太陽能手機(jī)充電站研究與開發(fā)—單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　太陽能手機(jī)充電站研究與開發(fā)—單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b>

3、</p><p>　　能源猶如人體的血液。隨著人類生活水平的提高，人們對(duì)能源的需求也日益提高。太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，太陽能的利用越來越受到人們的重視，而太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用更是人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。而且隨著科技的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，手機(jī)越來越成為生活中不可缺少的部分，結(jié)合太陽能對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電成為一個(gè)新的研究課題，越來越被人們所重視。<

4、/p><p>　　本設(shè)計(jì)以太陽能電池板作為能源核心給系統(tǒng)提供電源，控制電路以單片機(jī)作為核心，整個(gè)系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、手機(jī)充電器三部分組成。太陽能控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，本文針對(duì)如何提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，通過C8051F020單片機(jī)的選取和“二次插值法”的應(yīng)用從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。充電器部分由于市面上的手機(jī)基本采用鋰離子電池，本文只對(duì)于鋰電池充電進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，采用AT89S52

5、單片機(jī)來控制智能充電管理芯片MAX1898從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)鋰電池的智能充電。</p><p>　　關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤,單片機(jī)，智能充電器。</p><p>　　Solar energy handset battery charging station research and development - monolithic integrated circuit control syste

6、m design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The energy just likes the human body the blood. Along with humanity living standard enhancement, the people also day by day enhance to the

7、energy demand. The solar energy takes one kind of new green 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

8、people's more and more, but the solar energy light bends down the power technology application is the focal point which the people pay attent</p><p>　　This design provides the computer by the solar cell

9、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 comp

10、osed. the solar energy controller is the light bends down generating system's hard core, how this article in view of enhances the solar energy light to bend down generating system's transfer efficiency, through C

11、8051F020 monolit</p><p>　　Key word: MPPT, Monolithic integrated circuit, intelligent battery charger.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>&l

12、t;p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.1.1能源危機(jī)和環(huán)境污染問題1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.2.1 太陽能的開發(fā)和

13、利用2</p><p>　　1.2.2鋰電池的發(fā)展3</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 太陽能電池和手機(jī)鋰電池的特點(diǎn)4</p><p>　　2.1 太陽能電池的輸出特性及最大功率跟蹤（MPPT）的意義4</p><p>　　2.1.1 傾斜面輻照模型4</p&

14、gt;<p>　　2.1.2 負(fù)載特性5</p><p>　　2.1.3 太陽能光伏電池的特性5</p><p>　　2.3鋰離子電池的充電要求7</p><p>　　第三章 太陽能手機(jī)充電站硬件設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　第四章 最大功率跟蹤器的

15、設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1 系統(tǒng)的硬件10</p><p>　　4.1.1 主要器件的選取10</p><p>　　4.1.2 BUCK電路器件參數(shù)的選取11</p><p>　　4.1.3采樣電路13</p><p>　　4.1.4信號(hào)處理電路14</p><p>　　

16、4.1.5單片機(jī)內(nèi)硬件資源設(shè)置15</p><p>　　4.2系統(tǒng)的軟件17</p><p>　　4.2.1二次插值法簡(jiǎn)介17</p><p>　　4.3系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　4.3.1信號(hào)的采集18</p><p>　　4.3.2八位脈寬調(diào)制程序19</p><p&g

17、t;　　4.3.3登山法尋找最大功率點(diǎn)19</p><p>　　第五章 鋰電池充電部分設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.1鋰電池充電方法22</p><p>　　5.2 MAX1898介紹24</p><p>　　5.2.1功能介紹：24</p><p>　　5.2.2引腳功能介紹：24</p>

18、<p>　　5.3 充電原理圖25</p><p>　　5.3充電器的功能26</p><p>　　5.4充電器的程序設(shè)計(jì)27</p><p><b>　　第六章 結(jié)論31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p>　　

19、致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄33</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題的來源</b></p><p>　　1.1.1 能源危機(jī)和環(huán)境污染問題</p><p>　

20、　隨著社會(huì)的快速發(fā)展，手機(jī)越來越成為人們生活中不可或缺的一部分。如果某人的手機(jī)不能使用，將對(duì)他的工作、生活帶來巨大的影響，甚至損失。而外出手機(jī)電池沒電，又沒有適用的手機(jī)充電器，是造成手機(jī)無法使用的最常見原因之一。因此，作為流動(dòng)人口大量集散的火車站、汽車站等場(chǎng)所附近，建造一所太陽能手機(jī)充電站，為需要的人們提供服務(wù)，以方便旅客的工作和生活，就成為一個(gè)迫切的問題。</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益尖

21、銳，越來越多的國(guó)家開始關(guān)注能源利用及轉(zhuǎn)換效率的問題。隨著常規(guī)能源如石油、煤炭、天然氣的日益枯竭，大力發(fā)展新能源與可再生能源已成為中國(guó)21世紀(jì)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和建設(shè)小康社會(huì)刻不容緩的主要任務(wù)和戰(zhàn)略目標(biāo)。我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 （2006～2020年）》中明確將“可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用”作為重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先課題。并且專門頒布了《可再生能源法》，鼓勵(lì)和促進(jìn)可再生能源的規(guī)?；?。</p><p>　

22、　可再生能源是可以永續(xù)利用的能源資源，如水能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能核能等，不存在資源枯竭問題。中國(guó)除了水能的可開發(fā)裝機(jī)容量和年發(fā)電量均居世界首位之外，太陽能資源也非常豐富。中國(guó)太陽能較豐富的區(qū)域占國(guó)土面積的2/3以上，年輻射量超過6000MJ/m2，每年地表吸收的太陽能大約相當(dāng)于1.7萬億tce的能量。隨著越來越多的國(guó)家采取鼓勵(lì)可再生能源的政策和措施，可再生能源的生產(chǎn)規(guī)模和使用范圍正不斷擴(kuò)大。自2006年可再生能源法實(shí)施以來，中國(guó)可再

23、生能源已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。2009年中國(guó)可再生能源在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例已從2008年的8.4%提升到9.9%。進(jìn)入2010年以來，為加速能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，我國(guó)太陽能、風(fēng)能、核能等可再生能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[1]。</p><p>　　環(huán)境污染問題也成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。環(huán)境污染是指人類直接或間接地向環(huán)境排放超過其自凈能力的物質(zhì)或能量，從而使環(huán)境的質(zhì)量降低，對(duì)人類的生存與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和財(cái)產(chǎn)造成不利影響的

