘 要
随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出。太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。而在如今的信息时代，手机作为一种便捷的通信工具在世界范围内得到了广泛的普及。然而由于手机电池的储能有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便，甚至造成无法挽回的损失。因此在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、学校、旅游景点等场所设立太阳能手机充电站可以方便人们的工作生活，同时也提高这些服务场所的服务质量，提升自身的竞争力。
太阳能手机充电站利用单片机控制，将太阳能通过光电转换电路变为稳定的直流电储存到蓄电池中，再给手机充电。并能在电池充电完成后自动停止充电。上述功能的实现需光电转换电路、稳压电路、控制电路和保护电路。
关键词：太阳能、手机充电站、单片机
Research and development of solar cell phone charging
station―Charger Part
Abstract
With the increasing depletion of fossil energy,
environmental issues have become increasingly prominent. Solar
energy is a kind of green, inexhaustible nor the geographical
features have been increasing attention. In information age,
Phone as a convenient communication tool has been widely
popular in the world. However, due to the limited storage of
mobile phone battery People often encounter when they go out
phone battery died, can not find the charger or can not charge
around the place and so on. Makes the phone not work properly,
and even make irreparable damage. Therefore, on the bus
terminal, commercial streets, hotels, schools, tourist
attractions and other places have large floating people set up
solar cell phone charging station can facilitate people's work
life, It can be convenient tourists’s life, and also improve
the quality of service of these establishments, enhance their
competitiveness.
Solar cell phone charging station photoelectric conversion
circuit using the solar energy into electricity stored in
batteries, and then power through the control circuit to charge
to a different phone. And can automatically stop after charging
the battery includes a photoelectric conversion
circuit, the voltage regulator circuit, charging circuit and
protection circuit.
Keywords: Solar Energy, Mobile phone charging station,
Microcontroller
目录
摘 要 III
Abstract IV
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及研究意义 1
1.2 市场产品技术现状及发展趋势 1
1.2.1 市场产品技术概况 1
1.2.2 市场产品的发展趋势 2
1.3 课题研究的主要内容 3
第二章 太阳能手机充电站的构成 5
2.1 太阳能电池概况 5
2.2 蓄电池概况 6
2.3 手机锂电池概况 8
2.3.1 手机锂离子电池的基本性能指标 8
2.3.2 手机锂离子电池的基本特性 9
2.3.3 手机锂离子电池的组成部分及外界端口 9
2.4手机锂离子电池的充电过程 10
第三章 太阳能手机充电站硬件设计 11
3.1 系统总体设计方案 11
3.1.1 普通万能手机充电器 11
3.1.2 手机充电站设计思路 12
3.1.3 设计原理图及电路图 12
3.2 稳压电路 15
3.3 单片机控制电路 16
3.4 按键指示电路 16
3.5 数码管显示电路 17
3.6 BUCK斩波电路 18
3.7 电压电流的A/D采样 19
3.8 471介绍及工作原理 22
第四章 程序流程图 24
3.1 整体程序流程图 24
4.2 充电子程序流程图
4.3 电源子程序流程图
结论 27
参考文献 28
致谢 29
25
26
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及研究意义
当今，随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出，太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，积极的开发太阳能资源。目前，太阳能电池的应用已经从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。尤其在边远地区、。1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。如果手机无法使用，将对我们的工作、生活造成巨大影响，甚至损失。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。因此，在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、旅游景点等产所，为现有市场上出售的各种类型的手机配备的电池充电。就成为迫切的问题了。它可以方便旅客的工作生活，同时也提高这些服务产所的服务质量，提升自身的竞争力。太阳能手机充电站，利用单片机控制，将太阳能通过电路变换为稳定的直流电给手机，并能在电池充完电后自动停止充电还可以作为一般直流电使用，从而解决了上述在外手机没电的问题。
1.2 市场产品技术现状及发展趋势
1.2.1 市场产品技术概况
目前，市场上手机充电器主要有便旅行充电器，座式充电器、车载充电器。充电的方式主要是两种，一种是大电流快速充电法，另一种是电压比较法。大电流快速充电法在电池充满电后不及时停止会使电池发烫，因此过度的过充对电池的寿命有严重的损害。电压比较法没有前者的担忧，它的工作原理是当充电达到90%就停止大电流充电，采用小电流涓流进行充电。但是这时充电器上的充满指示灯会亮起，就会造成已经充满的假象而使得用户取下电池。如果是镍镉/镍氢电池就会产生记忆效应使得电池容量减小。目前，手机充电器有三类主流方案，即集成PWM控制器方案、RCC方案和分立PWM控制器方案。PWM控制器方案变压器输入侧器件数量少，线路简单；输出侧则是由运放和电压基准组成的恒压恒流控制。由于功率器件和PWM器件集成在一个封装内，故散热难、整体成本高。RCC）充电方案无专门的控制器来实现脉冲调制，变压器和电容电阻等元件决定了控制方式的可靠性。变压器次边线路与集成PWM控制器方案相同看上去最简单，但其实电性能不可靠，宽电压范围工作困难，失效率高，批量生产时的良率低。为了可靠起振，功率器件也必须选择价格较高的MOSFET。分立PWM控制器方案被广泛应用于充电器中。传统的做法是分立的PWM控制器配MOSFET，特点是元件选择灵活、线路多种多样，性能良好，因而被很多人采用。AC输入或多国电压可选；具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计；体积小、重量轻；自动、快速充电，充满后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；具有放电功能；LED充电状态显示；低噪声；模拟微电
脑控制系统等特点。
1.2.2 市场产品的发展趋势
（1）目前，手机充电器可分为单槽形状和双槽型充电器，单槽形充电器正在。双槽形充电器除了具有慢速充电、快速充电、放电及镍镉、镍氢电池兼充的标准功能外，还有部分产品带有自动温度控制与电压控制，严防过充的新功能，因而消费者应将倾向于选择双槽型充电器。（2）随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。例如，诺基亚是以“圆形”接口为主，而索爱则是以“条片式”的接口为主，除了充电接口的形状不一样之外，手机额定的电流、电压标准也不尽相同形成了自己独有的充电接口规范标准标准型充电器，是指可以连接所有手机底端电源插座（端口）的充电器。而且，生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。这样，消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器由此可见，充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同时，也开始向标准化、通用化的方向发展。3）随着节能环保的潮流，对手机充电器的节能、可靠性提出了要求。手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。相比于以前的充电器，今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。为了达到这一目标，可以设计一个判断AC适配器是否连接负荷（手机）的IC，当未连接负荷时，将AC适配器的直流输出方（2级电路）切换到高阻抗电路上。通过采取这一措施可以大幅减少待机时2级电路的消耗电流
（可以达到数十μA）。另外，还可以在输入交流100V方（1级电路）中设置切换电路。在未连接负荷时，通过开关切换电路来减少供应给直流输出方（2级电路）的功率从而减少耗电量。
4）现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池充电的，但是随着市场的发展，自动识别两种电池而进行相应的充电进程的充电器正在逐步占据主流。可以自动分辨锂电池或镍氢电池的座充能“防止将锂电放电的错误作”，如果在充锂电池时不小心按到了座充上的“放电钮”，好的座充可以辨识出来是锂电池，因此不会做放电动作；差的座充则不管三七二十一地进行放电，这就会造成锂电池寿命的折损。1.3 课题研究的主要内容
太阳能手机充电站设计内容包括两大部分：
（1）太阳能电池板到蓄电池部分
图1.1 太阳能电池板到蓄电池部分框图
该部分的主要任务是将太阳能转化为电能储存到蓄电池中，下面介绍一下系统的工作原理。
系统的核心部分是单片机和PWM电路。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板输出电压电流和蓄电池的输入电压电流。并采用一定的算法寻
找出太阳能电池板的最大功率点和控制蓄电池的充电状态。
（2）手机充电器部分
图1.2 手机充电器部分
手机充电器的一般工作流程为：
1 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电；
2 电池充到一定电压 一般设置为2.9V 时，进行全电流充电；
3 当电池电压达到预置电压 锂离子电池一般为4.2V 时，开始恒压充电，同时充电电流降低；
4 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束
除了上述流程外，该设计的研究内容还包括可选的电池温度监测，即利用电池传感器连续检测电池温度。充电状态识别，通过输出LED指示灯和主控器实现。此外还有重新充电、最小电流终止充电、低功耗休眠等。
第二章 太阳能手机充电站的构成
2.1 太阳能电池概况
1954年Bell实验室研发出了第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。自此开启了太阳能电池的新纪元。
（1）太阳能电池简单分类
根据所用材料的不同，太阳能电池可以分为：
1）硅系太阳能电池；
2）以无机盐如砷化镓III―V化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；
3）纳米晶太阳能电池等；
4）有机半导体太阳能电池。
（2）各类太阳能电池特点
1）硅系太阳能电池
随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，硅类
太阳能发展快速，且一直是市场的主角。
各种硅系太阳能电池特点：
表2.1 各种硅系太阳能电池特点
太阳能电池种类 最高转换效率% 优点 缺点 单晶硅 24.7±0.5 转换率高、技术成熟、寿命长 成本高 多晶硅 20.3±0.5 长寿命、技术成熟、转换率较高 成本较单晶硅低但也很高 非单晶硅薄膜 14.5（初始）±0.7
12.8（稳定）±0.7 重量轻、工艺简单、转换率较高、成本低廉 稳定性差、有光电效率衰退效应 多晶硅薄膜 16.6±0.4 成本低廉、效率较高、稳定性好 生产工艺需要优化 2）砷化镓III―V化合物、硫化镉等太阳能电池
此类太阳能电池的效率较高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生
产，但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是理想的太阳能电池。
3）纳米晶太阳能电池
纳米TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/1020年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
4）有机半导体太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。目前太阳能电池产量中，95%以上都是硅基的，而剩下不到5%也是由其他无机材料制成的。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模生产和提供廉价电能具有重要意义。但是以有机材料制造太阳能电池的研究仅仅刚开始，无论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
在此设计中由于硅太阳能电池构造简单，成本低，故选择硅太阳能电池。
2.2 蓄电池概况
在蓄电池问世以来的一百余年时间里，由于蓄电池可以方便的存储与提供电能，且具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用。
下面介绍铅酸蓄电池，
图2-1铅酸蓄电池充电原理图
