華南理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章緒論1.1本課題研究背景全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越迅速，然而，能源問題卻阻擋了人們發(fā)展的速度。自上個(gè)世紀(jì)末開始，能源枯竭成為了世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源與可持續(xù)發(fā)展之間的問題也越來越嚴(yán)重。隨著社會大力發(fā)展工業(yè)，對能源的需求量越來越大，煤、石油、天然氣等不可再生能源存儲量急劇減少。不可再生能源的行程需要機(jī)器漫長的時(shí)間，開采利用后，短期內(nèi)是無法再次形成的，社會發(fā)展對能源的巨大需求，有限的不可再生能源是無法長期供應(yīng)的。所以，如果人們持續(xù)對能源進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)利用，將導(dǎo)致不可再生能源的逐漸減少，最終，能源危機(jī)阻止人類發(fā)展。隨著人口的增多，二氧化碳含量和各種汽車尾氣、工業(yè)廢氣的排放已經(jīng)嚴(yán)重影響到現(xiàn)在的環(huán)境質(zhì)量了，嚴(yán)重的霧霾和南北極冰川的融化就是最好的證明了，而不可再生能源使用后會排放出大量有害氣體，例如二氧化碳、二氧化氮?dú)怏w等，這些都會造成環(huán)境污染。這些逐漸顯現(xiàn)不斷惡化的現(xiàn)象，迫使人們尋求無污染的清潔能源，而太陽能就是人們最優(yōu)質(zhì)的選擇。太陽能發(fā)電是利用太陽光和半導(dǎo)體經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)生電，太陽能電池板發(fā)電過程不會產(chǎn)生其他任何有害物質(zhì)，發(fā)電完成后也不會產(chǎn)生有害物質(zhì)。合理開發(fā)我們身邊的太陽能，光能開發(fā)獎成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動力。目前手機(jī)行業(yè)更新?lián)Q代的速度非?？欤謾C(jī)的功能也越來越豐富，在相應(yīng)的使用量和耗電量上就會明顯的增多，出去游玩或者外出時(shí)間過長經(jīng)常會面臨著手機(jī)沒電的情況。手機(jī)就無法使用其功能了，會給使用者帶來很大的麻煩和損失。為了解決這個(gè)問題，利用太陽能轉(zhuǎn)換的特性，設(shè)計(jì)了一款便攜式的太陽能充電器，可以隨時(shí)隨地給手機(jī)、相機(jī)、MP3等電子產(chǎn)品充電，滿足戶外活動和日常生活的充電需求。太陽能是人類目前可以無限量獲得和使用的能源，只要我們能好好開發(fā)和研究，將這無窮無盡的能源好好利用，這會是一筆寶貴的財(cái)富。而且太陽能是最重要的基本能源，許多其他的可再生能源都來自于太陽能，比如說水能、風(fēng)能。我們每日沐浴在陽光下，享受著無窮無盡的太陽能，因此，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有非常廣闊的市場前景。1.2國內(nèi)外能源情況分析1.2.1國外能源情況分析全世界的不可再生資源的儲備量非常豐富，但是隨著人口的快速增長和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的，不可再生資源的儲備量將日益以不可估量的速度快速消耗。不可再生資源可劃分為各個(gè)地方地下埋藏著的，還有海底埋藏著的煤炭、天然氣、石油等，這些不可再生能源都是地球上在選擇了合適的環(huán)境，經(jīng)過漫長的時(shí)光才演變而成的。隨著科學(xué)技術(shù)的日以先進(jìn)，人類發(fā)現(xiàn)的煤礦資源增多，同時(shí)開發(fā)的煤礦和石油產(chǎn)地也變多了。隨著全世界煤炭供應(yīng)的減少，世界煤炭產(chǎn)量自2014年開始下降，2014-2016年世界煤炭產(chǎn)量分別為81.98億噸、79.61億噸、74.60億噸，全球供應(yīng)量日益減少。而煤礦、石油這些不可再生資源，是用一點(diǎn)少一點(diǎn)的。2016年亞太地區(qū)消耗了全世界大部分的煤炭資源，中國和印度消費(fèi)超過了全球的60%，大大影響了全球煤炭市場的需求。主要能源除了煤炭以外，還有石油，也是大量的消耗品。而中東作為石油出口大國，出口量非常大，但是這種情況持續(xù)不來多久了，因?yàn)樾率偷拈_采非常困難，其他各國的油田也是如此。由于眾多行業(yè)和汽車等對石油的依賴性非常大，所以是有的價(jià)格將會非常影響國際經(jīng)濟(jì)社會的變化。例如過于依賴石油煤炭含量雖然豐富，但是在沒有高科技新能源替代的情況下，煤炭含量不足以供給愈發(fā)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會。而且大量使用化石能源會造成非常嚴(yán)重的環(huán)境污染。大量發(fā)展工業(yè)排出的二氧化碳等廢棄物會導(dǎo)致的全球溫室效應(yīng)，現(xiàn)在南北極冰川也開始融化從而導(dǎo)致的海平面的上升，嚴(yán)重影響了許多國家和地區(qū)，工業(yè)和其汽車尾氣中排出的許多有害氣體導(dǎo)致的霧霾，排出的二氧化硫氣體形成的酸雨破壞力地表生態(tài)平衡。在這次疫情中，NASA和ESA的環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星檢測到中國和意大利封城后二氧化氮明顯減少。圖1-12020年1月20日和2月25日隔離期間中國各地上空的二氧化氮對比二氧化硫和二氧化氮主要來源于煤炭排放的脫硫脫硝不嚴(yán)格、不完全。我國是煤耗打過大國，煤炭消費(fèi)占到了全球近一半，而這些煤炭消費(fèi)主要是源于工業(yè)鍋爐、居民采暖、燃煤電站和煤化工行業(yè)，疫情期間停工停產(chǎn)還是帶來相當(dāng)大影響。所以對于采取新能源的措施是刻不容緩，使我們立足于未來科技發(fā)展的重要舉措。