24、現(xiàn)象。例如，溫室效應(yīng)、臭氧層破壞就是由大氣污染衍生出的環(huán)境效應(yīng)。這種由環(huán)境污染衍生的環(huán)境效應(yīng)具有滯后性，往往在污染發(fā)生的當(dāng)時(shí)不易被察覺或預(yù)料到，然而一旦發(fā)生就表示環(huán)境污染已發(fā)展到相當(dāng)嚴(yán)重的地步。當(dāng)然，環(huán)境污染的最直接、最容易被人所感受到的后果是使環(huán)境的質(zhì)量下降，影響人類的生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動(dòng)。例如城市的空氣污染造成空氣污濁，人們的發(fā)病率上升等等；水污染使水環(huán)境質(zhì)量惡化，飲用水源的質(zhì)量普遍下降，威脅人們的身體健康，引起胎兒早產(chǎn)或畸

25、形等等。嚴(yán)重的污染事件不僅帶來健康問題，也造成社會(huì)問題。隨著污染的加劇和人們環(huán)境意識(shí)的提高，由于污染而引起的人群糾紛和沖突逐年增加[2 ,3]。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1 太陽能的開發(fā)和利用</p><p>　　太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來，隨著

26、科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因?yàn)樗哂幸韵碌奶攸c(diǎn)[4, 5]：</p><p>　　（1）數(shù)量巨大：每年到達(dá)地球表面能供人類利用的太陽輻射相當(dāng)于一顆原子彈爆炸時(shí)所產(chǎn)生的能量；</p><p>　　（2）時(shí)間長(zhǎng)久：用之不竭，太陽按目前功率輻射能量其時(shí)間約可持續(xù)100億年；</p><p>　?。?）普照大地：取之不盡，不需要開采和運(yùn)

27、輸；</p><p>　?。?）清潔無污染：無任何物質(zhì)的排放，既不會(huì)留下污染物，也不會(huì)向大氣中排放廢氣。</p><p>　　太陽能的開發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等三種形式。光熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存起來，其中太陽能熱水器是光熱利用最成功的領(lǐng)域，還有太陽房、太陽灶、太陽能溫室和太陽能干燥系統(tǒng)等，這些技術(shù)尤其在我國(guó)的西部和北方應(yīng)用較廣，成效顯著。以太陽能電池技術(shù)為核心的

28、太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用太陽能發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕。能獨(dú)立供電的太陽能電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，輸出45～50W的晶體硅太陽能電池組件，體積約為450mm98545mm,質(zhì)量約為7kg。</p><p>　?。?）安裝運(yùn)輸方便，建設(shè)周期短。只要將太陽能電池支撐并面向太陽即可發(fā)電，宜于制成小功率移動(dòng)電源；一

29、個(gè)6.5MV的太陽能電池發(fā)電站，占地約80km2，不足10個(gè)月便可建成發(fā)電。</p><p>　?。?）維護(hù)簡(jiǎn)單，使用方便。如遇風(fēng)雨天，只需檢查太陽能電池表面是否被玷污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常即可。大型光伏電站使用計(jì)算機(jī)控制運(yùn)行，運(yùn)行費(fèi)用低。</p><p>　?。?）清潔、安全、無噪聲。光伏發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機(jī)械噪聲，是一種理想的能源。</p><

30、;p>　　（5）可靠性高，壽命長(zhǎng)，并且應(yīng)用廣泛。晶體硅太陽能電池的壽命可以長(zhǎng)達(dá)20～35年，在光伏系統(tǒng)中，只要設(shè)計(jì)合理、選型適當(dāng)，蓄電池的壽命可以達(dá)到10多年。太陽能幾乎無處不在，太陽能電池在中國(guó)大部分范圍內(nèi)都能作為獨(dú)立電源。</p><p>　　1.2.2 鋰電池的發(fā)展</p><p>　　電池是通過能量轉(zhuǎn)化而獲取電能的器件，化學(xué)電源是通過氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池可分為

31、一次電池和二次電池，一次電池是一次性應(yīng)用的電池，二次電池是可以反復(fù)使用的電池。隨著便攜式設(shè)備的發(fā)展，無論從節(jié)約成本還是從環(huán)境保護(hù)的角度來說，二次電池都比一次電池更有優(yōu)勢(shì)，因此二次電池的市場(chǎng)需求量也越來越大。鋰離子電池也是二次電池的一種。</p><p>　　鋰電池和鋰離子電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池。其是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池的正極可采用MnO2，SOCL2，(C

32、Fx)n等。</p><p>　　最早出現(xiàn)的鋰電池來自于發(fā)明家愛迪生。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫姡逛嚱饘俚募庸?、保存、使用對(duì)環(huán)境要求非常高。因此，鋰電池長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用。1992年Sony成功開發(fā)鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻，與鎳鉻電池相比，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。</p><p>

33、　　1.3 課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　市場(chǎng)上的太陽能手機(jī)充電系統(tǒng)主要關(guān)注的是系統(tǒng)效率和可靠性等問題。其中提高效率包括如下手段：（1）使太陽能電池或方陣的輸出功率最大，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，在小規(guī)模的系統(tǒng)中經(jīng)常使用最大功率點(diǎn)跟蹤的方法；（2）采用高效的電池充電策略。 為了提供穩(wěn)定、高效的電光源，從而滿足手機(jī)充電的要求。本文研究太陽能最大功率跟蹤MPPT原理，其本質(zhì)上是一個(gè)作為功率調(diào)節(jié)的A/D變換

34、器。它利用晶體開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，將太陽能電池陣列的直流輸出信號(hào)變換成一個(gè)有可變占空比的方波信號(hào)來改變太陽能電池的等效負(fù)載。A/D變換器中的開關(guān)調(diào)節(jié)通常采用脈寬調(diào)制的方法，它與太陽能電池板串聯(lián)，通過改變PWM波的占空比來控制充電電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。 本論文主要包括以下幾個(gè)方面：首先，對(duì)太陽能光伏特性進(jìn)行研究與分析，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能的電路進(jìn)行總體設(shè)計(jì)；采用二次插值法和登山法求取最大功率點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)太