铅酸蓄电池基本结构为，正极板（过氧化铅.PbO2）,负极板（海绵状铅.Pb）,电解质（稀硫酸）。
放电过程：当电池接外部电路放电时，稀硫酸与阴、阳极上的活性物质发生化学反应，生成新的化合物硫酸铅。发电越久，硫酸浓度就会越稀。消耗的硫酸与发电量是成比例的，所以只要测的电解质中
硫酸的浓度，就可以知道发电量或剩余电量。
充电过程：充电电流与放电电流相反，即电池正极与电源正极相连，电池负极与电源负极相连。除此之外，充电电源电压必须高于电池的总电动势。电池内部反映与放电时相反。
充电方法的研究：
研究发现，充电电池的充电过程对电池的寿命影响最大。而放电过程的影响少之又少。因此一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有很重要的意义。上世纪60年代中期，美国科学家对开口蓄电池的充电过程进行了大量的研究提出了以最低出气率为前提的充电曲线。理论上按照这条曲线充电就可以大大的缩减充电时间。
图2.2 最佳充电曲线
下面介绍几种常用充电方法：
（1）恒流充电法
恒流充电法是调整充电输出电压或改变与蓄电池串联电阻保持充电电流的充电方法。控制方法简单，但的可接受电流是随着充电的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，2）阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法
1二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
2三阶段充电法3）恒压充电法
电压保持恒定用恒快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流逐渐减少，其充电过程更接近于最佳。只需简控制系统。很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。汽车运行过程中蓄电池就是以恒压充电法充电的。2.3 手机锂电池概况
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。但是目前手机所配置的电池基本上都是锂离子电池。离我们印象最近的应该是3210，配的是镍氢电池，现在在我们周围好像找不出用镍氢的手机了。
2.3.1 手机锂离子电池的基本性能指标
（1）电池的开路电压
（2）电池的内阻
（3）电池的工作电压
（4）电池电压
充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。
（5）电池容量
电池容量是指从电池获得电量的量，常用C表示，单位常用Ah或mAh表示。容量是电池电性能的重要指标。电池容量由电极的容量决定，若电极的容量不等，电池容量取决于容量小的那个电极。
（6）电池的贮存性能和寿命
2.3.2 手机锂离子电池的基本特性
（1）高能量密度
锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40-50%，镍氢的20-30%。
（2）高电压
一个锂离子电池单体的工作电压为3.6V 平均值 ，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
（3）无污染
锂离子电池不含有镉、铅、汞之类的有害金属物质。
（4）循环寿命高
正常使用条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。
（5）无记忆效应
记忆效应是指镍镉电池的充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。
锂离子电池不存在这种效应。
（6）快速充电
使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个
小时得到满充。
（7）热敏电阻NTC：负热敏电阻，感应电池内部温度，起到高温、低温保护作用。
（8）识别电阻ID：识别原装电池，非原装电池不能使用。
2.3.3 手机锂离子电池的组成部分及外界端口
（1）一般手机锂离子电池的组成部分
1）锂离子电芯：提供可充放电源。
2）PCB板：防止电池过充、过放、短路。
3）过流保护器PTC：正热敏电阻，起到高温保护作用，同时又是保护电路板失效后的二重保护。
（2）手机锂离子电池的外接端口
手机电池的四个外接端口中，除了正负极外，有一个作为充电时检测电池温度用，另一个作为检测电池类别用（如区分镍－镉、镍－氢、锂离子等），由于镍－镉、镍－氢作为手机电池已基本淘汰，充电器无需再检测判别电池类型，因此，目前市面上的手机电池一般只有前三个端口。2.4手机锂离子电池的充电过程
典型锂电池充电曲线如下：
图2.3 典型锂电池充电曲线
当锂电池插入充电器后，充电器就会检测电池电压。如果电池电压低于设定的门限Vmin，充电器就会以C/10―C/15量级的速率对锂电池进行涓充。直到电池电压上升到Vmin，充电器便以恒定电流给电池充电，这时电池电压逐渐升高，当电池电压达到恒压门限V,电池的实际充电量接近总容量的40%-70%。为了能充满电池，充电器输出变换为和V相等的恒定电压。在此充电阶段，充电电流随着时间逐渐减小，恒定电压一直持续到充电电流降至C/10-C/15，充电结束。如果开始时电池电压大于充电器设定的门限Vmin，则跳过涓充阶段
直接进入快充阶段。手机锂电池标称电压为3.7V（3.6V）。充电截止电压4.2V（4.1V）1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA
第三章 太阳能手机充电站硬件设计
3.1 系统总体设计方案
3.1.1 普通万能手机充电器
目前，手机电池最常见的类型有锂离子电池、锂聚合物超薄电池、NI-MH镍氢离子电池。不同类型电池的电池门限 标志充满／ 不同，其中锂离子电池有3.7V/4.3V和3.6V/4.2V之分。而市面上的“万能手机充电器”据称能较好地兼容锂离子电池。普遍业内人士对“万能手机充电器”表示质疑：采用标准的恒流转恒压充电方式，不同容量的电池的额定充电电流不同，最大不超过lC C是电池容量 ，难道500mhh和1300mhh的电池能用同样的电流充电? 它是采用了什么新技术能自动根据不同的电池提供适合的电流和适合的门限电压，从而达到万能的功效呢？仔细研究万能手机充电器我们发现它只有两根输出线，而我们知道设计完善的充电器至少有三线输出。电池中间的两根一般是数据反馈线和温度及告警线，大部分锂离子电池内部都有保护电路甚至是智能管理芯片。“只有两根输出线”意味着该充电器放弃了电池本身具备的保护电路。也只有这样做才能实现“廉价的万能”。 正常截止电压是4.2V 。它们把门限正态分布值设置为4V左右．这样做使充电本身安全了，但电池却永远充不满。等于电池容量减少了，导致充电次数的增加，也导致了电池寿命的缩短。
质疑三
由于锂离子电池对充电电流敏感，过大充电电流很容易导致电池发热发胀、活性物质脱落等问题。“万能手机充电器”不能对不同容量电池提供不同的和适合的电流。那么安全性如何保障？锂离子电池对充电的电流尤其是充电的几个门槛电压要求很高，而目目前几乎所有“蛋充”都未使用精密电压源 比如TL431或类似的功能单元 ，而只是使用精度和温度稳定性都非常差的廉价Zener管做参考电压源，导致门限电压离散性很大，飘移严重。为了避免意外，不少厂家有意把门限电压调小以保障即便出现比较大的正误差也不至出现问题，导致电池长期充不饱。缺乏对电池容量的智能检测是所谓“万能手机充电器”的最致命缺陷。
3.1.2 手机充电站设计思路
（1）要达到“万能”，手机充电站必须以下特点：
1）它必须包含手机直充 具备AC/DC转换、并输出稳定的电压和足够的电流 或手机座充的充电管理电路 充电电流、电压控制与管理及保护 的功能。
2）锂离子电池充电电流必须根据电池容量大小而定。电流过小导致充电时间大幅度延长，电流过大会导致电池内压增加、发热、结构受损，直至危害电池寿命。
3）锂离子电池是非常非常娇气的，准确和稳定的门槛电压控制对电池寿命有很大影响．如果没有足够精度的电压参考源电路，设计功率余量不足，充电器就容易发热，导致门槛电压产生温飘，影响充电控制精度。
4）万能充电器在达到3.9V-4.34V 标准应该是4.2V 转恒压充电数小时后，充电电流并未完全关死而存在较大漏电流。而锂离子电池对充电电流的吸收是100%的，即便是很小的电流依然也存在过充电问题。
5）所有原装充电器，除了充电的正负两极，还有与电池内部保护电路进行连接的线路，以获取电池容量、温度补偿参数、告警保护等信息。而由于厂家品牌不同，电池/手机保护电路的电路方式有很大差别。所以，现阶段真正达到兼容几乎是不可能的。
（2）问题的解决方法：
选用合适的外围器件、单片机等设备。利用单片机控制，实现对目前市场上出售的手机电池的万能充电。其主要设计目的包括：
1）利用单片机，通过外围电路，监测电池的充电状态，实现对电池充电的智能控制，以最大限度地保护电池寿命。
2）使现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。
3）使该充电器的综合成本尽可能低
3.1.3 设计原理图及电路图
根据设计要求，设计硬件系统的原理图如下图所示：
图3.1 充电站硬件系统原理图
太阳能电池、蓄电池在使用时输出电压不稳定，这就需要用充电控制电路将不稳定的直流电转换为稳压直流电。当白天光线强时从太阳能电池板供电给电路及手机锂电池，当黑夜或白天光线不强时从蓄
电池供电给电路及手机锂电池。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过充会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控制系统，51系列单片机是当前使用最广泛的8位单片机系列，本系统采用89C51做为充电电路的控制器，由单片机实现PWM波控制开关管从而实现电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由ADC0809实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路智能输出与控制。
根据硬件系统原理图，确定其硬件系统的主电路图如图3.2：
图3.2 主电路原理图
3.2 稳压电路
稳压电路功能：
为本课题各部器件提供符合要求的电源。根据本课题设计思路，电源部分需为控制部分提供直流电，其直流特性要求不高，可为简单的脉动直流电；需为单片机控制器提供4-5.5V的直流电压，最大250
mA的直流电流；另外，需为准备后续加装的LCD显示器提供直流电。
这里主要介绍下单片机电源：
7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差别,用的最多的还是LM7805,他的3个引脚1-输入正电压，23-输出端。
图3.3 LM7805引脚图及典型应用电路
单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。图2是三端稳压集成电路LM7805的典型应用电路，三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态时，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。电路中Ci的作用是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡，减小纹波电压，取值范围在0.1μF~1μF之间，本文Ci选用0.33μF；在输出端接电容Co是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取0.1μF左右，本文Co即选用0.1μF。Co从稳压器输出端向稳压器放电，造成稳压器的损坏，在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，对LM7805起保护作用。
LM7805输入电压为8V到36V，最大工作电流1.5A，具有输入电压范围宽，工作电流大，输出精度高且工作及其稳定，外围电路简单等特点，太阳能电池电压即使有较大的波动，也能稳定的输出5V电压，从而是单片机等控制电路正常工作，且成本低。
3.3 单片机控制电路
本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。具体工作过程是上电复位，首先查询键盘，确定充电器功能，确定后继续查询键盘以确定输出电流大小，或作为普通电源的输出电压，然后转入相应子程序并分析计算PWM占空
比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使输出趋于设定值。在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。
通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易行。
3.4 按键指示电路
在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。
通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms3.4为本设计的按键接线图。
图3.4 按键接线图
对电路总体考虑后，将ADC0809采集电路接在了单片机的P0口，并用P2口做采集控制，这样P0口仅用接收数据，不用发送数据，有
P0口的硬件构成知道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬件开支，而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在P1口，其中P1.0是数字减键，P1.1为数字加键，P1.2键位确定键，P1.3为过电流保护指示灯，P1.4、P1.5为输出功能选择键，按下P1.4代表给手机电池充电，按下P1.5则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。
3.5 数码管显示电路
AT89C51单片机内有四个与外部交换信息的8位并行接口，其中还有一个可编程的全双工串行I/O端口，利用P3.0（RXD）P3.1（TXD）P3.1（TXD）P3.0（RXD）0是8位移位寄存器输入/输出方式，多用与外接移位寄存器以扩展I/O端口。串口的工作方式可以参看相关的书籍，此处不做详细介绍。
设计中采用基于串口的LED数码管静态显示电路，在串口扩展中最常用的就是基于串口的LED数码管显示电路。在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的I/O口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，
数码管直接接在74LS164的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。
图3.5数码管驱动电路
单片机AT89C51的串口外接1片74LS164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。Q0-Q7 第3―6和10―13引脚 并行输出端分别接LED显示器的DP---A各段对应的引脚上。本设计设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源VCC，本电路有LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证个数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器74LS164的输出线必须是低电平。当有按键按下时，有单片机处理编码后送到数码管上显示。