開采新能源，不僅是為了保護(hù)環(huán)境，保護(hù)地球，保護(hù)我們的生態(tài)家園，更是為了我們的科技事業(yè)能夠開創(chuàng)全新的局面，立足于新起點(diǎn)。1.2.2國內(nèi)能源情況分析同樣是以煤炭為例子，我國的煤炭儲量豐富，是世界比較豐富的地區(qū)。目前我國工業(yè)發(fā)展水平是處在以煤炭消耗為主逐漸轉(zhuǎn)向以石油消耗為主的階段，雖然人們?nèi)粘Ｒ呀?jīng)在大量使用石油了，無論是企業(yè)還是個(gè)人，對石油的需求都非常的大。但是煤炭的消耗依然是我國能源消耗的大頭。我國大部分的電力、粗鋼、水泥、合成氨以及煤制油、烯烴、乙二醇、甲醇等等都需要煤炭作為基礎(chǔ)物質(zhì)，這些都是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。再大的儲備量也有被消耗完的一天，而且由于我國南方地區(qū)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，加大對能源的需求，而我國煤炭資源分布偏西偏北，煤炭的運(yùn)輸就是一個(gè)復(fù)雜而且耗時(shí)的事情。我國已經(jīng)有許多企業(yè)正在研發(fā)和使用新能源為企業(yè)提供電力，例如開發(fā)太陽能。太陽能是一種無污染、無危害的清潔能源，非常適合我們開發(fā)研究。特別是我國西北部日照時(shí)間長、陽光持續(xù)時(shí)間長、光線非常的充足，而且西北地區(qū)人口偏少，土地遼闊，非常適合開展太陽能供電這個(gè)項(xiàng)目[1]。我國的東北地區(qū)是工業(yè)非常發(fā)達(dá)的地區(qū)，耗電量也非常的大，而我國目前還主要有煤炭來供電，所以如果由西北地區(qū)的太陽能懂點(diǎn)，運(yùn)輸?shù)綎|北地區(qū)，這將會大大改善東北地區(qū)的電力提供情況，還會大大改善東北地區(qū)由于大量燃煤導(dǎo)致的霧霾等環(huán)境問題。我們有著充分的優(yōu)勢去利用太陽能源，由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，現(xiàn)有的石油、煤炭等不可再生能源已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)增長對能源的需求了，而且我國太陽能充足，利用太陽能來替代不可再生能源是我們的首要選擇。1.3清潔能源的對比選擇目前常見的可再生資源主要有太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒊毕?、氫能、生物能。我們主要介紹對比一下這太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮芩姆N能源的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢。太陽能是一種環(huán)保、安全、無污染的新型能源。我國新疆和西藏地區(qū)的太陽能資源是非常豐富的，日照時(shí)間長、陽光充足、地廣人稀等優(yōu)點(diǎn)都為我國太陽能資源打下了良好的基礎(chǔ)。而且太陽能作為一種優(yōu)秀的可再生資源，是無限量地給予人類，是公平的，每個(gè)人都可以享受到的，是免費(fèi)的，不受任何人或者機(jī)構(gòu)所控制的。風(fēng)能同樣是可再生能源并且同樣是潔凈環(huán)保的能源，風(fēng)能主要可以分為：風(fēng)作為動力和風(fēng)發(fā)電兩種情況，其中又以風(fēng)力發(fā)電為主。以風(fēng)作為動力帶動其他物體的裝置在人類歷史上早就有了，以人類的智慧做出來帶動水泵提水等這種風(fēng)力發(fā)動機(jī)。經(jīng)過漫長時(shí)間的研究進(jìn)步，風(fēng)能已經(jīng)可以很好的被人類所利用了，風(fēng)能裝置日以進(jìn)步，在荷蘭還有其他許多國家空曠的崎嶇，風(fēng)力發(fā)電已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它發(fā)電機(jī)的成本了，這些空曠地區(qū)也非常適合風(fēng)力發(fā)電?？赡芨蓴_鳥類的正常行動是風(fēng)力發(fā)電的缺點(diǎn)之一，建造風(fēng)力發(fā)電站后鳥類動物會減少。在一些貧困落后的地區(qū)雖然后地理上的優(yōu)勢，但是經(jīng)濟(jì)上無法支持他建造風(fēng)力發(fā)電裝備，而且許多地區(qū)的風(fēng)不能持續(xù)穩(wěn)定的供給，具有不確定性。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備會產(chǎn)生巨大的噪音，所以選擇作為風(fēng)力發(fā)電廠的地方一定要夠大，最好地廣人稀。水能作為一種可再生能源，學(xué)過初中物理的我們都知道，水能是指利用水的動能、誰的落差形成的勢能，還有水壓轉(zhuǎn)換成我們需要的能量。隨著不可再生資源的日漸減少，水能變得非常重要，而且特備受人滿所感興趣。在我國水能發(fā)電最出名的就是三峽大壩水電站了，三峽水電站的建成，為我國電力注入了一大股能量。水力發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)都有很多，以三峽水電站為例，三峽水電站作為全世界最大的水力發(fā)電站，所產(chǎn)生的電能是非?？捎^的，在水電站建好開始發(fā)揮作用至2019年累計(jì)生產(chǎn)了1000億千瓦時(shí)的清潔電能。三峽水電站建成之后再防洪、航運(yùn)、養(yǎng)殖還有美化環(huán)境等方面都做得特別好，尤其是防洪能力。但是勢能發(fā)電所造成的污染也是很大的，首先三峽的建成就使得一百多萬人遷徙離開，同時(shí)造成了水庫的污染，還有水流靜態(tài)化，使得河流的水流能力減弱，污染物的滯留嚴(yán)重污染了周圍環(huán)境，再者因?yàn)橛辛舜髩蔚淖钄r，許多魚類無法正常生活，因?yàn)樗鼈儽淮髩螖r住過不去了，許多珍稀魚類還有植物的生存環(huán)境受到威脅。