35、陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤和控制：從太陽能電池組件、控制電路、太陽能電池最大功率的轉(zhuǎn)化、手機(jī)電池充電方式等方面對(duì)太陽能手機(jī)充電站進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　第二章 太陽能電池和手機(jī)鋰電池的特點(diǎn)</p><p>　　2.1 太陽能電池的輸出特性及最大功率跟蹤（MPPT）的意義 </p><p>　　光伏發(fā)電存在一個(gè)很大的問題是光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，溫

36、 </p><p>　　度和光照輻射強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化;另外，光伏電池 </p><p>　　轉(zhuǎn)換效率低且價(jià)格昂貴，初期投入較大。因此，充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能量 </p><p>　　是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基木要求。 </p><p>　　2.1.1 傾斜面輻照模型</p><p>　　太陽能

37、電池組件每小時(shí)的發(fā)電量由組件平面上每小時(shí)接受到的平均光強(qiáng)、環(huán)境溫度和組件特性以及負(fù)載特性所決定。由于太陽能電池方陣通常與地面成一定傾角安裝 ,在計(jì)算太陽能電池組件每小時(shí)的輸出時(shí), 需要將水平面上實(shí)測(cè)的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)折算到組件平面上的相應(yīng)值。Hay[6]的天空散射各向異性模型常用于此目的,其表達(dá)式為: </p><p><b>　　入射角：</b></p><p><

38、;b>　　天頂角：</b></p><p><b>　　太陽方位角：</b></p><p>　　式中，β—斜面傾角；ρ—地物表面折射率；θi—入射角，太陽輻射與所研究表面法線見的夾角；θz—太陽天頂角；φ—緯度；δ—赤緯，當(dāng)天赤緯角為在太陽時(shí)正午，太陽光線與赤道平面的夾角；α—太陽高度角；γ—表面方位角，所研究表面法線水平面的投影與正北方向的夾角；

39、γs—太陽方位角，太陽輻射水平面的投影與正北方向的夾角。</p><p>　　2.1.2 負(fù)載特性</p><p>　　在配有蓄電池的光伏系統(tǒng)中，太陽能電池方陣向蓄電池充電，蓄電池又通過負(fù)載放電。蓄電池的充電伏安特性可以表示為：</p><p>　　式中，VB—蓄電池內(nèi)電動(dòng)勢(shì)；Rb—蓄電池的內(nèi)阻。</p><p>　　2.1.3 太陽能光伏電

40、池的特性</p><p>　　當(dāng)光照恒定時(shí)，由于光生電流Iph不隨太陽能電池的工作狀態(tài)而變化，因此在等效電路中可以看作是一個(gè)恒流源。太陽能電池的兩端接入負(fù)載R后，光生電流流過負(fù)載，從而在負(fù)載的兩端建立起端電壓V。負(fù)載端電壓反作用于太陽能電池的P-N結(jié)上，產(chǎn)生一般與光生電流方向相反的電流Id。此外，由于太陽能電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率，當(dāng)工作電流流過板子時(shí)必然會(huì)引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗，故引入串

41、聯(lián)電阻RS。串聯(lián)電阻越大，線路損失越大，光伏電池輸出效率越低。在實(shí)際的太陽能電池中，一般串聯(lián)電阻都比較小，大都在10-3歐至幾歐之間。另外，由于制造工藝的因素，太陽能電池的邊緣和金屬電極在制作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕，從而會(huì)形成漏電而導(dǎo)致本來要流過負(fù)載的光生電流短路掉，因此引入一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh來等效。相對(duì)于串聯(lián)電阻來說，并聯(lián)電阻比較大，一般在1KΩ以上。太陽能電池的等效電路如圖2-1所示。</p><p>

42、　　圖2-1太陽能電池等效電路</p><p>　　由太陽能電池等效電路可得出：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　—流過負(fù)載的電流;</b></p><p>　　—與日

43、照強(qiáng)度成正比例的光生電流;</p><p>　　—流過二極管的電流；</p><p>　　—太陽能電池的漏電流。</p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　上式中，</b><

44、/p><p>　　—反向飽和電流（一般而言，其數(shù)量級(jí)為10-4A）;</p><p>　　—電子電荷（1.610-19C）;</p><p>　　—玻爾茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）;</p><p>　　—絕對(duì)溫度（=t+273K）;</p><p><b>　　—PN結(jié)理想因子；</b>&l

45、t;/p><p>　　—太陽能電池并聯(lián)電阻；</p><p>　　—太陽能電池串聯(lián)電阻；</p><p><b>　　此外，</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　所以，綜合式1-1、1-2、1-3可得：</p><p&g

46、t;<b>　　（2-4）</b></p><p>　　當(dāng)負(fù)載R從0變到無窮大時(shí)，輸出電壓V則從0變到VOC，同時(shí)輸出電流ISC變到0，由此得到太陽能電池的輸出特性，如圖 2-2所示。曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱橫坐標(biāo)，即為工作電流和工作電壓，工作電流和工作電壓的乘積</p><p><b>　?。?-5）</b></p&

47、gt;<p><b>　　為電池的輸出功率。</b></p><p>　　圖2-2太陽能電池輸出功率</p><p>　　2.3 鋰離子電池的充電要求</p><p>　?。?）終止充電電壓的允差為額定值的±1%,過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久 </p><p><b>　　性損壞。 &l

48、t;/b></p><p>　?。?）充電速率常用為0.5C—1C。采用0.5C充電速率時(shí)，因充電過程中的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一定量的能量損失。 </p><p>　?。?）鋰離子電池充電的溫度范圍為0℃—60℃，如果電流過大，會(huì)使溫度過高，不僅會(huì)損壞電池，而且可能引起爆炸。 </p><p>　　（4）鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V，嚴(yán)重過放電可

49、能造成鋰離子電池失效。對(duì)過放電的電池充電可以通過預(yù)處理進(jìn)行補(bǔ)救，當(dāng)鋰離子電池電壓大于 </p><p>　　2.5V時(shí)，則按正常方式充電；若鋰離子電池低于2.5V時(shí)，則用小電流充電，充到2.5V后再按正常方式充電。</p><p>　　總的來說，鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)[7]：</p><p>　?。?）工作電壓高。通常單節(jié)鋰離子電池的電壓為3.7 V。單體電池即可為