3.6 BUCK斩波电路
DC/DC变换器也称为直流斩波电路，一般是指直接将直流电变为另一种固定电压或可调电压的直流电的电力变换电路。它广泛应用于便携装置中。直流斩波电路的种类很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如半桥两象限斩波电路、全桥四象限斩波电路等。
DC/DC变换主要有两种脉冲调制方法，脉冲宽度调制（PWM）方法和脉冲频率调制（PFM）方法。所谓的脉冲宽度调制方法，是一种
在整个工作过程中开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓的脉冲频率调制方法是一种在整个工作过程中开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。因此，在开关变换电路中，开关元件被周期性地接通和关断。控制开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例，从而达到控制输出电压。开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例称为开关接通的占空比。定义为D ton/Ts。
在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽调制方式的BUCK变换器，BUCK变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。其电路如图3.6所示，PWM脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管的通断。
图3.6 BUCK变换器电路
3.7 电压电流的A/D采样
A/D转换器是把模拟信号转化为数字信号的装置。ADC0809是一款分辨率为8位A/D转换器、8路多路开关允许8路模拟量分时输入。它的转换时间为100μs左右。它是逐次逼近式A/D转换器，可以与单片机直接接口。
图3.7 ADC0809内部结构及管脚图
（1）ADC08098路的模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成了ADC0809。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与电路对三个地址位锁存和译码，其译码用于通道的选择。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，
才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
（2）28引脚的双列直插式封装，如图3.7。
D0-D7：8IN0－IN7START：A/DSTART上升沿时，复位；下降沿时启动芯片并开始进行A/D转换，在工作时应保持低电平。
ALE：地址锁存允许信号。上跳沿有效，A、B、CA、B、COE：输出允许控制器，用以打开三态数据输出锁存器。当OE＝1OE＝0Vcc：+5V电源。
Vref：参考电压与输入模拟信号比较，作为逐次逼近的基准，典型值为+5V。
ALE为地址锁存允许输入端，高电平有效。当在ALE端输入高电平时，地址锁存与译码器将对A，B，C三条地址线上的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN73.1所示。
ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V3.1
CBA通道选择表
C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0
1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5
1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 （3）ADC0809
1）ADC0809 AT89S51 单片机直接相连。
2）ST 和OE 信号全为低电平。
3）送要转换的哪一通道的地址到A，BC 端口上。
4）在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。
5）是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。
6）当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
本设计中用单片机的P0口接收来自0809的换数据，P2.0、P2.1、P2.2依次接在0809的A、B、C地址线，P2.3接在0809的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，时钟信号由单片机的ALE端经74HC74触发器二分频后提供，单片机采用12MHz晶振，ALE端经二分频后为500KHz。ADC0809具体工作过程为：首先P2.0、P2.1、P2.3输入3位地址，并使P2.3输出高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请，而触发单片机动作准备接收数据，这是使P2.5输出高电平，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，单片机读取P0口然后做下一步处理操作。
3.8 471471是美国IM公司生产的双向、精密电流检测放大器。可以广泛的使用于供电系统、便携式设备和监控系统。471内置的35毫欧精密传感电阻，可检测上下限为3A的电流。在其工作范围内，精度可以达到2%。471也可以可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。
图3.8 471典型应用电路
471所需的供电电压为Vbr/Vcc为3～36V130kHz，采用8脚封装，其典型应用电路如图3.8所示。
471各引脚功能说明如SHDN为关闭信号，正常操作时接地，当SHDN为高电平时，471进入关闭模式，此时消耗电流小于5μA。在这个状态的时候，SIGN为高阻状态，OUT截止。RS+为内传感电阻的电源端。GND为地端或电源负端。SIGN端可以指示输出电流的方向，SIGN为低电平表示电流由RS－RS+。而输出高电平时，电流从R+流向R-。RS－OUT为电流幅度输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。
图3.9 471引脚图
在本设计中，用471构成直流电源检测与充电保护电路。电路与电源和电池连接，他能通过LED显示过流报警与充电保护。电阻R4采用20K/0.6W精密电阻，在输出最大500mA时Uo不超过5V，输出电压便于ADC0809采集并作数字化处理。
第四章 程序流程图
3.1 整体程序流程图
图4.1 整体程序流程图
4.2 充电子程序流程图
图4.2 充电子程序流程图
4.3 电源子程序流程图
图4.3 电源子程序流程图
结论
本设计是太阳能手机充电站的充电器部分设计，主要工作是硬件电路设计。通过方案论证与可行性分析，最终确定由89C51单片机完成主电路的控制与设计，并展开外围电路与控制硬件电路设计，硬件电路的设计只要是电路图的绘制及参数的确定。在硬件电路设计上遇到了一些问题，关于DC/DC转换的PWM脉宽调制信号的产生问题，经过反复分析论证，最后确定用单片机通过编程来实现，这样将大大降低硬件成本。
本设计有效地解决了对不同手机在户外因无电而无法使用的问题。充电站实现了对手机的智能检测、充电状态的只能监视与控制。有效的保护了手机电池的寿命，实现了便捷管理，达到了设计目的。
受时间和水平的限制，该系统还有很多不足之处，敬请多多批评指教。
参考文献
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[17] 刘征宇.太阳能手机电池充电器设计研究[J].漳州师范学院报,2004,17 4 :40-43.
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Technology,2009,9,32-33.
[19] Advanced Li-Ion Linear Charge Management IC[J]. Texas
Instruments Incorporated,2000,3,1-11.
文献综述
太阳能手机充电研究与开发----充电器部分设计
一、前言
1.概述
自1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。而目前市场上的太阳能充电器基本上是便携式，其质量良莠不齐。一个好的太阳能充电器要综合考虑它的使用效率、蓄电池和电路设计等方面。使用效率包括两个方面，太阳能板的转化效率和二次转化效率。蓄电池的质量和容量，便捷式太阳能手机充电器的蓄电池容量一般为手机电池的1.2倍。控制电路和保护
电路，目前市场上的太阳能手机充电器的保护电路和控制电路大部分都设计的很简单，且兼容性比较差。容易充坏手机或减短手机及电池的使用寿命。现在的太阳能手机充电器大多只能作为一个应急的电源使用，不能完全的依靠它给手机等数码产品充电。要实现完全给手机充电就需要太阳能电池板大于0.7W。正因为这些原因太阳能手机充电器还没有被很多消费者所使用。其中很多不足之处都是受便捷式的体积所制约。因此就产生了太阳能手机充电站。它能弥补太阳能手机充电器的不足之处，可是在使用的方便上比不上便捷式充电器。它可以安装在一些没有共用电网或不容易充电的地方且人流多地方，比如商业街、旅游景点等，它的外部设计可以有跟超市寄存物品一样的储存手机箱子，使用者可以在充电时暂时的离开去干自己的事。它还可以设计一个数码相机的充电器，在一些旅游景点可以为那些没电的数码相机充电。
2.课题的目的及意义
目前市场上的手机充电器大致可以分为座式充电器、旅行充电器和维护性充电器。但是只有很少一部分采用微电脑控制。本设计目的是用单片机来实现把太阳能电池接收到的能量充到手机锂离子电池的过程。现在人们在设计电路时，都趋向于用尽可能少的硬件来实现电路的功能。并逐渐的把以前用硬件实现的功能部分用软件代替。用软件设计的优点在于电路变得简单且易修改。使得基于微处理器设计的电路比传统设计的电路有更大的灵活性。随着单片机技术的迅速发展，以及它的功能强大和廉价。单片机在电子技术上的应用越
来越广泛。本设计涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图、绘制电路板等多方面知识。在做这个设计的过程中，我将回顾学习到很多知识，并提高我的编程能力和实际操作能力，对我以后的学习工作将有很大的帮助。
二、主体
1.太阳能手机充电站的工作原理
太阳能手机充电站的简易工作原理框图如下，
图1-1 太阳能手机充电站原理框图
它使用太阳能电池板接收太阳光的辐射能量，并把太阳能转化为电压不稳定、电流较小的电能。通过DC/DC变换器得到稳定的恒压恒流电，再通过控制保护电路对蓄电池进行充电，充电过程分为预充阶段、大电流阶段、恒压阶段、小电流阶段。控制保护电路在充电过程中全程检测蓄电池的电压、电阻和温度，对蓄电池进行充电控制、充满后切断充电电源和充电保护。对手机充电的过程与蓄电池的充电过程大致相同，只是对手机锂离子的充电方法不同[1]。
2.各部分原件简介
2-1太阳能电池部分
太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转化为电能的半导体器件。它的工作原理，就是半导体p-n结的光生伏打效应（即光生伏特效应）。所谓光生伏打效应，简单的说，就是当半导体受到光照时产生电动势的现象[9]。
各种太阳能电池技术比较：
太阳能电池种类 最高转换效率% 优点 缺点 单晶硅 24.7±0.5 转换率高、技术成熟、寿命长 成本高 多晶硅 20.3±0.5 长寿命、技术成熟、转换率较高 成本较单晶硅低但也很高 非单晶硅薄膜 14.5（初始）±0.7
12.8（稳定）±0.7 重量轻、工艺简单、转换率较高、成本低廉 稳定性差、有光电效率衰退效应 多晶硅薄膜 16.6±0.4 成本低廉、效率较高、稳定性好 生产工艺需要优化 表各种太阳能电池技术比较[2]
2-2.蓄电池部分
在蓄电池问世以来的一百余年时间里，由于蓄电池可以方便的存储与提供电能，且具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用。
下面介绍铅酸蓄电池，
图2-1铅酸蓄电池充电原理图
铅酸蓄电池基本结构为，正极板（过氧化铅.PbO2）,负极板（海绵状铅.Pb）,电解质（稀硫酸）。
放电过程：当电池接外部电路放电时，稀硫酸与阴、阳极上的活性物质发生化学反应，生成新的化合物硫酸铅。发电越久，硫酸浓度就会越稀。消耗的硫酸与发电量是成比例的，所以只要测的电解质中硫酸的浓度，就可以知道发电量或剩余电量。
充电过程：充电电流与放电电流相反，即电池正极与电源正极相1
连，电池负极与电源负极相连。除此之外，充电电源电压必须高于电池的总电动势。电池内部反映与放电时相反[3]。
2-3.锂电池部分
典型锂电池充电曲线如下：
图2-2 典型锂电池充电曲线
当锂电池插入充电器后，充电器就会检测电池电压。如果电池电压低于设定的门限Vmin，充电器就会以C/10―C/15量级的速率对锂电池进行涓充。直到电池电压上升到Vmin，充电器便以恒定电流给电池充电，这时电池电压逐渐升高，当电池电压达到恒压门限V,电池的实际充电量接近总容量的40%-70%。为了能充满电池，充电器输出变换为和V相等的恒定电压。在此充电阶段，充电电流随着时间逐渐减小，恒定电压一直持续到充电电流降至C/10-C/15，充电结束。如果开始时电池电压大于充电器设定的门限Vmin，则跳过涓充阶段直接进入快充阶段[4]。
/DC变换器
DC/DC变换器，又称直流斩波器。特点是：利用晶闸管或其他半导体器件为无触点开关，接于电源与负载之间，控制晶体管的通断来改变加到负载电路上的直流电压平均值。从而得到可调的负载电压。变换器的输入通常是由工频电压整流而获得的不稳定直流电压（也可以是蓄电池、太阳能电池等）。即采用DC/DC变换器可以使不稳定的直流输入电压变为所要求的或稳定的直流输出电压[5][6]。
图2-3 DC/DC变换器系统框图
2-5.控制保护电路
使用智能控制的充电器模块框图一般如下：
图2-4 控制保护模块[7]
本课题采用单片机控制和闭环控制系统。单片机也称单片微型电脑或单片微型计算机，就是把微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点 [8][9]。
三．总结
本文阐述了太阳能手机充电站的总体设计和各个部件的功能，随着现代工业的发展，全球能源危机和环境污染问题的日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到越来越多的国家重视。特别是从20世纪末，在一些国家实施“太阳能屋顶计划”的推动下，1997年以后全球太阳能电池产量每年以30%以上的速度上升，自2004年以来，产品始终处于供不应求的状态。欧洲光伏工业协会预测2020年可达到40GW。光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是个环境保护的和能源代替的问题。将安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无需机械传动部件的太阳能电池更多的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有着非常重要的意义。
四．参考文献
[1] 李时东.简易太阳能手机充电器的设计[J].中国科技信息,2007,4:73-74.