不僅僅是三峽大壩有這些問題，很多水能發(fā)電的發(fā)電站都會存在這些問題，當(dāng)然，他的優(yōu)點(diǎn)也是我們所不能忽略的，希望在日后可以更好的處理水能發(fā)電的問題，在科技日以進(jìn)步的時(shí)代下，讓水能發(fā)電更好的利用起來。地?zé)崮苁菑某踔械牡乩碚n本可知這是由地殼產(chǎn)生的熱能，例如我們經(jīng)常去泡的溫泉，這種熱能來自地殼的內(nèi)部，并以熱力形式存在，同事這也是一種非?？膳碌哪芰浚?yàn)檫@能量能引起火山爆發(fā)。地?zé)崮茈m然能量可以大到火山爆發(fā)，這種能量也是有很多優(yōu)點(diǎn)的，它分布廣泛，蘊(yùn)藏量也非常的大。因?yàn)檫@種能量是地殼中的，所以建造地?zé)釓S時(shí)間短且容易。但是缺點(diǎn)是所投入的資金非常的大，而且熱源不穩(wěn)定，因?yàn)槭锹癫卦诘氐椎哪芰?。所以流出的熱水會含有很高的礦物質(zhì)，一些有毒氣體會隨著熱氣，而噴入空氣中，造成空氣污染。經(jīng)過以上幾種能源優(yōu)缺點(diǎn)的對比，太陽能比較符合本次設(shè)計(jì)所用到的清潔能源。1.4手機(jī)電池及移動電源產(chǎn)品的描述我國通信行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取得了非常好的成就，手機(jī)電池作為通訊設(shè)備中非常重要的一環(huán)，手機(jī)電池的質(zhì)量和電容量已經(jīng)成為人們衡量這款手機(jī)是否值得購買的重要標(biāo)準(zhǔn)了，在人們的高需求和科技日益發(fā)達(dá)的情況下，手機(jī)電池的質(zhì)量和電容量已顯著提高。目前市場上的電池品種非常多。由于有些電池因?yàn)轶w積大、重量大或者污染性太強(qiáng)，這里就不多過多描述了，主要對受眾較廣的鋰離子進(jìn)行描述。鋰離子從形體上可分為：圓柱形，方殼型還有軟包。而目前市面上大多數(shù)是使用鋰離子電池、聚合物鋰離子電池，這些電池體積非常小，身形很輕薄，再加上環(huán)保無污染的優(yōu)點(diǎn)，成了目前市面上最常見的手機(jī)電池。目前手機(jī)電池行業(yè)發(fā)展已經(jīng)非常成熟了，例如華為mate8，4100毫安的電池，超長待機(jī)24天，1%電量在超級省電模式下可以用10小時(shí)，高清視屏可連續(xù)播放17小時(shí)。目前市面上的移動電源商品技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，但是由于移動電源的使用率非常高，難免有各種山寨廠商甚至小作坊進(jìn)去，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)魚龍混雜，如果買到偽劣產(chǎn)品，那引發(fā)的危害是很嚴(yán)重的。目前市面上的合格的移動電源有很多選擇，在容量方面，有25000毫安的、10000毫安的等等，但是容量越大，它的體積和重量就越大。那如果是在外旅行、登山等活動背著它，就會顯得非常累贅。移動電源體積大，重量大也是移動電源的缺點(diǎn)之一。圖1-2市面上的25000毫安的移動電源1.5本文總體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的充電器主要是通過太陽能電池板，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)在給電子產(chǎn)品充電過程中采用LED燈、數(shù)碼管指示，在有太陽光照射下可正常充電時(shí)，LED等會正常發(fā)亮，當(dāng)沒有太陽光照射時(shí)，會自動轉(zhuǎn)換為蓄電池發(fā)電，讓用電設(shè)備可以及時(shí)充電。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中有保護(hù)電路可以保護(hù)充電產(chǎn)品不會過度充電，避免因電池過度充電而損壞，在電壓的輸出端有USB接口可以方便手機(jī)充電，可以對多種不同用電設(shè)備進(jìn)行充電。文中介紹設(shè)計(jì)的便攜式只能太陽能手機(jī)充電器，比普通的手機(jī)充電器和移動電源更加地便捷，因?yàn)橛刑柧涂梢越o充電產(chǎn)品充電了，不用到處找電源插座或者是到處借移動電源。加上本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的作為核心控制器，有著其強(qiáng)大的功能，設(shè)有完備的電壓電流檢測保護(hù)電路，并通過液晶顯示器觀察電路狀態(tài)，降壓變換器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電部分電壓將13.2v轉(zhuǎn)化成我們無需的5v或者12v的充電設(shè)備供電。圖1-3系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)1.6本章小結(jié)不可再生能源的巨大消耗，以及其需要漫長時(shí)間形成的特點(diǎn)，還有其污染性強(qiáng)，釋放的有害氣體多等特點(diǎn)，人們不得不為了更好的生存環(huán)境而去尋找非化石能源，最好是無污染的不可再生能源的替代品。我們進(jìn)過四種不同可再生能源的分析對比，太陽能具有便捷，只要有陽光就可以使用，而且無限量的優(yōu)勢，最終選擇了太陽能作為本次設(shè)計(jì)清潔能源。在技術(shù)日漸成熟的電池方面，手機(jī)電池的容量已經(jīng)可以達(dá)到一個(gè)非常優(yōu)秀的續(xù)航時(shí)間了，但是對于旅行或者其他活動需要，用電設(shè)備較多的情況下，還有我們需要大量使用手機(jī)或者攝像機(jī)等其他設(shè)備時(shí)，耗電量是非?？斓?，即使有移動電源，也沒法一直續(xù)航，總有耗完電量的情況，而且移動電源的容量越大，它的重量也就越大，就導(dǎo)致背出門會很重。本文設(shè)計(jì)一款便攜、可無限充電、具有自動斷電、可調(diào)節(jié)電壓的太陽能充電器，解決人們戶外用電設(shè)備沒電的情況。