50、3 V的邏輯電路供電。對(duì)于要求較高供電電壓的電子設(shè)備，電池組所需串聯(lián)電池?cái)?shù)也可大大減少。</p><p>　?。?）體積小、重量輕、比能量高。通常鋰離子電池的比能量可達(dá)鎳鎘電池的2倍以上，與同容量鎳氫電池相比，體積可減少30%，重量可降低50%，有利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化。</p><p>　?。?）壽命長(zhǎng)。鋰離子電池采用碳負(fù)極，在充放電過程中，碳負(fù)極不會(huì)生成金屬鋰，從而可以避免電池因

51、內(nèi)部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰離子電池的壽命可長(zhǎng)達(dá)1200次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各類電池。</p><p>　　（4）安全快速充電。鋰離子電池與金屬鋰電池不同，它的負(fù)極用特殊的碳電極代替金屬鋰電極，因此允許快速充電。采用1 C充電速率，可在兩小時(shí)內(nèi)充足電，而且安全性能大大提高。</p><p>　?。ㄗⅲ撼潆娐蔆表示充電的速度。若不考慮充電過程的損耗，充電率可表示</p><

52、p>　　C=充電電流(mA)/電池容量(mAh)</p><p>　　若電池的容量為500 mAh，C=1，則充電電流為500 mA。但實(shí)際的充電過程是</p><p>　　一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程，有一定的損耗（如發(fā)熱），故實(shí)際充電電流要比計(jì)算值大</p><p>　　30%左右。為縮短充電時(shí)間，可采用1 C、2 C充電率，一般最大充電率可達(dá)4 C。）</p

53、><p>　?。?）允許溫度范圍寬。鋰離子電池具有優(yōu)良的高低溫放電性能，可在-20~+60℃之間工作。高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。</p><p>　　此外，鋰離子電池還具有自放電電流小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池，被稱為性能最好的電池。</p><p>　　第三章 太陽能手機(jī)充電站硬件設(shè)計(jì)</p><p

54、>　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求（利用太陽能光伏電池及畜電池設(shè)計(jì)完成一套太陽能手機(jī)充電站系統(tǒng)，并完成其中單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)），設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)的原理圖如下圖所示：</p><p>　　圖3-1總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　系統(tǒng)通過將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池中，再通過蓄電池輸出對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電。由于太陽能發(fā)電受光照強(qiáng)度和溫度

55、影響較大，輸出電壓電流不穩(wěn)定，需要蓄電池來儲(chǔ)存電能，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)的控制系統(tǒng)，51系列單片機(jī)是當(dāng)前使用最廣泛的8位單片機(jī)系列，本系統(tǒng)采用C8051F020作為太陽能電池充電電路的控制器，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM波控制開關(guān)管從而實(shí)現(xiàn)電壓電流的改變，達(dá)到最大功率跟蹤（MPPT）的目的。由于充電器多采用大電流的快速充電法，在電池充滿后如果不及時(shí)停止會(huì)使電池發(fā)燙，過充會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命，本系統(tǒng)通過AT89S52單片機(jī)控制MAX1898,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采

56、集及轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電路智能輸出與控制。</p><p>　　第四章 最大功率跟蹤器的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于太陽能電池的輸出具有非線性，為了使光能盡可能的轉(zhuǎn)換為電能，太陽能電池系統(tǒng)中的電子控制器必須能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，這也是提高系統(tǒng)效率的有效方法。通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外所采用的各種跟蹤方法的分析，本系統(tǒng)將采用脈寬調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。</p><p>

57、;<b>　　4.1 系統(tǒng)的硬件</b></p><p>　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示，其中開關(guān)電路采用BUCK型降壓電路來實(shí)現(xiàn)，其中開光管采用MOSFET，C1和C2是充電電容，L是帶鐵芯的電感，二極管起續(xù)流作用，控制電路可使用AT89C52及其外圍電路構(gòu)成，但考慮到對(duì)太陽能電池輸出電流和電壓的采樣速度以及單片機(jī)外圍電路的精簡(jiǎn)本系統(tǒng)將采用CYGNAL公司生產(chǎn)的C8051F020高速單片

58、機(jī)及其外圍電路來構(gòu)成控制電路。在實(shí)際工作過程中由單片機(jī)從端口輸出PWM信號(hào)來控制開關(guān)管D的導(dǎo)通與截止。PWM波的頻率初步確定為20KHZ左右，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流使用霍爾傳感器進(jìn)行采集。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　4.1.1 主要器件的選取</p><p>　　（1）單片機(jī)：由于本論文是采用PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最

59、大功率點(diǎn)的跟蹤控制，并且在光照強(qiáng)度和電池表面溫度發(fā)生變化時(shí)，要求跟蹤速度越快越好，所以在系統(tǒng)中選取了C8051F020高速單片機(jī)。該單片機(jī)具有如下特點(diǎn)[8]：</p><p>　?、貱8051F020單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）,具有與8051指令集完全兼容的CIP─51內(nèi)核，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的803X/805X的匯編器、編譯器及軟件包進(jìn)行軟件開發(fā)。</p><p>　　

60、②C8051F020單片機(jī)的CIP—51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1—2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘CIP—51周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，而在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外的所有指令都需要12個(gè)或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP—51工作的最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為25MHz,它的峰值速度可達(dá)25MIPS。</p><p>　?、跜8051F020單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JT

61、AG接口并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的器件就可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)中調(diào)試。因此C8051F020單片機(jī)調(diào)試環(huán)境既便于使用，又能保證精確模擬外設(shè)的性能。</p><p>　　④C8051F020單片機(jī)具有與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的I/O端口，每個(gè)端口引腳都可以被設(shè)置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進(jìn)一步節(jié)電的能力。最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)，允許將內(nèi)部數(shù)字

62、系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷等配置。這樣就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源的組合。</p><p>　?、軨8051F020單片機(jī)還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。它包含一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。每個(gè)捕捉/比較模塊都可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)8位或16位脈寬調(diào)制工作方式。&l