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开题报告
太阳能手机充电研究与开发----充电器部分设计
1选题的背景、意义
当今，随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出，太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，积极的开发太阳能资源。目前，太阳能电池的应用已经从军事领域、
航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。尤其在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村中使用可以节省造价相对昂贵的输电线路。对太阳能的利用主要有两个方面：光热转换和光电转换。本设计是利用太阳能光电转换的特性，即利用太阳能电池板的光生伏打效应设计一款太阳能多功能充电站。这对改善生态环境、缓解温室气体的温室效应具有重大意义。
自1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。如果手机无法使用，将对我们的工作、生活造成巨大影响，甚至损失。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。因此，在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、旅游景点等产所，为现有市场上出售的各种类型的手机配备的电池充电。就成为迫切的问题了。它可以方便旅客的工作生活，同时也提高这些服务产所的服务质量，提升自身的竞争力。这种太阳能手机充电站，利用单片机控制，将太阳能通过电路变换为稳定的直流电给手机，并能在电池充完电后自动停止充电还可以作为一般直流电使用，从而解决了上述在外手机没电的问题。与普通的太阳能充电器相比，太阳能手机充电站有着明显的优势。
图1 智能控制充电器模块[7]
本课题充分利用PIC单片机控制，对手机电池进行智能充电，最
大限度地保护了电池的寿命。是一款真正意义上的微电脑控制充电器。同时，由于大量的工作由单片机软件来实现，简化了外围电路，从而大大降低了成本．另外，作为一种功能强大的平台，该手机电池充电器具有很好的功能扩展性，为后续技术升级，以进一步满足市场的需要，提供了条件。从而很好地填补智能手机电池充电器这一市场领域的空白．由于锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采用开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。在充电过程中使用LED灯、数码指示，系统中设计有完善的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电站采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、数码相机等多种数码产品充电。本设计涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图、等多方面知识。在做这个设计的过程中，我将回顾学习到很多知识，并提高我的人编程能力和实际操作能力，对我以后的学习工作将有很大的帮助。
2相关研究的最新成果及动态
1.手机充电工作流程
目前手机充电器的工作流程一般为：
1 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电；
2 电池充到一定电压 一般设置为2．9V 时，进行全电流充电；
3 当电池电压达到预置电压 锂离子电池一般为4．2V 时，开始恒压充电，同时充电电流降低；
4 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束。
以美国TI公司的BQ2057为例，其充电流程如下：
图2 BQ2057充电流程[7]
除了上面的流程描述，它还具有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。而且，
充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、
最小电流终止充电、低功耗休眠等特性。
一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的十分之一。目前在锂离子电池充电器的设计中，对手机充电结束后
于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会
重新启动充电过程 见上图 。
2.智能充电器的特点
充电器如果要实现“万能”，必须具备以下特点：
1 由于手机充电器是直接使用220V的，它必须包含手机直充 具备AC／DC
转换、并输出稳定的电压和足够的电流 或手机座充的充电管理电路 充电电流、
电压控制与管理及保护 的功能。
2 锂离子电池充电电流必须根据电池容量大小而定。电流过小导
致充电时间
大幅度延长，电流过大会导致电池内压增加、发热、结构受损，直至危害电池寿
命。
3 锂离子电池是非常非常娇气的，准确和稳定的门槛电压控制对电池寿命有
很大影响。如果没有足够槠度的电压参考源电路，设计功率余量不足，充电器就
容易发热，导致门槛电压产生温飘，影响充电控制精度。
4 万能充电器在达到3．9V一4．34V 标准应该是4．2V 转恒压充电数小时后，
充电电流并未完全关死而存在较大漏电流。而锂离子电池对充电电流的吸收是
100％的，即便是很小的电流依然也存在过充电问题。
5 所有原装充电器，除了充电的正负两极，还有与电池内部保护电路进行连
接的线路，以获取电池容量、温度补偿参数、告警保护等信息。而由于厂家品牌
不同，电池／手机保护电路的电路方式有很大差别。所以，现阶段真正达到兼容
几乎是不可能的。
3.目前手机充电器分类及充电特点
目前手机充电器主要有旅行充电器，座式充电器和车载充电器。充电方式，目前主要有2种：大电流的快速充电法和电压比较法，不同充电方式导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90％就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。这时充电器上充满的指示灯会亮起，如果用户此时急于取下电池，无疑电池只充了90％，而且由于电压比较法存在离散性，所以所谓充电到90%也只是一个理论值，很难精确掌握，此时，对于镍镉／镍氢电池则造成电池的记忆效应，使电池的存量减小，损害电池的寿命．而如果用户电池充电时间长一些，则易造成过充．家生产的原装旅行充电器和座式充电器，设计上都采用越来越精密的保护电路或开关电路设计，对电池的充电起到了良好的保护作用。车载充电器可以方便用户在汽车上为手机充电，一端插入点烟器，另一端连接手机，但不宣在汽车中长期充电，因为汽车中温度较高。但这些充电器存在共同的缺点一通用性差，一个厂家出产的充电器只能适用于本厂家的手机电池。
3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标
3.1 研究内容
课题研究的内容主要为选用适合的外围器件、单片机等设备。利用单片机控制实现对手机电池充电的智能控制。其中充电器各个模块
设计如图一所示
3.2 研究方法
从研究传统的手机充电器充电过程开始，分析充电过程中有哪些不足及优势，与指导老师讨论用单片机怎么解决这些问题。包括硬件部分和软件部分的设计。通过仿真模型实验来验证这些方法的可行性。
3.3 研究难点
充电器的保护电路。电池异常自动停止充电，恢复正常自动重新充电。
3.4 预期达到的目标
充电站具有可以连接大部分品牌手机底端电源的插座和兼容大部分手机电池的功能。自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；具有慢速充电、快速充电、放电及限流保护，电流短路与反充保护线路设计；LED充电状态显示。
4研究工作详细进度和安排
2011-03-15 确定设计方案
2011-04-1 完成充电电路设计
2011-04-15 完成保护电路设计
2011-05-01 完成仿真调试
5参考文献
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40
39
手机充电站研发与开发――充电器部分
蓄电池
手机电池
DC/DC变换
ADC0809
单片机
按键
显示电路
蓄电池和太阳能电池板
手机电池
DC/DC变换
ADC0809
AT89C51
按键
显示电路
开始
初始化
电池充电
充电子程序
电源子程序
Yes
No
结束
入口
采集电压电流
恒流充电
恒压充电
返回
充电结束
电压 4V？
电流 0.1mA？
Y
N
Y
N
入口
采集电压电流
恒流充电
恒压充电
返回
充电结束
电压 4V？
电流 0.1mA？
Y
N
Y
N
2024年1月16日发(作者：市雨旋)
电气工程及其自动化专业【毕业设计+文献综述+开题报告】太阳能手机充电站研究与开发--充电器部分
（20_ _届）
本科毕业设计
太阳能手机充电站研究与开发--充电器部分
摘 要
随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出。太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。而在如今的信息时代，手机作为一种便捷的通信工具在世界范围内得到了广泛的普及。然而由于手机电池的储能有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便，甚至造成无法挽回的损失。因此在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、学校、旅游景点等场所设立太阳能手机充电站可以方便人们的工作生活，同时也提高这些服务场所的服务质量，提升自身的竞争力。
太阳能手机充电站利用单片机控制，将太阳能通过光电转换电路变为稳定的直流电储存到蓄电池中，再给手机充电。并能在电池充电完成后自动停止充电。上述功能的实现需光电转换电路、稳压电路、控制电路和保护电路。
关键词：太阳能、手机充电站、单片机
Research and development of solar cell phone charging
station―Charger Part
Abstract
With the increasing depletion of fossil energy,
environmental issues have become increasingly prominent. Solar
energy is a kind of green, inexhaustible nor the geographical
features have been increasing attention. In information age,
Phone as a convenient communication tool has been widely
popular in the world. However, due to the limited storage of
mobile phone battery People often encounter when they go out
phone battery died, can not find the charger or can not charge
around the place and so on. Makes the phone not work properly,
and even make irreparable damage. Therefore, on the bus
terminal, commercial streets, hotels, schools, tourist
attractions and other places have large floating people set up
solar cell phone charging station can facilitate people's work
life, It can be convenient tourists’s life, and also improve
the quality of service of these establishments, enhance their
competitiveness.
Solar cell phone charging station photoelectric conversion
circuit using the solar energy into electricity stored in
batteries, and then power through the control circuit to charge
to a different phone. And can automatically stop after charging
the battery includes a photoelectric conversion
circuit, the voltage regulator circuit, charging circuit and
protection circuit.