第二章太陽能電池的特性研究本太陽能電池組是發(fā)電系統(tǒng)中的核心內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)的太陽能充電器是基于光伏發(fā)電的原理，采用的是體積小、容量大的硅電池，其作用是將太陽能的輻射能直接轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路和控制器中的程序?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)換為我們需要的電壓，繼而為整個(gè)系統(tǒng)提供動力，保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在不需要為負(fù)載使用的時(shí)候，太陽能電池板還可以繼續(xù)轉(zhuǎn)換電腦存儲于蓄電池內(nèi)備用。2.1太陽能電池的發(fā)展太陽能的發(fā)展其實(shí)在很久之前就已經(jīng)有了，人類的智慧是無限的，很久之前就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)了太陽光照射到一定物體上會發(fā)生光能可以轉(zhuǎn)微點(diǎn)能，可以推動機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。而這個(gè)現(xiàn)象在19世紀(jì)的時(shí)候由法國物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)了。隨著人類的進(jìn)一步發(fā)展，科技日漸成熟，人們也從戰(zhàn)爭中解放出來，自然有更多時(shí)間，更多精力去進(jìn)行太陽能的研究，果不其然，太陽能電池的制成給予了人們巨大的信心。后來隨著報(bào)道的逐步認(rèn)識和了解，以及機(jī)器加工技術(shù)的進(jìn)步，有人在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)硅中參入一點(diǎn)雜質(zhì)，太陽能電池板的發(fā)電能力會變強(qiáng)。后來，人們甚至將太陽能發(fā)電應(yīng)用到人造衛(wèi)星上，作為能量的來源。隨著工業(yè)社會的不斷發(fā)展，西苑的大量消耗，在20世紀(jì)70年代爆發(fā)的能源危機(jī)中，各國人民已經(jīng)察覺到虛招可替換能源的重要性了。許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大量使用太陽能裝置，更是朝向商業(yè)化的目標(biāo)前進(jìn)。太陽能發(fā)電技術(shù)在中國還處于早期商業(yè)應(yīng)用階段，但是，相信在科學(xué)家們和哥哥專家以及熱愛太陽能行業(yè)的人士努力下，在政府的計(jì)劃推動下，中國優(yōu)秀能源企業(yè)將會帶著太陽能產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。太陽能在中國具有很大的發(fā)展空間，尤其是中國人口眾多，需求的能量更大，相信在不久的將來，能夠更充分的利用好太陽能這個(gè)優(yōu)秀的能源2.2太陽能電池板的電池組成以具有半導(dǎo)體性能的材料為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)成了太陽能電池板，根據(jù)材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、化合物太陽能電池、納米晶體太陽能電池等。生產(chǎn)的太陽能電池，而且最好不產(chǎn)生污染性物質(zhì)，制作過程中也要減少污染的產(chǎn)生。經(jīng)過幾代人的實(shí)驗(yàn)和努力，終于得出具有半導(dǎo)體性質(zhì)的硅，是最理想的太陽能電池材料，這也是目前在太陽能電池領(lǐng)域硅作為太陽能電池主導(dǎo)地位的原因。下面分析分析一下幾種太陽能電池材料的區(qū)別和優(yōu)缺點(diǎn)。硅太陽能電池又可分為單晶體硅太陽能電池、多晶體硅太陽能電池和薄膜硅太陽能電池,還有由多種材料構(gòu)成的化合物太陽能電池。單晶體硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率是最強(qiáng)的，比大多數(shù)太陽能充電板的準(zhǔn)化率都要高，由于轉(zhuǎn)換率高，較多人研究使用，所以單晶體硅的制作流程是非常成熟的了，可靠性也是非常高的。由于轉(zhuǎn)化率高，它的制作成本也是非常高的。由于單晶體硅太陽能電池一般采用鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，因此堅(jiān)固耐用，使用壽命可長達(dá)15年，最高可長達(dá)25年[2]。多晶體硅太陽能電池的制作工藝過程和所使用的的原材料都比單晶硅太陽能電池要低，但是光電轉(zhuǎn)化率也相對較低，由于對鏡柜太陽能電池的性價(jià)比非常高，廣泛受到廠商的喜愛，還有各行業(yè)科研人員的青睞。再加上，多晶體硅太陽能電池的使用時(shí)間較短。整體來說，多晶硅太陽能電池更符合人們的要求。薄膜硅太陽能電池與前兩種太陽能電池有很大的不同，特別是硅材料消耗非常少[3]。這種太陽能電池在陽光很微弱的時(shí)候都能吸收到能量從而轉(zhuǎn)換為電能，但是它的光轉(zhuǎn)化率比前兩款都要低，所以在薄膜硅太陽能電池的研究上還要再繼續(xù)加油?；衔锾柲茈姵厥嵌喾N類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的。由于化合物太陽能電池種類很多，所以很多都還處于實(shí)驗(yàn)階段，都未工業(yè)化生產(chǎn)。所以這里就不詳細(xì)描述了。納米晶化學(xué)太陽能電池作為一款能存活時(shí)間比較長的一種新型太陽能電池，但是制作材料貴，所以大部分人不會選擇這種新型太陽能電池。經(jīng)過以上的介紹和分析，我們選擇的是多晶硅太陽能電池。2.3太陽能電池板的工作原理太陽能電池工作原理的是基于硅原子內(nèi)部的特殊活動，里面的空穴和電子經(jīng)過外圍電路，最終形成電流。電流再經(jīng)過電路和控制器的轉(zhuǎn)換等形成我們所需要的電流電壓。