63、t;/p><p>　　⑥具有12位和8位兩種A/D轉(zhuǎn)換模塊，它還有一個(gè)1510-16的電壓基準(zhǔn)和內(nèi)部溫度傳感器，并且8個(gè)外部輸入通道的每一對(duì)都可被配置為2個(gè)單端輸入或一個(gè)差分輸入。</p><p>　　（2）傳感器：對(duì)于太陽能電池輸出電壓的采樣本論文采用霍爾電壓傳感器VSM025A，對(duì)于輸出電流的采樣采用霍爾電流傳感器CSM020CG。</p><p>　?。?）開關(guān)管

64、：采用場(chǎng)效應(yīng)管IRF540。</p><p>　　（4）開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：采用TLP250。</p><p>　　（5）續(xù)流二極管：采用高速，通態(tài)壓降的肖特極二極管MBR20100。</p><p>　　4.1.2 BUCK電路器件參數(shù)的選取</p><p>　　太陽能電池最大功率跟蹤控制器的主電路采用BUCK型開關(guān)電路[9,10]，電路如圖4-

65、2所示。</p><p>　?。?）BUCK電路的工作原理</p><p>　　①假設(shè)：為分析穩(wěn)態(tài)特性，簡(jiǎn)化推導(dǎo)公式的過程，特作如下假設(shè)：</p><p>　?、?、開關(guān)晶體管，二極管都是理想原件，也就是可以瞬間的“導(dǎo)通”和“截止” 時(shí)漏電流為零；</p><p>　?、颉㈦姼?，電容是理想元件</p><p>　?、?、輸

66、出電壓中的紋波電壓和輸出電壓的比值小到允許忽略。</p><p>　?、诠ぷ鬟^程：當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，有圖4-2（a）所示的電流is=iL流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，在負(fù)載R上流過電流I0，兩端輸出電壓V0，極性上正下負(fù)。當(dāng)is>i0時(shí)，電容在充電狀態(tài)，這時(shí)二極管承受反向電壓；當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，如圖4-2（b）所示，由于線圈L中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持電流iL不變，負(fù)載R兩端電壓

67、仍是上正下負(fù)。在iL<i0時(shí)，電容處于放電狀態(tài)，有利于維持I0和V0不變，這時(shí)二極管承受正向偏壓為電流IL構(gòu)成通路，所以稱為續(xù)流二極管。工作中輸入電流IS，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)IS>0，開關(guān)截止時(shí)，IS=0，因此IS是脈動(dòng)的，但是輸出電流I0在電感、電容和續(xù)流二極管作用下卻是連續(xù)平穩(wěn)的。</p><p>　　圖4-2 BUCK電路工作原理</p><p>　?。?）電感電流連續(xù)工作模式

68、</p><p>　　在上圖中，假設(shè)開關(guān)周期為TS，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為t1=D1TS，截止時(shí)間為 t2-t1=D2TS;D1<1,稱為導(dǎo)通時(shí)間占空比，體現(xiàn)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間占周期的百分比值，D2<1;稱為截止時(shí)間占空比，根據(jù)假設(shè)D1+D2=1。</p><p>　　在輸入輸出不變的前提下，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性上升，其增量為：</p><p><b>

69、;　?。?-1）</b></p><p>　　式（4-1）中 ：電流增量；：輸入電源電壓；：輸出電壓；：電感；</p><p>　?。洪_關(guān)周期；D1：開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間占空比當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，電感上電流增量為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　由于穩(wěn)態(tài)時(shí)這兩個(gè)電流變化量相等，即ΔIL

70、1= | ΔIL2 |,所以:</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　整理（4-3）可得。</p><p>　　當(dāng)電感L較小，負(fù)載電阻較大，或Ts較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流已下降到0，新的周期卻尚未開始的情況，當(dāng)新的周期來到時(shí)，電感電流從0開始，線性增加，這種工作方式稱為電感電流不連續(xù)的模式。為了使電感工作在電流連續(xù)的

71、模式下可根據(jù)公式（4-4）來選取電感的鄰界值。</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式（4-4）中Lc：鄰界電感值 V0：輸出電壓 fs：開關(guān)頻率 P0：輸出功率</p><p>　　因此，選取的電感值應(yīng)大于或等于Lc。</p><p>　?。?）紋波電壓ΔV0濾波電容C之間的關(guān)系&

72、lt;/p><p>　　流經(jīng)電容的電流Ic為（IL-I0）,Ic在電容兩端產(chǎn)生的電壓ΔV0稱為紋波電壓。根據(jù)電容的充放電特性有：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　將（4-2）代入(4-5)中可得：</p><p><b>　　(4-6)</b></p>

73、<p><b>　　在式（4-6）中</b></p><p>　　為截止時(shí)間占空比。這樣由式（4-4）和（4-6）就可計(jì)算出系統(tǒng)中BUCK電路的Lc和濾波電容C的數(shù)值。在本系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中假定太陽能電池在光照和溫度變化情況下，所產(chǎn)生的電壓的變化范圍是：10V─30V，紋波電壓為輸出電壓的0.5%，系統(tǒng)的工作頻率約為20KHZ,負(fù)載電阻在1Ω─10Ω間變化。取Lc=500μH，C=47

74、0μF，則可以滿足電感工作在電流連續(xù)的狀況下，且紋波電壓滿足要求。</p><p>　　4.1.3 采樣電路</p><p><b>　?。?）輸出電壓采樣</b></p><p>　　對(duì)于太陽能電池陣列輸出電壓本系統(tǒng)采用霍爾電壓傳感器VSM025A來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖4-3電壓采樣電路</p>

75、<p><b>　　電路如圖4-3所示</b></p><p>　　在圖4-3中1端接地，2端接太陽能電池的輸出端，其中的22K電阻為傳感器的輸入電阻，“+”端接15V的工作電壓，“-”端接-15V的工作電壓，M為輸出端接入100Ω輸出電阻后將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)送到處理電路中。</p><p><b>　?。?）輸出電流采樣</b

76、></p><p>　　對(duì)于太陽能電池陣列輸出電流的采樣本系統(tǒng)采用了霍爾電流傳感器CSM020CG來實(shí)現(xiàn)，電路框圖如圖4-4所示：</p><p><b>　　4-4電流采樣電路</b></p><p>　　在圖4-4中，1端接地，2端通過一個(gè)100Ω的輸出電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送信號(hào)處理電路，3和4端分別接入正負(fù)15V的工作電壓，