Keywords: Solar Energy, Mobile phone charging station,
Microcontroller
目录
摘 要 III
Abstract IV
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及研究意义 1
1.2 市场产品技术现状及发展趋势 1
1.2.1 市场产品技术概况 1
1.2.2 市场产品的发展趋势 2
1.3 课题研究的主要内容 3
第二章 太阳能手机充电站的构成 5
2.1 太阳能电池概况 5
2.2 蓄电池概况 6
2.3 手机锂电池概况 8
2.3.1 手机锂离子电池的基本性能指标 8
2.3.2 手机锂离子电池的基本特性 9
2.3.3 手机锂离子电池的组成部分及外界端口 9
2.4手机锂离子电池的充电过程 10
第三章 太阳能手机充电站硬件设计 11
3.1 系统总体设计方案 11
3.1.1 普通万能手机充电器 11
3.1.2 手机充电站设计思路 12
3.1.3 设计原理图及电路图 12
3.2 稳压电路 15
3.3 单片机控制电路 16
3.4 按键指示电路 16
3.5 数码管显示电路 17
3.6 BUCK斩波电路 18
3.7 电压电流的A/D采样 19
3.8 471介绍及工作原理 22
第四章 程序流程图 24
3.1 整体程序流程图 24
4.2 充电子程序流程图
4.3 电源子程序流程图
结论 27
参考文献 28
致谢 29
25
26
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及研究意义
当今，随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出，太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，积极的开发太阳能资源。目前，太阳能电池的应用已经从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。尤其在边远地区、。1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。如果手机无法使用，将对我们的工作、生活造成巨大影响，甚至损失。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。因此，在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、旅游景点等产所，为现有市场上出售的各种类型的手机配备的电池充电。就成为迫切的问题了。它可以方便旅客的工作生活，同时也提高这些服务产所的服务质量，提升自身的竞争力。太阳能手机充电站，利用单片机控制，将太阳能通过电路变换为稳定的直流电给手机，并能在电池充完电后自动停止充电还可以作为一般直流电使用，从而解决了上述在外手机没电的问题。
1.2 市场产品技术现状及发展趋势
1.2.1 市场产品技术概况
目前，市场上手机充电器主要有便旅行充电器，座式充电器、车载充电器。充电的方式主要是两种，一种是大电流快速充电法，另一种是电压比较法。大电流快速充电法在电池充满电后不及时停止会使电池发烫，因此过度的过充对电池的寿命有严重的损害。电压比较法没有前者的担忧，它的工作原理是当充电达到90%就停止大电流充电，采用小电流涓流进行充电。但是这时充电器上的充满指示灯会亮起，就会造成已经充满的假象而使得用户取下电池。如果是镍镉/镍氢电池就会产生记忆效应使得电池容量减小。目前，手机充电器有三类主流方案，即集成PWM控制器方案、RCC方案和分立PWM控制器方案。PWM控制器方案变压器输入侧器件数量少，线路简单；输出侧则是由运放和电压基准组成的恒压恒流控制。由于功率器件和PWM器件集成在一个封装内，故散热难、整体成本高。RCC）充电方案无专门的控制器来实现脉冲调制，变压器和电容电阻等元件决定了控制方式的可靠性。变压器次边线路与集成PWM控制器方案相同看上去最简单，但其实电性能不可靠，宽电压范围工作困难，失效率高，批量生产时的良率低。为了可靠起振，功率器件也必须选择价格较高的MOSFET。分立PWM控制器方案被广泛应用于充电器中。传统的做法是分立的PWM控制器配MOSFET，特点是元件选择灵活、线路多种多样，性能良好，因而被很多人采用。AC输入或多国电压可选；具备限流保护，电流短路与反充保护线路设计；体积小、重量轻；自动、快速充电，充满后自动关断等等。另外，有的充电器还有自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；具有放电功能；LED充电状态显示；低噪声；模拟微电
脑控制系统等特点。
1.2.2 市场产品的发展趋势
（1）目前，手机充电器可分为单槽形状和双槽型充电器，单槽形充电器正在。双槽形充电器除了具有慢速充电、快速充电、放电及镍镉、镍氢电池兼充的标准功能外，还有部分产品带有自动温度控制与电压控制，严防过充的新功能，因而消费者应将倾向于选择双槽型充电器。（2）随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。例如，诺基亚是以“圆形”接口为主，而索爱则是以“条片式”的接口为主，除了充电接口的形状不一样之外，手机额定的电流、电压标准也不尽相同形成了自己独有的充电接口规范标准标准型充电器，是指可以连接所有手机底端电源插座（端口）的充电器。而且，生产的手机的电源端口将统一为适用于标准充电器的规格。这样，消费者将不必在每次换手机时同时购买新的充电器由此可见，充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同时，也开始向标准化、通用化的方向发展。3）随着节能环保的潮流，对手机充电器的节能、可靠性提出了要求。手机充电器的待机耗电量的降低逐步成为充电器的设计过程中的一个重要环节。相比于以前的充电器，今后生产的产品将会在各项功能完善的同时进一步降低本身的待机耗电量。为了达到这一目标，可以设计一个判断AC适配器是否连接负荷（手机）的IC，当未连接负荷时，将AC适配器的直流输出方（2级电路）切换到高阻抗电路上。通过采取这一措施可以大幅减少待机时2级电路的消耗电流
（可以达到数十μA）。另外，还可以在输入交流100V方（1级电路）中设置切换电路。在未连接负荷时，通过开关切换电路来减少供应给直流输出方（2级电路）的功率从而减少耗电量。
4）现在市场上的大部分充电器，只是针对锂电池或镍氢电池充电的，但是随着市场的发展，自动识别两种电池而进行相应的充电进程的充电器正在逐步占据主流。可以自动分辨锂电池或镍氢电池的座充能“防止将锂电放电的错误作”，如果在充锂电池时不小心按到了座充上的“放电钮”，好的座充可以辨识出来是锂电池，因此不会做放电动作；差的座充则不管三七二十一地进行放电，这就会造成锂电池寿命的折损。1.3 课题研究的主要内容
太阳能手机充电站设计内容包括两大部分：
（1）太阳能电池板到蓄电池部分
图1.1 太阳能电池板到蓄电池部分框图
该部分的主要任务是将太阳能转化为电能储存到蓄电池中，下面介绍一下系统的工作原理。
系统的核心部分是单片机和PWM电路。单片机的任务是通过采样电路实时采集太阳能电池板输出电压电流和蓄电池的输入电压电流。并采用一定的算法寻
找出太阳能电池板的最大功率点和控制蓄电池的充电状态。
（2）手机充电器部分
图1.2 手机充电器部分
手机充电器的一般工作流程为：
1 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电；
2 电池充到一定电压 一般设置为2.9V 时，进行全电流充电；
3 当电池电压达到预置电压 锂离子电池一般为4.2V 时，开始恒压充电，同时充电电流降低；
4 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束
除了上述流程外，该设计的研究内容还包括可选的电池温度监测，即利用电池传感器连续检测电池温度。充电状态识别，通过输出LED指示灯和主控器实现。此外还有重新充电、最小电流终止充电、低功耗休眠等。
第二章 太阳能手机充电站的构成
2.1 太阳能电池概况
1954年Bell实验室研发出了第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。自此开启了太阳能电池的新纪元。
（1）太阳能电池简单分类
根据所用材料的不同，太阳能电池可以分为：
1）硅系太阳能电池；
2）以无机盐如砷化镓III―V化合物、硫化镉等多元化合物为材料的电池；
3）纳米晶太阳能电池等；
4）有机半导体太阳能电池。
（2）各类太阳能电池特点
1）硅系太阳能电池
随着集成电路的发展，借助于电子级单晶硅材料制备工艺技术的成熟，硅类
太阳能发展快速，且一直是市场的主角。
各种硅系太阳能电池特点：
表2.1 各种硅系太阳能电池特点
太阳能电池种类 最高转换效率% 优点 缺点 单晶硅 24.7±0.5 转换率高、技术成熟、寿命长 成本高 多晶硅 20.3±0.5 长寿命、技术成熟、转换率较高 成本较单晶硅低但也很高 非单晶硅薄膜 14.5（初始）±0.7
12.8（稳定）±0.7 重量轻、工艺简单、转换率较高、成本低廉 稳定性差、有光电效率衰退效应 多晶硅薄膜 16.6±0.4 成本低廉、效率较高、稳定性好 生产工艺需要优化 2）砷化镓III―V化合物、硫化镉等太阳能电池
此类太阳能电池的效率较高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生
产，但由于镉有剧毒，容易产生环境污染问题。因此，并不是理想的太阳能电池。
3）纳米晶太阳能电池
纳米TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/1020年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
4）有机半导体太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。目前太阳能电池产量中，95%以上都是硅基的，而剩下不到5%也是由其他无机材料制成的。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模生产和提供廉价电能具有重要意义。但是以有机材料制造太阳能电池的研究仅仅刚开始，无论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
在此设计中由于硅太阳能电池构造简单，成本低，故选择硅太阳能电池。
2.2 蓄电池概况
在蓄电池问世以来的一百余年时间里，由于蓄电池可以方便的存储与提供电能，且具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用。
下面介绍铅酸蓄电池，
图2-1铅酸蓄电池充电原理图
铅酸蓄电池基本结构为，正极板（过氧化铅.PbO2）,负极板（海绵状铅.Pb）,电解质（稀硫酸）。
放电过程：当电池接外部电路放电时，稀硫酸与阴、阳极上的活性物质发生化学反应，生成新的化合物硫酸铅。发电越久，硫酸浓度就会越稀。消耗的硫酸与发电量是成比例的，所以只要测的电解质中
硫酸的浓度，就可以知道发电量或剩余电量。
充电过程：充电电流与放电电流相反，即电池正极与电源正极相连，电池负极与电源负极相连。除此之外，充电电源电压必须高于电池的总电动势。电池内部反映与放电时相反。
充电方法的研究：
研究发现，充电电池的充电过程对电池的寿命影响最大。而放电过程的影响少之又少。因此一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有很重要的意义。上世纪60年代中期，美国科学家对开口蓄电池的充电过程进行了大量的研究提出了以最低出气率为前提的充电曲线。理论上按照这条曲线充电就可以大大的缩减充电时间。
图2.2 最佳充电曲线
下面介绍几种常用充电方法：
（1）恒流充电法
恒流充电法是调整充电输出电压或改变与蓄电池串联电阻保持充电电流的充电方法。控制方法简单，但的可接受电流是随着充电的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，2）阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法
1二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
2三阶段充电法3）恒压充电法
电压保持恒定用恒快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流逐渐减少，其充电过程更接近于最佳。只需简控制系统。很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。汽车运行过程中蓄电池就是以恒压充电法充电的。2.3 手机锂电池概况
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。但是目前手机所配置的电池基本上都是锂离子电池。离我们印象最近的应该是3210，配的是镍氢电池，现在在我们周围好像找不出用镍氢的手机了。
2.3.1 手机锂离子电池的基本性能指标
（1）电池的开路电压
（2）电池的内阻
（3）电池的工作电压
（4）电池电压
充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。
（5）电池容量
电池容量是指从电池获得电量的量，常用C表示，单位常用Ah或mAh表示。容量是电池电性能的重要指标。电池容量由电极的容量决定，若电极的容量不等，电池容量取决于容量小的那个电极。
（6）电池的贮存性能和寿命
2.3.2 手机锂离子电池的基本特性
（1）高能量密度
锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40-50%，镍氢的20-30%。
