基于单片机控制的太阳能手机充电器设计与实现.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书
摘 要
化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有绿色清洁、无环境污染、取之不尽、用之不竭又无地域限制的优势，因此有广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。
使用手机的人都有过这样的经历，外出或旅游时电池突然没电了，特别是在火车、汽车、轮船等没有电源的交通工具上，没电、电量不足，使手机变成了信息交流的盲区，造成不必要的麻烦和经济损失。为了解决这一问题，本文介绍一种多用太阳能手机充电器，利用单片机控制，将太阳能经过BUCK电路变换为稳定直流电给手机充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。
目前对太阳能的利用主要体现在两个方面：光热转换与光电转换，本文利用太阳能光电转换的特性，设计了一种在没有电源的情况下也能随时随地地给各种移动设备充电的便携式智能型太阳能充电器。

关键词：太阳能，电池，单片机，智能，BUCK变换器

Abstract
Increasing depletion of fossil energy, it's emphasis on environmental protection are also rising, look for clean alternative energy issues become more urgent. Solar energy as a renewable energy it has an inexhaustible and clean and safe and so on, so have a broad application prospects, photovoltaic power generation technology is more and more attention, with the PV module continue to lower prices and photovoltaic technology, solar PV systems will gradually supplement the energy from the current transition to alternative energy.
People who use mobile phones have had the experience, go out or travel no electricity when the battery suddenly, and because they can not be found or does not timely 220V electricity and not to charge their cell phones affect the normal use of mobile phones. To solve this problem, the course design introduces a multi-purpose solar charger, use MCU control, will transform solar energy through the circuit to stabilize the direct current to charge their cell phones and can charge the battery automatically stops charging after, but also as a general DC power use, so get rid of dependence on electricity obtained the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has a clear advantage.
At present the use of solar energy is mainly embodied in two aspects: the sunlight transformation and photoelectric, this paper, by using solar photoelectric characteristics, design a way that there is no power it can also charger for various mobile anywhere at any time.

Key words: solar energy, battery, single chip, intelligent, BUCK converter

目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
1 绪论 1
1.1 本课题的研究背景 1
1.2充电器的发展及其简单的类型 1
1.3太阳能充电器 2
1.4光伏发电的特点 3
1.5 本系统设计的总体思路 3
1.6 本课题研究的主要任务 4
2 太阳能电池的研究和分析 5
2.1 太阳能电池的原理 5
2.2 太阳能电池的分类 5
2.3 太阳能电池的等效电路 6
2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素 7
2.5光伏电池的主要参数 8
2.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 9
2.7温度对光伏电池输出特性的影响 10
2.8本系统所采用的光伏电池 11
3 太阳能手机充电器硬件设计 12
3.1 系统总体设计方案 12
3.2电源模块设计 12
3.3 LM7805应用 13
3.3.1 LM7805芯片介绍 13
3.3.2 LM7805应用电路 14
3.4单片机选型 15
3.4.1单片机简介 15
3.4.2单片机电路 19
3.5 按键选择电路 20
3.6 数码管显示电路 21
3.7 BUCK斩波电路 22
3.8 电压电流的A/D采集 24
3.9 MAX471介绍及工作原理 28
3.9.1 MAX471介绍 28
3.9.2 工作原理 28
4 汇编源程序的设计实现 31
4.1 系统整体程序框架 31
4.2 电路启动初始化 31
4.3 数码管显示子程序 32
4.4 数据采集及模数转换程序 33
4.5充电子程序的设计 34
4.6 电源子程序的设计 34
5 结束语 36
致 谢 37
参考文献 38
附录A：主电路原理图 40
附录B：汇编源程序 41