現(xiàn)在的控制技術(shù)中將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的方式有兩種，分別是光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，下面詳細(xì)介紹一下這兩種發(fā)電的特點(diǎn)和區(qū)別。光伏發(fā)電的主要原理是利用半導(dǎo)體內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)形成電流，聽過設(shè)計(jì)好的電路形成我們需要的電流，繼而為用電產(chǎn)品充電。光伏發(fā)電在我國許多企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用了，許多大型企業(yè)在廠區(qū)內(nèi)設(shè)置了大量的太陽能電池板，企業(yè)利用光伏發(fā)電為生產(chǎn)設(shè)備提供能源，用不完的電能還可以供給附近的社區(qū)居民，是值得政府提倡的節(jié)能環(huán)保行為。而且光伏發(fā)電過程中不會產(chǎn)生噪音或者其他污染物，光伏發(fā)電后也不會有其他不好的影響，是非常適合小區(qū)居民和大型工業(yè)基地所使用的。太陽能光熱發(fā)電是利用太陽光照射轉(zhuǎn)換成熱能，由內(nèi)部組織的集熱器通過太陽能聚集的熱能驅(qū)動水蒸氣從而形成電能。我國光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)有所發(fā)展了，特別是太陽能熱水器，在云貴高原和西北地區(qū)得到很好的應(yīng)用，因?yàn)楦咴貛邮盏降年柟夥浅５某渥?，在這些地方使用太陽能熱水器就可以最大程度的利用太陽光。光熱轉(zhuǎn)換在我國技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，特別是在熱水器行業(yè)，為人們提供了非常節(jié)能環(huán)保而且便利的生活。而且本文設(shè)計(jì)的是太陽能手機(jī)充電器，屬于小型供電用品，光伏發(fā)電比較適合。2.4本設(shè)計(jì)采用太陽能電池板的型號根據(jù)不同的充電要求，可以有不同的太陽能電池板組合。本文以人們常用的充電設(shè)備，例如手機(jī)、MP3等充電產(chǎn)品。所選用的太陽能電池板技術(shù)參數(shù)如下：尺寸120mm×45mm，峰值電壓6V，峰值電流100mA，標(biāo)稱功率0.6W。圖2-2太陽能電池板2.5本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了太陽能電池的類型，在了解和研究不同太陽能電池的材料、工藝過程、原料構(gòu)成、以及電池的光轉(zhuǎn)換率還有性價(jià)比等情況，選擇一款污染性較弱，同時(shí)在光轉(zhuǎn)化率方面符合本設(shè)計(jì)的要求。然后詳細(xì)描述了太陽能電池的發(fā)電方式，通過分析比較光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的原理和不同點(diǎn)，經(jīng)過一系列的對比后選擇了光伏發(fā)電的多晶硅太陽能電池。本設(shè)計(jì)出了使用到太陽能電池以外，還會增加一個(gè)蓄電池作為備用電池，太陽能電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化后不僅可以為通信產(chǎn)品充電，還可將電量儲蓄在蓄電池中，以備光線不足時(shí)可以給充電設(shè)備充電。

第三章硬件電路的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案就是將整個(gè)充電設(shè)備放在陽光下，將太陽能電池板垂直照射陽光，通過光伏發(fā)電，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過手動開關(guān)裝置打開開關(guān)，電路接通，太陽能接通到TP4056電池充電管理芯片，給鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池充電后經(jīng)過升壓模塊，然后給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行放電。下面會詳細(xì)說明整個(gè)電路設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，分別介紹各個(gè)部分的電路情況。3.2控制電路設(shè)計(jì)3.2.1控制系統(tǒng)介紹51系列單片機(jī)由于其強(qiáng)大的功能讓它始終成為許多人選擇它來當(dāng)核心控制器的原因。本設(shè)計(jì)所采用的的控制系統(tǒng)是AT89C51，利用其便宜好用的特點(diǎn)，又能展現(xiàn)復(fù)雜的功能優(yōu)勢，作為本設(shè)計(jì)的核心大腦。AT89C51主要優(yōu)點(diǎn)有：是一款必須通過編程器編程。具有12T模式，速度較慢。有兩個(gè)16位定時(shí)器[4]。工作電壓是5.25v~4.75v。程序空間是4K，雖然是老式的單片機(jī)，但是對于本設(shè)計(jì)來說足夠了。圖3-1單片機(jī)原理圖3.2.2控制系統(tǒng)核心電路本設(shè)計(jì)以AT89C51作為核心控制器，如圖3-2所示，核心電路有左上角的復(fù)位電路，左下角的時(shí)鐘晶振電路組成。復(fù)位電路有手動按鍵按下周之后是高電平，然后接通到上電自復(fù)位，一個(gè)10k的電阻加上一個(gè)10μF的電容組成了一個(gè)上電自復(fù)位。左下角是由一個(gè)時(shí)鐘晶振兩個(gè)磁片所構(gòu)成的時(shí)鐘晶振電路。圖3-2單片機(jī)核心電路時(shí)鐘晶振電路的作用是單片機(jī)在工作過程中為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。晶振，在PCB板上看上去很不明顯，但是在數(shù)字電路里，晶振就是整個(gè)電路的核心位置，晶振電路設(shè)計(jì)的好壞，會影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，一定要在研究電路前好好了解晶振，選擇好系統(tǒng)使用晶振，對數(shù)字電路來說是決定成敗的一步。在晶振的控制下，所有工作指令都要通過它。所以每一條指令就是血管，晶振就是每根血管都要流過的地方。在單片機(jī)原理課程組，我們知道按鍵主要分為兩種，一種是獨(dú)立按鍵，另一種是矩陣鍵盤。因?yàn)?1單片機(jī)的IO口必須是準(zhǔn)雙向口，要先將IO口置1，才可以使IO輸入口具備功能置1，將按鍵按下，IO口的電平會被拉低，即被置0。按鍵按下時(shí)由于力的原因，會產(chǎn)生一個(gè)抖動的過程。由于單片機(jī)檢測