（2）高电压
一个锂离子电池单体的工作电压为3.6V 平均值 ，相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
（3）无污染
锂离子电池不含有镉、铅、汞之类的有害金属物质。
（4）循环寿命高
正常使用条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。
（5）无记忆效应
记忆效应是指镍镉电池的充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。
锂离子电池不存在这种效应。
（6）快速充电
使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个
小时得到满充。
（7）热敏电阻NTC：负热敏电阻，感应电池内部温度，起到高温、低温保护作用。
（8）识别电阻ID：识别原装电池，非原装电池不能使用。
2.3.3 手机锂离子电池的组成部分及外界端口
（1）一般手机锂离子电池的组成部分
1）锂离子电芯：提供可充放电源。
2）PCB板：防止电池过充、过放、短路。
3）过流保护器PTC：正热敏电阻，起到高温保护作用，同时又是保护电路板失效后的二重保护。
（2）手机锂离子电池的外接端口
手机电池的四个外接端口中，除了正负极外，有一个作为充电时检测电池温度用，另一个作为检测电池类别用（如区分镍－镉、镍－氢、锂离子等），由于镍－镉、镍－氢作为手机电池已基本淘汰，充电器无需再检测判别电池类型，因此，目前市面上的手机电池一般只有前三个端口。2.4手机锂离子电池的充电过程
典型锂电池充电曲线如下：
图2.3 典型锂电池充电曲线
当锂电池插入充电器后，充电器就会检测电池电压。如果电池电压低于设定的门限Vmin，充电器就会以C/10―C/15量级的速率对锂电池进行涓充。直到电池电压上升到Vmin，充电器便以恒定电流给电池充电，这时电池电压逐渐升高，当电池电压达到恒压门限V,电池的实际充电量接近总容量的40%-70%。为了能充满电池，充电器输出变换为和V相等的恒定电压。在此充电阶段，充电电流随着时间逐渐减小，恒定电压一直持续到充电电流降至C/10-C/15，充电结束。如果开始时电池电压大于充电器设定的门限Vmin，则跳过涓充阶段
直接进入快充阶段。手机锂电池标称电压为3.7V（3.6V）。充电截止电压4.2V（4.1V）1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA
第三章 太阳能手机充电站硬件设计
3.1 系统总体设计方案
3.1.1 普通万能手机充电器
目前，手机电池最常见的类型有锂离子电池、锂聚合物超薄电池、NI-MH镍氢离子电池。不同类型电池的电池门限 标志充满／ 不同，其中锂离子电池有3.7V/4.3V和3.6V/4.2V之分。而市面上的“万能手机充电器”据称能较好地兼容锂离子电池。普遍业内人士对“万能手机充电器”表示质疑：采用标准的恒流转恒压充电方式，不同容量的电池的额定充电电流不同，最大不超过lC C是电池容量 ，难道500mhh和1300mhh的电池能用同样的电流充电? 它是采用了什么新技术能自动根据不同的电池提供适合的电流和适合的门限电压，从而达到万能的功效呢？仔细研究万能手机充电器我们发现它只有两根输出线，而我们知道设计完善的充电器至少有三线输出。电池中间的两根一般是数据反馈线和温度及告警线，大部分锂离子电池内部都有保护电路甚至是智能管理芯片。“只有两根输出线”意味着该充电器放弃了电池本身具备的保护电路。也只有这样做才能实现“廉价的万能”。 正常截止电压是4.2V 。它们把门限正态分布值设置为4V左右．这样做使充电本身安全了，但电池却永远充不满。等于电池容量减少了，导致充电次数的增加，也导致了电池寿命的缩短。
质疑三
由于锂离子电池对充电电流敏感，过大充电电流很容易导致电池发热发胀、活性物质脱落等问题。“万能手机充电器”不能对不同容量电池提供不同的和适合的电流。那么安全性如何保障？锂离子电池对充电的电流尤其是充电的几个门槛电压要求很高，而目目前几乎所有“蛋充”都未使用精密电压源 比如TL431或类似的功能单元 ，而只是使用精度和温度稳定性都非常差的廉价Zener管做参考电压源，导致门限电压离散性很大，飘移严重。为了避免意外，不少厂家有意把门限电压调小以保障即便出现比较大的正误差也不至出现问题，导致电池长期充不饱。缺乏对电池容量的智能检测是所谓“万能手机充电器”的最致命缺陷。
3.1.2 手机充电站设计思路
（1）要达到“万能”，手机充电站必须以下特点：
1）它必须包含手机直充 具备AC/DC转换、并输出稳定的电压和足够的电流 或手机座充的充电管理电路 充电电流、电压控制与管理及保护 的功能。
2）锂离子电池充电电流必须根据电池容量大小而定。电流过小导致充电时间大幅度延长，电流过大会导致电池内压增加、发热、结构受损，直至危害电池寿命。
3）锂离子电池是非常非常娇气的，准确和稳定的门槛电压控制对电池寿命有很大影响．如果没有足够精度的电压参考源电路，设计功率余量不足，充电器就容易发热，导致门槛电压产生温飘，影响充电控制精度。
4）万能充电器在达到3.9V-4.34V 标准应该是4.2V 转恒压充电数小时后，充电电流并未完全关死而存在较大漏电流。而锂离子电池对充电电流的吸收是100%的，即便是很小的电流依然也存在过充电问题。
5）所有原装充电器，除了充电的正负两极，还有与电池内部保护电路进行连接的线路，以获取电池容量、温度补偿参数、告警保护等信息。而由于厂家品牌不同，电池/手机保护电路的电路方式有很大差别。所以，现阶段真正达到兼容几乎是不可能的。
（2）问题的解决方法：
选用合适的外围器件、单片机等设备。利用单片机控制，实现对目前市场上出售的手机电池的万能充电。其主要设计目的包括：
1）利用单片机，通过外围电路，监测电池的充电状态，实现对电池充电的智能控制，以最大限度地保护电池寿命。
2）使现充电器具备强大的功能扩展性，以便为该充电器的后续功能升级提供平台。
3）使该充电器的综合成本尽可能低
3.1.3 设计原理图及电路图
根据设计要求，设计硬件系统的原理图如下图所示：
图3.1 充电站硬件系统原理图
太阳能电池、蓄电池在使用时输出电压不稳定，这就需要用充电控制电路将不稳定的直流电转换为稳压直流电。当白天光线强时从太阳能电池板供电给电路及手机锂电池，当黑夜或白天光线不强时从蓄
电池供电给电路及手机锂电池。由于充电器多采用大电流的快速充电法，在电池充满后如果不及时停止会使电池发烫，过充会严重损害电池的寿命。这就需要一个复杂的控制系统，51系列单片机是当前使用最广泛的8位单片机系列，本系统采用89C51做为充电电路的控制器，由单片机实现PWM波控制开关管从而实现电压电流的改变，通过显示电路显示输出状态及大小，由ADC0809实现数据的采集及转换并传给单片机做判断处理，从而实现电路智能输出与控制。
根据硬件系统原理图，确定其硬件系统的主电路图如图3.2：
图3.2 主电路原理图
3.2 稳压电路
稳压电路功能：
为本课题各部器件提供符合要求的电源。根据本课题设计思路，电源部分需为控制部分提供直流电，其直流特性要求不高，可为简单的脉动直流电；需为单片机控制器提供4-5.5V的直流电压，最大250
mA的直流电流；另外，需为准备后续加装的LCD显示器提供直流电。
这里主要介绍下单片机电源：
7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,他的输出电压恰好为5V，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差别,用的最多的还是LM7805,他的3个引脚1-输入正电压，23-输出端。
图3.3 LM7805引脚图及典型应用电路
单片机电源电路的设计以三端集成稳压器LM7805为核心，它属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。图2是三端稳压集成电路LM7805的典型应用电路，三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态时，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。电路中Ci的作用是消除输入连线较长时其电感效应引起的自激振荡，减小纹波电压，取值范围在0.1μF~1μF之间，本文Ci选用0.33μF；在输出端接电容Co是用于消除电路高频噪声，改善负载的瞬态响应，一般取0.1μF左右，本文Co即选用0.1μF。Co从稳压器输出端向稳压器放电，造成稳压器的损坏，在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，对LM7805起保护作用。
LM7805输入电压为8V到36V，最大工作电流1.5A，具有输入电压范围宽，工作电流大，输出精度高且工作及其稳定，外围电路简单等特点，太阳能电池电压即使有较大的波动，也能稳定的输出5V电压，从而是单片机等控制电路正常工作，且成本低。
3.3 单片机控制电路
本系统单片机主要完成的任务是控制数据的采集过程，并将采集到的数据经过分析处理后生成PWM脉宽调制信号控制开关管的导通与关断，从而控制输出大小。具体工作过程是上电复位，首先查询键盘，确定充电器功能，确定后继续查询键盘以确定输出电流大小，或作为普通电源的输出电压，然后转入相应子程序并分析计算PWM占空
比，开始输出电流或电压，并将数据送至显示电路显示。在输出过程中通过单片机定时器定时检测输出电流或电压，与设定值比较后调节PWM占空比，使输出趋于设定值。在电池充电过程中，通过检测电流大小而确定电池充电多少，从而改变充电方式或决定是否停止充电。
通过单片机编程实现了充电过程的智能控制，而且大大简化了硬件电路设计，由于单片机良好的可重用性，如果需要改变电路工作状态或电路参数，只需简单的修改程序即可实现，从而使电路的升级改造变得简单易行。
3.4 按键指示电路
在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O口上，独立按键则通过判断按键端口的电位即可识别按键操作；而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识别。
通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms3.4为本设计的按键接线图。
图3.4 按键接线图
对电路总体考虑后，将ADC0809采集电路接在了单片机的P0口，并用P2口做采集控制，这样P0口仅用接收数据，不用发送数据，有
P0口的硬件构成知道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬件开支，而P3口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在P1口，其中P1.0是数字减键，P1.1为数字加键，P1.2键位确定键，P1.3为过电流保护指示灯，P1.4、P1.5为输出功能选择键，按下P1.4代表给手机电池充电，按下P1.5则做普通直流电源使用，其中5V输出可直接用USB连接线给手机充电，电池充电控制则有手机提供。
3.5 数码管显示电路
AT89C51单片机内有四个与外部交换信息的8位并行接口，其中还有一个可编程的全双工串行I/O端口，利用P3.0（RXD）P3.1（TXD）P3.1（TXD）P3.0（RXD）0是8位移位寄存器输入/输出方式，多用与外接移位寄存器以扩展I/O端口。串口的工作方式可以参看相关的书籍，此处不做详细介绍。
设计中采用基于串口的LED数码管静态显示电路，在串口扩展中最常用的就是基于串口的LED数码管显示电路。在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的I/O口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，
数码管直接接在74LS164的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。
图3.5数码管驱动电路
单片机AT89C51的串口外接1片74LS164作为LED显示器的静态显示接口，把AT89C51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。Q0-Q7 第3―6和10―13引脚 并行输出端分别接LED显示器的DP---A各段对应的引脚上。本设计设计采用的是共阳极数码管，因而各数码管的公共极接电源VCC，本电路有LM7805提供，并采用三只串联的二极管降压，而非电阻降压，这样保证个数码段的亮度一致。要显示某字段则相应的移位寄存器74LS164的输出线必须是低电平。当有按键按下时，有单片机处理编码后送到数码管上显示。
3.6 BUCK斩波电路
DC/DC变换器也称为直流斩波电路，一般是指直接将直流电变为另一种固定电压或可调电压的直流电的电力变换电路。它广泛应用于便携装置中。直流斩波电路的种类很多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、降压-升压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如半桥两象限斩波电路、全桥四象限斩波电路等。
DC/DC变换主要有两种脉冲调制方法，脉冲宽度调制（PWM）方法和脉冲频率调制（PFM）方法。所谓的脉冲宽度调制方法，是一种
在整个工作过程中开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓的脉冲频率调制方法是一种在整个工作过程中开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。因此，在开关变换电路中，开关元件被周期性地接通和关断。控制开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例，从而达到控制输出电压。开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例称为开关接通的占空比。定义为D ton/Ts。