77、陣列的輸出電流通過回路穿過傳感器中間的圓孔后接地。</p><p>　　4.1.4 信號(hào)處理電路</p><p>　　信號(hào)處理電路主要起到信號(hào)放大和低通濾波的作用，電路由LM324運(yùn)放器構(gòu)成，如下圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5信號(hào)處理電路</p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)電路應(yīng)達(dá)到的要求為：（1）截止頻率fc=1KHz(2)通帶電壓

78、放大倍數(shù)A=2，因此對(duì)于電路參數(shù)的選擇應(yīng)該滿足：（R1是信號(hào)采樣電阻）</p><p><b>　??；</b></p><p>　　4.1.5 單片機(jī)內(nèi)硬件資源設(shè)置</p><p>　　系統(tǒng)想要正確的實(shí)現(xiàn)其功能，必須合理配置單片機(jī)的片內(nèi)資源，否則系統(tǒng)將無法有效的工作。C8051F020單片機(jī)[11]的片內(nèi)資源非常豐富，對(duì)其片內(nèi)主要的特殊功能寄存

79、器設(shè)置如下：</p><p>　?。?）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口</p><p>　　本系統(tǒng)中將EMIF（外部存儲(chǔ)器接口）選到高端口（P7，P6，P5，P4）,并使用非復(fù)用方式，使得數(shù)據(jù)總線與地址總線總是分開的。設(shè)置如下表4-1所示：</p><p>　　表4-1 EMI0CF:外部存儲(chǔ)器接口配置</p><p>　　（2）低端口和優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯

80、碼器</p><p>　　C8051F020最突出的改進(jìn)是引入了數(shù)字交叉開關(guān)，它允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳，即可以通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷等其他數(shù)字信號(hào)配置出現(xiàn)在端口I/O引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。</p><p>　　優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)按優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝?─3的引腳分配給器件上的數(shù)

81、字外設(shè)。端口的分配順序是從端口P0.0開始，可以一直分配到端口P3.7。</p><p>　　在本系統(tǒng)中端口P0.0和P0.1能夠獨(dú)立地輸出控制場(chǎng)效應(yīng)管的PWM波信號(hào)，配置如下表4-2所示：</p><p>　　表4-2 XBR0端口I/O交叉開關(guān)寄存器0</p><p>　　XBR0=0X10，即表示將CEX0和CEX1連到P0.0和P0.1，使得這兩個(gè)引腳作為

82、PWM波信號(hào)產(chǎn)生腳。</p><p>　　表4-3 XBR2端口I/O交叉開關(guān)寄存器2</p><p>　　XBR0=0X40，即表示交叉開關(guān)允許工作。</p><p>　　表4-4 POMDOUT端口0輸出方式寄存器</p><p>　　POMDOUT=0X03,即表示將端口P0.0和P0.1的輸出方式配置為推挽方式。</p>

83、;<p>　?。?）ADC0模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　C8051F020片內(nèi)集成了一個(gè)12位的ADC0模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在本系統(tǒng)中將這個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的8個(gè)通道設(shè)置為獨(dú)立的單端輸入通道。設(shè)置如下表4-5：</p><p>　　表4-5 ADC0CF:ADC0配置寄存器</p><p>　　ADC0=0XA0，即表示ADC0 SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為2.5MHZ。

84、</p><p>　　表4-6 ADC0CN:ADC0控制寄存器</p><p>　　AD0EN=1，ADC處于活動(dòng)狀態(tài)，并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。</p><p>　　ADCTM=1，規(guī)定向ADBUSY位寫1時(shí)，啟動(dòng)跟蹤，持續(xù)3個(gè)SAR時(shí)鐘。</p><p>　　ADSTM1─0=00，規(guī)定向ADBUSY位寫1時(shí)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。</p>

85、<p>　　ADWINT=0，規(guī)定不發(fā)生ADC窗口比較匹配。</p><p>　　ADLJST=1，規(guī)定ADC0L寄存器數(shù)據(jù)左對(duì)齊。</p><p><b>　?。?）電壓基準(zhǔn)</b></p><p>　　C8051F020片內(nèi)有一個(gè)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)電路，由一個(gè)1.2V,1510-16/℃的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和一個(gè)2倍增益的輸出緩沖放

86、大器組成。VREF上的基準(zhǔn)電壓可連到應(yīng)用系統(tǒng)的外部器件上去。在本系統(tǒng)中將使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓作為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。設(shè)置如下表4-7：</p><p>　　表4-7 REF0CN:基準(zhǔn)電壓控制寄存器</p><p>　　REF0CN=0X30，表示ADC0電壓基準(zhǔn)取自VREF0引腳，片內(nèi)溫度傳感器關(guān)閉，內(nèi)部偏壓基準(zhǔn)緩沖存儲(chǔ)器允許工作，同時(shí)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)提供從VREF引腳輸出。</p>

87、;<p>　?。?）可編程計(jì)數(shù)器陣列</p><p>　　C8051F020片內(nèi)有一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列（PCA）,PCA由一個(gè)專用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和5個(gè)16位捕捉/比較模塊組成，每個(gè)捕捉/比較模塊有自己的I/O線（CEXn），當(dāng)被允許時(shí)，I/O線通過交叉開關(guān)連到端口I/O,每個(gè)PCA有6種工作方式。在本系統(tǒng)中將通過設(shè)置選擇工作方式為8位脈寬調(diào)制方式，設(shè)置如下：</p><p&

88、gt;　　表4-10 PCA0CN:PCA控制寄存器</p><p>　　PCA0CN=0X40，將允許PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器開始工作。</p><p>　　表4-11 PCA0MD:PCA方式選擇寄存器</p><p>　　PCA0MD=0X02，規(guī)定PCA計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘源為系統(tǒng)時(shí)鐘的4分頻，并禁止CF中斷，通過這樣的設(shè)置使系統(tǒng)所發(fā)出的PWM波的頻率約為20KHz