IO口速度非?？?。所以當(dāng)單片機(jī)需延時(shí)一會才能再檢測IO是否為0，如果仍為0就確認(rèn)該按鈕被按下。IO口里面有上拉電阻，所以當(dāng)松開按鈕時(shí)，IO口又被拉高。在本設(shè)計(jì)中由于按鍵數(shù)目非常少，而且安監(jiān)控能較為簡單，所以采用獨(dú)立按鍵法，這樣可以減小編程的難度，圖3-3為本設(shè)計(jì)的按鍵電路圖。復(fù)位按鍵手動按下之后變?yōu)楦唠娖剑ㄟ^一個(gè)10k的電阻和一個(gè)10μF的電容組成了一個(gè)上電自復(fù)位。因?yàn)閱纹瑱C(jī)屬于小型處理器，這些小型處理器都是采用數(shù)字電路芯片，這些數(shù)字電路芯片是需要時(shí)鐘信號的出發(fā)才可以工作的。從一開始給整個(gè)系統(tǒng)供電到時(shí)鐘電路正常起振是需要一段時(shí)間的。上電復(fù)位是所有處理器都必須要有的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果缺少了這個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)會非常容易出錯(cuò)，還找不出來，導(dǎo)致其他軟件和各部分都對了的情況下，這個(gè)沒法做。圖3-3按鍵電路圖3.2.4數(shù)碼管顯示電路本設(shè)計(jì)采用基于串口的LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路，而LCD1602液晶顯示器是點(diǎn)陣式的液晶屏，在左邊VCC在調(diào)節(jié)背光亮度的是10k可調(diào)電阻，LCD1602下方的八個(gè)引腳直接和單片機(jī)的P0口相連接。LCD1602是一種廣泛使用的字符型液晶顯示模塊。如圖所示，整個(gè)顯示電路是由LCD和可調(diào)電阻，VCC、電容元器件和其他結(jié)構(gòu)件組成。圖3-4液晶顯示電路3.2.5DC/DC變換電路DC/DC電路就是升壓電路，意思就是將太陽能電池板中轉(zhuǎn)換出來的DC直流電源，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，變?yōu)榻涣麟娫词褂谩Ｓ捎诋a(chǎn)生了交流電源，所以本設(shè)計(jì)可以較好地升壓或者降壓，來給不同需求的充電設(shè)備進(jìn)行充電。在升壓電路中還要設(shè)置保護(hù)電路，來保護(hù)電池不會過充而導(dǎo)致?lián)p壞，還能起到保護(hù)電流的作用。DC-DC主要有：boost（升壓）、buck（降壓）、Boost/buck（升/降壓）和反相結(jié)構(gòu)[5]，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流、輸入電壓范圍較寬等特點(diǎn)，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大、成本相對較高。開關(guān)電源利用對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制可實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)壓變換器廣泛應(yīng)用于便攜裝置（如筆記本計(jì)算機(jī)、蜂窩電話、PDA等）中[6]。本文所采用的直流開關(guān)變換器的調(diào)制方式是脈沖寬度調(diào)節(jié)模式（PWM）[7]。PWM重載時(shí)效率高，噪聲低且比PFM易實(shí)現(xiàn)，是主流應(yīng)用。圖3-5升壓模塊電路電壓電流A/D采集電路ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是一個(gè)通道型的芯片。NS公司生產(chǎn)的串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換器，通過三線接口與單片機(jī)鏈接，功耗低，性能借個(gè)比高，適宜在袖珍式的智能儀器儀表中使用[8]。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字化測量和顯示儀表的重要組成部分，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、精度和分辨率都非常直接的影響著測量結(jié)果和顯示的質(zhì)量參數(shù)。在硬件電路設(shè)計(jì)過程中在，研究者要清楚單片機(jī)與ADC0832芯片各個(gè)引腳的連接，以及它們之間的信號傳輸。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前，要多看ADC0832芯片的各個(gè)引腳的功能以及工作時(shí)序、數(shù)據(jù)信號端口的設(shè)置等等，在軟件開發(fā)過程中，寫程序的時(shí)候尤其嚴(yán)格按照程序圖來。圖3-6ADC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳圖ADC0832有DIP和SOIC兩種封裝，DIP封裝的ADC0832引腳排列如圖6.21所示。