在本电路中输入始终大于输出，所以采用脉宽调制方式的BUCK变换器，BUCK变换器又称降压变换器、串联开关稳压电源、三端开关型降压稳压器。其电路如图3.6所示，PWM脉宽调制信号有单片机提供，控制开关管的通断。
图3.6 BUCK变换器电路
3.7 电压电流的A/D采样
A/D转换器是把模拟信号转化为数字信号的装置。ADC0809是一款分辨率为8位A/D转换器、8路多路开关允许8路模拟量分时输入。它的转换时间为100μs左右。它是逐次逼近式A/D转换器，可以与单片机直接接口。
图3.7 ADC0809内部结构及管脚图
（1）ADC08098路的模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成了ADC0809。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与电路对三个地址位锁存和译码，其译码用于通道的选择。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，
才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
（2）28引脚的双列直插式封装，如图3.7。
D0-D7：8IN0－IN7START：A/DSTART上升沿时，复位；下降沿时启动芯片并开始进行A/D转换，在工作时应保持低电平。
ALE：地址锁存允许信号。上跳沿有效，A、B、CA、B、COE：输出允许控制器，用以打开三态数据输出锁存器。当OE＝1OE＝0Vcc：+5V电源。
Vref：参考电压与输入模拟信号比较，作为逐次逼近的基准，典型值为+5V。
ALE为地址锁存允许输入端，高电平有效。当在ALE端输入高电平时，地址锁存与译码器将对A，B，C三条地址线上的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN73.1所示。
ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V3.1
CBA通道选择表
C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0
1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5
1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 （3）ADC0809
1）ADC0809 AT89S51 单片机直接相连。
2）ST 和OE 信号全为低电平。
3）送要转换的哪一通道的地址到A，BC 端口上。
4）在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。
5）是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。
6）当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
本设计中用单片机的P0口接收来自0809的换数据，P2.0、P2.1、P2.2依次接在0809的A、B、C地址线，P2.3接在0809的ALE端，P2.4接START，P2.5接OE端，时钟信号由单片机的ALE端经74HC74触发器二分频后提供，单片机采用12MHz晶振，ALE端经二分频后为500KHz。ADC0809具体工作过程为：首先P2.0、P2.1、P2.3输入3位地址，并使P2.3输出高电平，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请，而触发单片机动作准备接收数据，这是使P2.5输出高电平，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上，单片机读取P0口然后做下一步处理操作。
3.8 471471是美国IM公司生产的双向、精密电流检测放大器。可以广泛的使用于供电系统、便携式设备和监控系统。471内置的35毫欧精密传感电阻，可检测上下限为3A的电流。在其工作范围内，精度可以达到2%。471也可以可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。
图3.8 471典型应用电路
471所需的供电电压为Vbr/Vcc为3～36V130kHz，采用8脚封装，其典型应用电路如图3.8所示。
471各引脚功能说明如SHDN为关闭信号，正常操作时接地，当SHDN为高电平时，471进入关闭模式，此时消耗电流小于5μA。在这个状态的时候，SIGN为高阻状态，OUT截止。RS+为内传感电阻的电源端。GND为地端或电源负端。SIGN端可以指示输出电流的方向，SIGN为低电平表示电流由RS－RS+。而输出高电平时，电流从R+流向R-。RS－OUT为电流幅度输出端，该电流的大小正比于流过传感电阻的电流。
图3.9 471引脚图
在本设计中，用471构成直流电源检测与充电保护电路。电路与电源和电池连接，他能通过LED显示过流报警与充电保护。电阻R4采用20K/0.6W精密电阻，在输出最大500mA时Uo不超过5V，输出电压便于ADC0809采集并作数字化处理。
第四章 程序流程图
3.1 整体程序流程图
图4.1 整体程序流程图
4.2 充电子程序流程图
图4.2 充电子程序流程图
4.3 电源子程序流程图
图4.3 电源子程序流程图
结论
本设计是太阳能手机充电站的充电器部分设计，主要工作是硬件电路设计。通过方案论证与可行性分析，最终确定由89C51单片机完成主电路的控制与设计，并展开外围电路与控制硬件电路设计，硬件电路的设计只要是电路图的绘制及参数的确定。在硬件电路设计上遇到了一些问题，关于DC/DC转换的PWM脉宽调制信号的产生问题，经过反复分析论证，最后确定用单片机通过编程来实现，这样将大大降低硬件成本。
本设计有效地解决了对不同手机在户外因无电而无法使用的问题。充电站实现了对手机的智能检测、充电状态的只能监视与控制。有效的保护了手机电池的寿命，实现了便捷管理，达到了设计目的。
受时间和水平的限制，该系统还有很多不足之处，敬请多多批评指教。
参考文献
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文献综述
太阳能手机充电研究与开发----充电器部分设计
一、前言
1.概述
自1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。而目前市场上的太阳能充电器基本上是便携式，其质量良莠不齐。一个好的太阳能充电器要综合考虑它的使用效率、蓄电池和电路设计等方面。使用效率包括两个方面，太阳能板的转化效率和二次转化效率。蓄电池的质量和容量，便捷式太阳能手机充电器的蓄电池容量一般为手机电池的1.2倍。控制电路和保护
电路，目前市场上的太阳能手机充电器的保护电路和控制电路大部分都设计的很简单，且兼容性比较差。容易充坏手机或减短手机及电池的使用寿命。现在的太阳能手机充电器大多只能作为一个应急的电源使用，不能完全的依靠它给手机等数码产品充电。要实现完全给手机充电就需要太阳能电池板大于0.7W。正因为这些原因太阳能手机充电器还没有被很多消费者所使用。其中很多不足之处都是受便捷式的体积所制约。因此就产生了太阳能手机充电站。它能弥补太阳能手机充电器的不足之处，可是在使用的方便上比不上便捷式充电器。它可以安装在一些没有共用电网或不容易充电的地方且人流多地方，比如商业街、旅游景点等，它的外部设计可以有跟超市寄存物品一样的储存手机箱子，使用者可以在充电时暂时的离开去干自己的事。它还可以设计一个数码相机的充电器，在一些旅游景点可以为那些没电的数码相机充电。
2.课题的目的及意义
目前市场上的手机充电器大致可以分为座式充电器、旅行充电器和维护性充电器。但是只有很少一部分采用微电脑控制。本设计目的是用单片机来实现把太阳能电池接收到的能量充到手机锂离子电池的过程。现在人们在设计电路时，都趋向于用尽可能少的硬件来实现电路的功能。并逐渐的把以前用硬件实现的功能部分用软件代替。用软件设计的优点在于电路变得简单且易修改。使得基于微处理器设计的电路比传统设计的电路有更大的灵活性。随着单片机技术的迅速发展，以及它的功能强大和廉价。单片机在电子技术上的应用越
来越广泛。本设计涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图、绘制电路板等多方面知识。在做这个设计的过程中，我将回顾学习到很多知识，并提高我的编程能力和实际操作能力，对我以后的学习工作将有很大的帮助。
二、主体
1.太阳能手机充电站的工作原理
太阳能手机充电站的简易工作原理框图如下，
图1-1 太阳能手机充电站原理框图
它使用太阳能电池板接收太阳光的辐射能量，并把太阳能转化为电压不稳定、电流较小的电能。通过DC/DC变换器得到稳定的恒压恒流电，再通过控制保护电路对蓄电池进行充电，充电过程分为预充阶段、大电流阶段、恒压阶段、小电流阶段。控制保护电路在充电过程中全程检测蓄电池的电压、电阻和温度，对蓄电池进行充电控制、充满后切断充电电源和充电保护。对手机充电的过程与蓄电池的充电过程大致相同，只是对手机锂离子的充电方法不同[1]。
2.各部分原件简介
2-1太阳能电池部分
太阳能电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转化为电能的半导体器件。它的工作原理，就是半导体p-n结的光生伏打效应（即光生伏特效应）。所谓光生伏打效应，简单的说，就是当半导体受到光照时产生电动势的现象[9]。
各种太阳能电池技术比较：
太阳能电池种类 最高转换效率% 优点 缺点 单晶硅 24.7±0.5 转换率高、技术成熟、寿命长 成本高 多晶硅 20.3±0.5 长寿命、技术成熟、转换率较高 成本较单晶硅低但也很高 非单晶硅薄膜 14.5（初始）±0.7
12.8（稳定）±0.7 重量轻、工艺简单、转换率较高、成本低廉 稳定性差、有光电效率衰退效应 多晶硅薄膜 16.6±0.4 成本低廉、效率较高、稳定性好 生产工艺需要优化 表各种太阳能电池技术比较[2]
2-2.蓄电池部分
在蓄电池问世以来的一百余年时间里，由于蓄电池可以方便的存储与提供电能，且具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富且可再生、造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用。
下面介绍铅酸蓄电池，
图2-1铅酸蓄电池充电原理图
铅酸蓄电池基本结构为，正极板（过氧化铅.PbO2）,负极板（海绵状铅.Pb）,电解质（稀硫酸）。
放电过程：当电池接外部电路放电时，稀硫酸与阴、阳极上的活性物质发生化学反应，生成新的化合物硫酸铅。发电越久，硫酸浓度就会越稀。消耗的硫酸与发电量是成比例的，所以只要测的电解质中硫酸的浓度，就可以知道发电量或剩余电量。
充电过程：充电电流与放电电流相反，即电池正极与电源正极相1
连，电池负极与电源负极相连。除此之外，充电电源电压必须高于电池的总电动势。电池内部反映与放电时相反[3]。
2-3.锂电池部分
典型锂电池充电曲线如下：
图2-2 典型锂电池充电曲线
当锂电池插入充电器后，充电器就会检测电池电压。如果电池电压低于设定的门限Vmin，充电器就会以C/10―C/15量级的速率对锂电池进行涓充。直到电池电压上升到Vmin，充电器便以恒定电流给电池充电，这时电池电压逐渐升高，当电池电压达到恒压门限V,电池的实际充电量接近总容量的40%-70%。为了能充满电池，充电器输出变换为和V相等的恒定电压。在此充电阶段，充电电流随着时间逐渐减小，恒定电压一直持续到充电电流降至C/10-C/15，充电结束。如果开始时电池电压大于充电器设定的门限Vmin，则跳过涓充阶段直接进入快充阶段[4]。
/DC变换器
DC/DC变换器，又称直流斩波器。特点是：利用晶闸管或其他半导体器件为无触点开关，接于电源与负载之间，控制晶体管的通断来改变加到负载电路上的直流电压平均值。从而得到可调的负载电压。变换器的输入通常是由工频电压整流而获得的不稳定直流电压（也可以是蓄电池、太阳能电池等）。即采用DC/DC变换器可以使不稳定的直流输入电压变为所要求的或稳定的直流输出电压[5][6]。
图2-3 DC/DC变换器系统框图
2-5.控制保护电路
使用智能控制的充电器模块框图一般如下：
图2-4 控制保护模块[7]
本课题采用单片机控制和闭环控制系统。单片机也称单片微型电脑或单片微型计算机，就是把微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点 [8][9]。
三．总结
本文阐述了太阳能手机充电站的总体设计和各个部件的功能，随着现代工业的发展，全球能源危机和环境污染问题的日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到越来越多的国家重视。特别是从20世纪末，在一些国家实施“太阳能屋顶计划”的推动下，1997年以后全球太阳能电池产量每年以30%以上的速度上升，自2004年以来，产品始终处于供不应求的状态。欧洲光伏工业协会预测2020年可达到40GW。光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题，更是个环境保护的和能源代替的问题。将安全可靠、无污染、无需消耗燃料、无需机械传动部件的太阳能电池更多的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有着非常重要的意义。
四．参考文献
[1] 李时东.简易太阳能手机充电器的设计[J].中国科技信息,2007,4:73-74.