89、。</p><p>　　表4-12 PCA0CPMn：PCA捕捉/比較寄存器</p><p>　　PCA0CPMn=0X42,規(guī)定PCA捕捉/比較寄存器工作在8位脈寬調(diào)制工作方式，并允許比較器功能。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)的軟件</b></p><p>　　在軟件設(shè)計(jì)上本系統(tǒng)的思路是，當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離

90、最大功率點(diǎn)時(shí)，采用大步跟蹤，當(dāng)系統(tǒng)工作點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)時(shí)，采用小步長(zhǎng)跟蹤，這樣將提高系統(tǒng)跟蹤效率。又因?yàn)樘柲茈姵剌敵龉β蕦?duì)于輸出電壓是連續(xù)可導(dǎo)的，且只有一個(gè)極點(diǎn)，因此可采用二次插值法并結(jié)合登山法來尋找系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。</p><p>　　4.2.1 二次插值法簡(jiǎn)介 </p><p>　　假定被插值函數(shù)連續(xù)可導(dǎo)且僅有一個(gè)極值點(diǎn)，如下圖4-6所示，可確定一個(gè)初始區(qū)間，這個(gè)初始區(qū)間應(yīng)包含被插

91、值函數(shù)的極值點(diǎn)[12]。在此區(qū)間內(nèi)我們可確定3個(gè)相鄰的：a<b<c，及其對(duì)應(yīng)的函數(shù)值fa>fb>fc,記X1=a;X2=c,X3=b;f1=fa;f2=fc;f3=fb.在坐標(biāo)面內(nèi)過(X1，f1),(X2,f2),(X3,f3)三個(gè)點(diǎn)可構(gòu)成一個(gè)二次插值函數(shù)，該函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　P(x)

92、對(duì)x求導(dǎo)，可得極小點(diǎn)</p><p><b>　　，</b></p><p>　　將X1，X2，X3代入（4-7），可得到方程組：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（2）</b></p><p><b>

93、　　；（3）</b></p><p>　　由上面的方程組并聯(lián)得</p><p><b>　　可得到：</b></p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　令:;代入（4-8）得：</p><p><b>　　（4-9）</b

94、></p><p>　　由式（4-9）求出的XP是插值函數(shù)的極小點(diǎn)，也是目標(biāo)函數(shù)的一個(gè)近似點(diǎn)，以該點(diǎn)作為下一次縮小區(qū)間的一個(gè)中間插入點(diǎn)，并在新的插值區(qū)間中采用上述方法繼續(xù)尋找中間插入點(diǎn)，使得插入點(diǎn)不斷的向極小點(diǎn)逼近，直到兩個(gè)相鄰插入點(diǎn)的距離充分小時(shí)，那么所得的最后一個(gè)插入點(diǎn)就近似的認(rèn)為是所求函數(shù)的極值點(diǎn)。</p><p>　　圖4-6二次插值法尋優(yōu)示意圖</p><

95、;p>　　4.3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)</p><p>　　本系統(tǒng)的軟件采用C語言進(jìn)行編程（程序見附件），通過JATG接口下載入C8051F020單片機(jī)內(nèi)并使用Keil C編譯器進(jìn)行調(diào)試。本系統(tǒng)的軟件主要包括以下5個(gè)方面：（1）主程序：在這里主要完成對(duì)I/O口、定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換接口等硬件電路初始化。（2）AD采樣子程序：對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（3）數(shù)據(jù)處理子程序：在這里主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾

96、波來消除一些異常數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)工作的錯(cuò)誤影響。（4）二次插值子程序：在這里單片機(jī)將對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理并正確的尋找出系統(tǒng)在當(dāng)前工作環(huán)境下的最大功率點(diǎn)。（5）登山法子程序：當(dāng)采用二次插值子程序找到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)后將通過登山法使得系統(tǒng)始終動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)附近。</p><p>　　4.3.1 信號(hào)的采集</p><p>　?。?）A/D采樣子程序</p><p&

97、gt;　　數(shù)據(jù)的采集是能否正確找到系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的一個(gè)關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中AD采樣子程序?qū)?huì)被反復(fù)調(diào)用以便計(jì)算出在不同占空比控制下系統(tǒng)的輸出功率。在實(shí)際工作過程中AD采樣子程序采取查詢方式進(jìn)行工作，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波，來獲得該工作點(diǎn)的電壓和電流值。</p><p>　　本系統(tǒng)采用向AD0BUSY位寫“1”來啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中通過查詢AD0INT位來確定轉(zhuǎn)換是否完成。查詢的步驟如下：</p>

98、<p>　?、傧駻D0INT位寫0；</p><p>　?、谙駻D0BUSY位寫1；</p><p>　?、鄄樵儾⒌却鼳D0BUSY位變成1，如為1表示轉(zhuǎn)換已結(jié)束，如為0表示轉(zhuǎn)換還在繼續(xù)；</p><p>　?、芴幚鞟DC0的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；</p><p>　　4.3.2 八位脈寬調(diào)制程序</p><p>　

99、　在C8051F020中PCA的每個(gè)捕捉/比較模塊都可以對(duì)立的用在對(duì)應(yīng)的CEXn引腳產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）輸出。PWM輸出頻率取決于PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的時(shí)基，使用模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn來改變PWM輸出信號(hào)的占空比，當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的低字節(jié)（PCA0L）與PCA0CPLn中的數(shù)值相等時(shí)，CEXn引腳上的輸出被置1；當(dāng)PCA0L中的計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，CEXn輸出被復(fù)位，當(dāng)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的低字節(jié)PCA0L溢出時(shí)，保存在PC

100、A0CPHn中的值被自動(dòng)裝入PCA0CPLn。8位PWM方式的占空比D由公式（4-11）給出：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　由上式可知，最大占空比為100%（PCA0CPHn=0）,最小占空比為0.39%（PCA0CPHn=0xFF）,可通過EC0Mn位清0產(chǎn)生0%的占空比[13,14]。</p><p&g

101、t;　　4.3.3登山法尋找最大功率點(diǎn)</p><p>　?。?）工作原理和軟件流程</p><p>　　登山法的實(shí)現(xiàn)思想是采用自尋優(yōu)方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的跟蹤，由于太陽能電池的輸出功率P與占空比D之間的函數(shù)關(guān)系是以非線性的單峰函數(shù)，輸出功率受到占空比D的控制，因此可以通過調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。</p><p>　　由于系統(tǒng)輸出的PWM波頻率為20KH