各引腳說明如下：CS片選端，低電平有效CH0,CH1兩路模擬信號輸入端D1兩路模擬輸入選擇輸入端DO模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端CLK串行時(shí)鐘輸入端Vcc/REF正電源和基準(zhǔn)電壓輸入端GND電源地需要注意的ADC0832芯片的DO和DIO是連接在一起的，組成了一個(gè)引腳。這個(gè)模塊主要主要是采集升壓過后充電口的升壓數(shù)據(jù)，并做出實(shí)時(shí)動態(tài)顯示。3.2.7太陽能接口充電電路太陽能接到TP4056電池充電管理芯片，給鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池充電之后通過升壓模塊，給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行放電。TP4056是一款線性充電器，TP4056主要是配合USB電源和適配器的動作。由于內(nèi)部的特殊構(gòu)造，TP4056具有防止電量過充的功能，可簡化電路，不需要加其他的元器件進(jìn)來。由于有了TP4056，可以使系統(tǒng)的充電電壓鎖定于4.2V，而充電電流可通過一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。當(dāng)充電電壓到達(dá)一定值時(shí)，TP4056就會自動停止充電，防止手機(jī)電池在不停的充電，這樣會使手機(jī)電池發(fā)燙，加速電池的損壞速度，同時(shí)，電池發(fā)熱是一件很危險(xiǎn)的事情。電池爆炸事件前幾年還頻頻發(fā)生，造成的后果都非常嚴(yán)重，所以防過充功能在太陽能充電設(shè)計(jì)方面是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。它相當(dāng)于電閘中的熔斷器，可以很好的守護(hù)手機(jī)電池的安全。3.3本章小結(jié)本章節(jié)主要是分別對時(shí)鐘晶振電路、按鍵電路、液晶顯示電路、DC/DC變換器電路、數(shù)據(jù)采集電路和太陽能充電電路進(jìn)行分析。主要的電路流程是：按下開關(guān)電源，電路接通，給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。太陽能充電板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，通過升壓電路調(diào)節(jié)電壓，得到我們想要的電壓，在液晶顯示屏上顯示出來。電路功能主要是將太陽能電池板的直流輸入轉(zhuǎn)換為5v、12v的直流電供日常設(shè)備使用，可以達(dá)到一個(gè)便攜充電設(shè)備。本章分析了降壓電路的工作原理和調(diào)節(jié)方式的選擇，總結(jié)各個(gè)電路狀態(tài)的特點(diǎn)，使得整體電路能達(dá)到我們的要求第四章軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)整體程序框架硬件電路完善后，沒有軟件的支持，發(fā)揮不出作用的，有了軟件程序的加持，整個(gè)系統(tǒng)才能呈現(xiàn)出強(qiáng)大的功能。軟件部分設(shè)計(jì)先大概概括一下整個(gè)系統(tǒng)的整體框架，首先是電路初始化啟動，然后電池進(jìn)行充電，選擇輸出并確定，由AT89C51采集計(jì)算輸出PWM信號，由AD數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行定時(shí)采集數(shù)據(jù)，程序整體框架如圖4-1所示。開始初始化電池充電開始初始化電池充電充電子程序電源子程序YesNo結(jié)束圖4-1程序整體框架流程4.2電路啟動初始化大部分電路都需要初始化啟動，不然會導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確或者是其他小問題。每次單片機(jī)通電工作時(shí)，單片機(jī)都會進(jìn)行商店復(fù)位的操作。復(fù)位完成后，會產(chǎn)生許多未知的數(shù)據(jù)在寄存器內(nèi)，而這些數(shù)據(jù)是運(yùn)行人員所沒有想到的，這樣就會造成一系列不必要的麻煩。所以我們每次在單片機(jī)開始運(yùn)行前，都要進(jìn)行清0，使初始參數(shù)設(shè)定好，便于運(yùn)行人員更好的掌控整個(gè)系統(tǒng)的流程以及記過符合預(yù)期。初圖4-2初始化程序流程圖4.3按鍵程序準(zhǔn)備工作完成以后，先讀I/O口[9]，按下鍵請求繼續(xù)輸出PWM信號。進(jìn)入延時(shí)程序，這里的延時(shí)是為了去抖，所以不需要太過于精確的延時(shí)。等單片機(jī)處理后存入緩存。圖4-3為按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖。入口入口讀I/O口處理后存入緩存延時(shí)Y返回N圖4-3按鍵子程序結(jié)構(gòu)流程圖4.4數(shù)碼管顯示子程序數(shù)碼管顯示程序是在液晶顯示器LCD1602的基礎(chǔ)上寫出來的，首先進(jìn)行LCD1602的初始化。這里的液晶顯示屏有兩個(gè)軸，分別是x軸和y軸，y軸一般只有兩個(gè)，而x軸有16個(gè)。在對單片機(jī)數(shù)碼管顯示電路進(jìn)行編程之前，一定要先去了解數(shù)碼管靜態(tài)顯示數(shù)字的功能介紹，雖然這個(gè)大二的時(shí)候在單片機(jī)原理的專業(yè)課上學(xué)過，隨著時(shí)間的增長還有科學(xué)技術(shù)的推陳出新，我們更應(yīng)該好好鞏固和了解更多新知識。對于數(shù)碼管，我們并不陌生，數(shù)碼管就是由八塊發(fā)光二極管組成。而這些發(fā)光二極管里面又分為共陰極和共陽極兩種情況。如圖4-4，就是數(shù)碼管顯示程序，一開始做了個(gè)粗略演示，后面進(jìn)一步做精準(zhǔn)演示1ms，后面就是LCD1602部分的設(shè)置。在接著往下就是LCD1602廠商的出廠規(guī)定程序。