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开题报告
太阳能手机充电研究与开发----充电器部分设计
1选题的背景、意义
当今，随着化石能源的日益枯竭、环境问题的日益突出，太阳能作为一种具有绿色清洁、取之不竭用之不尽又无地域限制特点的新型能源越来越受人们的重视。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，积极的开发太阳能资源。目前，太阳能电池的应用已经从军事领域、
航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。尤其在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村中使用可以节省造价相对昂贵的输电线路。对太阳能的利用主要有两个方面：光热转换和光电转换。本设计是利用太阳能光电转换的特性，即利用太阳能电池板的光生伏打效应设计一款太阳能多功能充电站。这对改善生态环境、缓解温室气体的温室效应具有重大意义。
自1973年马丁库伯发明了手机，经过短短三十多年的发展它已经成为了人们日常生活中必不可少的通信工具。据调查，我国目前的手机用户已经超过了三亿。尤其在当代大学校园里，几乎每个人都有手机。如果手机无法使用，将对我们的工作、生活造成巨大影响，甚至损失。然而由于手机电池储电量有限，人们在外出时经常遇到手机没电，充电器又不在身边或找不到可以充电的地方等情况。使得手机无法正常使用，带来许多不便。因此，在流动人口大的客运站、商业街、旅馆、旅游景点等产所，为现有市场上出售的各种类型的手机配备的电池充电。就成为迫切的问题了。它可以方便旅客的工作生活，同时也提高这些服务产所的服务质量，提升自身的竞争力。这种太阳能手机充电站，利用单片机控制，将太阳能通过电路变换为稳定的直流电给手机，并能在电池充完电后自动停止充电还可以作为一般直流电使用，从而解决了上述在外手机没电的问题。与普通的太阳能充电器相比，太阳能手机充电站有着明显的优势。
图1 智能控制充电器模块[7]
本课题充分利用PIC单片机控制，对手机电池进行智能充电，最
大限度地保护了电池的寿命。是一款真正意义上的微电脑控制充电器。同时，由于大量的工作由单片机软件来实现，简化了外围电路，从而大大降低了成本．另外，作为一种功能强大的平台，该手机电池充电器具有很好的功能扩展性，为后续技术升级，以进一步满足市场的需要，提供了条件。从而很好地填补智能手机电池充电器这一市场领域的空白．由于锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采用开始恒流快速充电，待电池电压上升到设定值时，自动转入恒压充电的方式，并且这样有利于保存电池容量。在充电过程中使用LED灯、数码指示，系统中设计有完善的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电站采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、数码相机等多种数码产品充电。本设计涉及到了电路设计、编写程序、绘制电路图、等多方面知识。在做这个设计的过程中，我将回顾学习到很多知识，并提高我的人编程能力和实际操作能力，对我以后的学习工作将有很大的帮助。
2相关研究的最新成果及动态
1.手机充电工作流程
目前手机充电器的工作流程一般为：
1 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电；
2 电池充到一定电压 一般设置为2．9V 时，进行全电流充电；
3 当电池电压达到预置电压 锂离子电池一般为4．2V 时，开始恒压充电，同时充电电流降低；
4 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束。
以美国TI公司的BQ2057为例，其充电流程如下：
图2 BQ2057充电流程[7]
除了上面的流程描述，它还具有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。而且，
充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、
最小电流终止充电、低功耗休眠等特性。
一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流充电时电流的十分之一。目前在锂离子电池充电器的设计中，对手机充电结束后
于某种因素放电的情况而专门设计了检测电路，一旦检测到电池电压降低，就会
重新启动充电过程 见上图 。
2.智能充电器的特点
充电器如果要实现“万能”，必须具备以下特点：
1 由于手机充电器是直接使用220V的，它必须包含手机直充 具备AC／DC
转换、并输出稳定的电压和足够的电流 或手机座充的充电管理电路 充电电流、
电压控制与管理及保护 的功能。
2 锂离子电池充电电流必须根据电池容量大小而定。电流过小导
致充电时间
大幅度延长，电流过大会导致电池内压增加、发热、结构受损，直至危害电池寿
命。
3 锂离子电池是非常非常娇气的，准确和稳定的门槛电压控制对电池寿命有
很大影响。如果没有足够槠度的电压参考源电路，设计功率余量不足，充电器就
容易发热，导致门槛电压产生温飘，影响充电控制精度。
4 万能充电器在达到3．9V一4．34V 标准应该是4．2V 转恒压充电数小时后，
充电电流并未完全关死而存在较大漏电流。而锂离子电池对充电电流的吸收是
100％的，即便是很小的电流依然也存在过充电问题。
5 所有原装充电器，除了充电的正负两极，还有与电池内部保护电路进行连
接的线路，以获取电池容量、温度补偿参数、告警保护等信息。而由于厂家品牌
不同，电池／手机保护电路的电路方式有很大差别。所以，现阶段真正达到兼容
几乎是不可能的。
3.目前手机充电器分类及充电特点
目前手机充电器主要有旅行充电器，座式充电器和车载充电器。充电方式，目前主要有2种：大电流的快速充电法和电压比较法，不同充电方式导致其充电效果不同。由于采用大电流的快速充电法，所以在电池充满后如不及时停止会使电池发烫，过度的过充会严重损害电池的寿命。一些低成本的充电器采用电压比较法，为了防止过充一般充电到90％就停止大电流快充，采用小电流涓流补充充电。这时充电器上充满的指示灯会亮起，如果用户此时急于取下电池，无疑电池只充了90％，而且由于电压比较法存在离散性，所以所谓充电到90%也只是一个理论值，很难精确掌握，此时，对于镍镉／镍氢电池则造成电池的记忆效应，使电池的存量减小，损害电池的寿命．而如果用户电池充电时间长一些，则易造成过充．家生产的原装旅行充电器和座式充电器，设计上都采用越来越精密的保护电路或开关电路设计，对电池的充电起到了良好的保护作用。车载充电器可以方便用户在汽车上为手机充电，一端插入点烟器，另一端连接手机，但不宣在汽车中长期充电，因为汽车中温度较高。但这些充电器存在共同的缺点一通用性差，一个厂家出产的充电器只能适用于本厂家的手机电池。
3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标
3.1 研究内容
课题研究的内容主要为选用适合的外围器件、单片机等设备。利用单片机控制实现对手机电池充电的智能控制。其中充电器各个模块
设计如图一所示
3.2 研究方法
从研究传统的手机充电器充电过程开始，分析充电过程中有哪些不足及优势，与指导老师讨论用单片机怎么解决这些问题。包括硬件部分和软件部分的设计。通过仿真模型实验来验证这些方法的可行性。
3.3 研究难点
充电器的保护电路。电池异常自动停止充电，恢复正常自动重新充电。
3.4 预期达到的目标
充电站具有可以连接大部分品牌手机底端电源的插座和兼容大部分手机电池的功能。自动识别锂离子、镍氢、镍镉电池组；具有慢速充电、快速充电、放电及限流保护，电流短路与反充保护线路设计；LED充电状态显示。
4研究工作详细进度和安排
2011-03-15 确定设计方案
2011-04-1 完成充电电路设计
2011-04-15 完成保护电路设计
2011-05-01 完成仿真调试
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手机充电站研发与开发――充电器部分
蓄电池
手机电池
DC/DC变换
ADC0809
单片机
按键
显示电路
蓄电池和太阳能电池板
手机电池
DC/DC变换
ADC0809
AT89C51
按键
显示电路
开始
初始化
电池充电
充电子程序
电源子程序
Yes
No
结束
入口
采集电压电流
恒流充电
恒压充电
返回
充电结束
电压 4V？
电流 0.1mA？
Y
N
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