102、z，周期為50μS，可令脈沖寬度在0.5─50μS之間變化，共100個(gè)脈沖寬度，即可以通過公式（4-11）使得對(duì)于占空比的控制每次最小的調(diào)整量為1%，尋優(yōu)過程如圖3-7所示，通過改變占空比尋優(yōu)出最大功率點(diǎn)PMAX所對(duì)應(yīng)的占空比D5。</p><p>　　圖3-7尋優(yōu)過程示意圖</p><p>　　系統(tǒng)的軟件控制流程如下圖4-8、4-9和4-10所示，工作初始點(diǎn)的占空比D設(shè)定為0.5。<

103、;/p><p>　　圖4-8登山法尋找系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)</p><p>　　圖4-9二次插值法初始值的確定</p><p>　　圖4-10二次插值法尋找系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)</p><p>　　第五章 鋰電池充電部分設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1鋰電池充電方法</p><p>　　充電管理是鋰電池管理

104、系統(tǒng)的重要組成部分，它對(duì)電池的特性及壽命有著至關(guān)重要的影響。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，充電手段越來越豐富，充電方式對(duì)電池及應(yīng)用環(huán)境的針對(duì)性也越來越強(qiáng)。目前鋰電池充電主要有四種方法：恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電和脈沖充電[15,16]。</p><p>　?。?）恒流充電（CC）</p><p>　　恒流充電根據(jù)其充電電流的大小，又可分為浮充充電（又稱涓流充電）、標(biāo)準(zhǔn)充電及快速充電。此方法

105、在整個(gè)充電過程中采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖5-1所示。這種方法操作簡(jiǎn)單、方便，特別適合對(duì)由多個(gè)電池串聯(lián)的電池組進(jìn)行充電。但由于鋰電池的可承受電流能力是隨著充電過程進(jìn)行而逐漸下降的，在充電后期，若充電電流仍不變，充電電流多用于電解質(zhì)，將產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)的脫落，影響鋰電池的壽命。</p><p>　　圖5-1恒流充電曲線</p><p>　?。?）

106、恒壓充電法（CV）</p><p>　　在恒壓充電法中，充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖5-2所示。從圖中可以看出，充電初期充電電流過大，這樣對(duì)鋰電池的壽命會(huì)造成很大的影響。</p><p>　　圖4.2恒壓充電法曲線</p><p>　?。?）恒流恒壓充電法（CC/CV）</p>&

107、lt;p>　　在CC/CV充電器中，充電通過恒定電流開始。在恒流充電CC周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的端電壓時(shí)，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在CC充電期間，電池可以以較高電流強(qiáng)度進(jìn)行充電，這期間電池被充到大約85%的容量。在CV周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降到低于電池1/10的容量時(shí)，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖5-3所示。</p><p

108、>　　4-3恒流恒壓充電法曲線</p><p><b>　?。?）脈沖充電法</b></p><p>　　脈沖充電方式是比較新的一種充電方式。脈沖充電法是從對(duì)電池的恒流充電開始的，大部分的能量在恒流充電過程中被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓VCV后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的

109、對(duì)電池進(jìn)行充電。每次充電時(shí)間為TC后,然后關(guān)閉充電回路。充電時(shí)由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升并超過充電終止電壓VCV；當(dāng)充電回路被切斷后，電池電壓又會(huì)慢慢下降。電池電壓恢復(fù)到VCV時(shí)，重新打開充電回路，開始下一個(gè)脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會(huì)漸漸充滿，電池端壓下降速度也漸漸減慢，這一過程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)到VCV的時(shí)間達(dá)到某個(gè)預(yù)設(shè)的值T0為止，可以認(rèn)為電池已接近充滿，如圖5-4所示。</p>&l

110、t;p>　　5-4脈沖充電法曲線</p><p>　　在以上四種充電方法中，鋰電池充電仍以恒流恒壓的方法為主。雖然恒流恒壓充電需要復(fù)雜得多的電路來實(shí)現(xiàn)，但由于其充電時(shí)間短，充電效率高，因此在鋰離子電池充電中占主導(dǎo)地位。本系統(tǒng)所應(yīng)用的充電器也將采用這種充電方法。</p><p>　　5.2 MAX1898介紹</p><p>　　本系統(tǒng)手機(jī)充電器部分將采用鋰離子

111、電池充電器MAX1898，下面對(duì)MAX1898進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。MAX1898和外部晶體管PNP或PMOS組成一個(gè)鋰離子充電器，可精確地恒流和恒壓充電，充電電壓的精度可達(dá)±0.75%[17,18]。</p><p>　　5.2.1功能介紹： </p><p>　　電壓精度達(dá)±0.75% </p><p><b>　　充電電流可控 <

112、/b></p><p>　　帶自動(dòng)輸入電源監(jiān)視器 </p><p><b>　　內(nèi)部檢流電阻 </b></p><p>　　LED充電狀態(tài)指示器 </p><p>　　可控的安全充電時(shí)間 </p><p><b>　　電流大小監(jiān)視輸出 </b></p>&

113、lt;p><b>　　可選擇的自動(dòng)重啟 </b></p><p>　　5.2.2引腳功能介紹：</p><p>　　IN(Pin1)：電源輸入引腳，檢測(cè)輸入電壓或電流。</p><p>　?。≒in2）：充電狀態(tài)指示引腳，可驅(qū)動(dòng)LED來進(jìn)行狀態(tài)顯示。</p><p>　　EN/OK（Pin3）：使能輸入引腳/輸入電

114、源OK輸出提示引腳。如果作為輸入引腳，可以通過EN輸入禁止芯片工作；如果作為輸出引腳，可以通過OK提示輸入電源是否與充電器連接。</p><p>　　ISET（Pin4）：充電電流調(diào)節(jié)引腳。通過連接一個(gè)電阻接地來設(shè)置充電的最大電流。</p><p>　　CT（Pin5）：安全充電時(shí)間設(shè)置引腳。通過連接一個(gè)電容接地來設(shè)置最大充電時(shí)間。當(dāng)外接電容為100nF時(shí)，最大充電時(shí)間約為三小時(shí)。CT引腳