圖4-4液晶顯示程序4.5數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序數(shù)據(jù)采集主要由單片機(jī)控制ADC0832完成，同樣是先初始化，進(jìn)行清0處理，保障穩(wěn)定，然后ADC0832進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將電壓的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在ADC0832的液晶顯示屏上，做到將電壓數(shù)據(jù)動態(tài)采集。最后儲存處理結(jié)果。根據(jù)單片機(jī)串口傳輸?shù)淖止?jié)要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式設(shè)置為十六進(jìn)制，并且為了得到較準(zhǔn)確的電壓輸出，將電壓放大10倍（考慮到十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為帶小數(shù)的十進(jìn)制較復(fù)雜。比如處理：實(shí)際輸出電壓為3.5V，處理后的為35V，對應(yīng)的十六進(jìn)制為23）。程序流程如圖4-4所示。入口入口初始化啟動轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換結(jié)束？處理存儲返回NY圖4-4數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換流程圖4.6充電子程序的設(shè)計(jì)充電過程分兩階段進(jìn)行，第一階段為恒流充電，充電電流可設(shè)定，當(dāng)充電電壓達(dá)到4V時(shí)轉(zhuǎn)入第二階段，即4.2V的恒壓充電方式，恒壓充電電流會隨著時(shí)間的推移而逐漸降低，待充電電流降到0.1mA時(shí)，表明電池已達(dá)到額定容量的93%～95%，此時(shí)即可認(rèn)為基本充滿，如果繼續(xù)充下去，充電電流會慢慢降低到零，電池完全充滿[4]。4.7電源子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)太陽能充電器在不竟能給手機(jī)登其他電子產(chǎn)品充電，太陽能充電器內(nèi)還有一塊蓄電池，當(dāng)唐洋你充電板沒有給手機(jī)充電時(shí)，有陽光照射下，太陽能充電器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的電流可以給蓄電池充電。等到陰雨天或者是沒陽光照射到的地方，蓄電池便可以為手機(jī)或者其他充電器充電。4.8本章小結(jié)本章節(jié)主要是對設(shè)計(jì)部分的軟件方面進(jìn)行講述，一開始先對軟件設(shè)計(jì)整體框架進(jìn)行了描述，在程序部分是分塊來寫的，結(jié)構(gòu)非常清晰。一開始是頭文件的定一部分，接著是變量定義部分。接下來是電壓數(shù)據(jù)采集部分，所用到的元器件是一個(gè)十六位的ADC0832，接著對ADC0832引腳的定義。由于0832有CH0和CH1兩個(gè)通道，然后在對0832進(jìn)行調(diào)用。接著就是液晶顯示模塊的程序編寫，先是粗略延時(shí)，后做定時(shí)器的精確延時(shí)大概1ms。然后是LCD1602的廠商出廠規(guī)定程序和初始化。最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將電壓數(shù)據(jù)顯示出來。接下來是主函數(shù)部分，一開始進(jìn)行初始化液晶顯示屏，然后將液晶顯示屏清0，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。ADC0832實(shí)時(shí)處理，將電壓實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，做到對數(shù)據(jù)的動態(tài)采集。程序程后做一個(gè)在程序部分詳細(xì)地對各個(gè)部分中的芯片以及程序流程，還有程序的難點(diǎn)部分進(jìn)行了描述，具體的程序部分會放在附錄，里面。第五章調(diào)試與驗(yàn)證5.1系統(tǒng)環(huán)境系統(tǒng)的測試，我們使用的系統(tǒng)是KeiluVision4[10]，KeilC51是普通版本，只能適用于單片機(jī)，主要是基于8051系列單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境。KeiluVision4擁有非常強(qiáng)大且復(fù)雜的功能，不僅能寫入程序，還能將仿真、調(diào)試等功能都包含在里面。是一款非常值得我們學(xué)習(xí)和研究應(yīng)用的一款軟件，無論是新手還是從事機(jī)電行業(yè)多年的人都適合在這個(gè)軟件上深入學(xué)習(xí)。5.2調(diào)試及調(diào)試結(jié)果我們最后會在KeilC51軟件中對程序進(jìn)行調(diào)試，然后對程序進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)測，待電腦運(yùn)行監(jiān)測完畢，看結(jié)果提示是否有錯(cuò)誤信息，如果有，按照軟件所指出的錯(cuò)誤，根據(jù)提示改正，直到調(diào)試出來的程序沒有問題。經(jīng)過多次調(diào)試，結(jié)果符合預(yù)期。就可以開始焊接電路了，為了防止手法生疏，特地買了兩塊板回來備用著。焊接的順序最好是先小后大，先從最小的元器件焊起，然后再焊接大個(gè)的元器件。當(dāng)你的PCB板弄亂方向是，便要嚴(yán)格按照PCB板上缺口所指的方向，千萬不可馬虎大意。焊接時(shí)要認(rèn)真仔細(xì)，防止虛焊。處理焊接上的小技巧，還有焊接所冒出來的煙不可多吸，自己在家焊接時(shí)沒有學(xué)校的抽風(fēng)系統(tǒng)，所以焊接一會要注意呼吸新鮮空氣，切不可埋頭苦焊一整天。焊接完要立刻洗手，洗干凈了才可以吃東西，因?yàn)楹稿a是有毒的。焊接好以后，嘗試通