55

1 绪论
1.1 本课题的研究背景
近年来，随着电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，减少不可再生资源的消耗和环境污染，缓解能源压力，而且太阳能居家旅行使用方便，经济实用，光能开发势必会成为经济发展的新动力。
太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能，不需要消耗燃料和水等物质，使用中不释放包括二氧化碳在内的任何气体，是对环境无污染的可再生能源。这对改善生态环境、缓解温室气体的有害作用具有重大意义。
目前，太阳能电池的应用已从军事领域、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。而且随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景[1]。
1.2充电器的发展及其简单的类型
充电方式的选择直接影响着电池的使用效率和使用寿命，充电技术近年来发展非常迅速。充电器的发展经历了三个阶段：
① 限流限压式充电器
最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，其寿命表述就是时间，没有次数，比如10年。这种充电模式的效果较差。
② 恒流/限压式充电器
这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。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。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。
③ 自适应智能充电器
随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并且具有温度补偿功能。充电系统由具有特殊功能的单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。
充电器的发展经历了三个阶段，相应的就出现了各种类型的充电器，以下就是一些简单的充电器类型：
普通型充电器：这是最基本和最常用的一种简单型充电器，实际上就是一个变压器降压、二级管整流电路；
可调型充电器：简单地说就是电池充电可调节，它是根据充电电池的电压来调节充电的方式；
自动型充电器：顾名思义就是可以实现充电自动化的装置，它分为全自动型和半自动型，大多都可以进行软件编程，通过为处理起来实现特定的功能；
多功能型充电器：就是可是实现多种功能的充电器，它的作用不仅仅局限于充电了，比如稳压充电器、恒流—恒压充电器，具有自检功能的充电器、具有停电记忆充电器、带放电功能的充电器等等；
还有其他许多的充电器，比如快速型充电器、恒流型充电器、太阳能充电器，都是在充电器发展的过程中逐渐产生的[2]。
1.3太阳能充电器
太阳能充电器与市面上的一般市电充电器相比有好多不相同的地方。一般的市电充电器都是在引出来电网电压之后先进行降压处理，再通过整流装置给各种蓄电池充电，这种充电器的优点就是当市电稳定时它可以提供稳定的充电平台。太阳能充电器由太阳能电池组件或者一些其他的光伏装置供电，输入电压一般都比较低，所以给蓄电池充电时可以直接连接蓄电池或者增加一级升压装置。另外，太阳能充电器可以很方便的携带，这样它在一些比较恶劣的环境下也能够提供充电作用。因此，太阳能充电器有着很大的发展前景。
在简单的了解了太阳能充电器与一般市电充电器的差别，但是无论在细节上有多大的差别，其总体设计思路是一样的：都是电源供电、充电控制、蓄电池和负载这几部分构成，图1-1就表示了太阳能充电控制器的整体结构。

图1-1单片机控制太阳能充电器的结构
1.4光伏发电的特点
太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式——电能，从而具有热利用不可比拟的优势。太阳能发电又分为光电发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射，使之转化成电能的直接发电形式，是当今太阳能发电的主流。与常规发电和其他绿色发电技术相比，光伏发电系统具有如下的优势：
① 是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源。太阳能不用燃料，运行成本很小，并且发电部件不易损坏，维护简单；
② 利用的场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行；
③ 可作为电力用户供电可靠或提高电能质量的不停电电源；
④ 接近负载中心，减少电网的线损；
⑤ 发电的效率不随发电规模的大小而变；
⑥ 就地可取，无需运输。光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫伏，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。
由于太阳能存在上述的优势，光伏发电在世界范围内受到高度的重视，发展很快。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来[3]。
1.5 本系统设计的总体思路
本充电器通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，经过DC/DC变换电路处理后，由充电电路为负载供电。锂电池一般不宜采用全过程恒流充电方式，而是采取开始恒流快速充电，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。充电过程中采用LED灯、数码管指示，系统中设计有完备的过流过压保护，避免因电池过度充电而损坏，并且充电器采用模块式结构和USB接口，可对手机、MP3、摄像机等多种数码产品充电。
文中介绍设计的太阳能手机充电器，与普通的手机充电器相比，它的特殊之处除了能源的供应来自太阳能电池板外，充分利用单片机的智能性，设有完备的电压电流检测保护电路，并通过LED显示电路的状态，当光线不够强时，指示灯不亮，蓄电池为手机充电，光线足够强时，指示灯亮，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。把太阳能电池板放在一个有阳光的地方，即可以为手机提供一个方便的太阳能充电点。这种便捷的太阳能充电器几乎可以在任何地方补充电力，从而获得通信的自由。
1.6 本课题研究的主要任务
结合系统设计的总体思路和任务要求，我设计了一种基于单片机控制的多功用太阳能手机充电器，设计的主要任务有：
硬件设计：电源模块设计，电源控制模块设计，单片机控制模块设计，显示电路模块设计，太阳能手机充电器电路原理图设计。
软件设计：数码显示程序设计，数据采集及模数转换程序设计，充电子程序设计，电源子程序设计。

2 太阳能电池的研究和分析
2.1 太阳能电池的原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子——空穴对。这样，光能就以产生电子——空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体P-N结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，外电路则有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。
另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率[6]。
2.2 太阳能电池的分类
目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其有缺点。
目前市场上的太阳能电池板繁多，根据太阳能电池板所用材料的不同可分为：
①硅太阳能电池；
②以无机盐如砷化镓III-V化合物，硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的多元化合物薄膜太阳能电池；
③功能高分子材料(有机半导体)制备的大阳能电池；
④纳米晶太阳能电池等。这里采用的是硅太阳能电池。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术.开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池，电池转化效率20%左右。多晶硅薄膜电池所使用的硅远较单晶硅少，又无较大效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，电池效率达12%左右。非晶硅薄膜太阳能电池与结晶硅电池相比转换效率偏底，但其成本低，便于大规模生产，受到人们普遍的重视并得到迅速发展，电池最高转换效率为10%左右。
2.3 太阳能电池的等效电路
光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-1表示的等效电路来考虑。

图2-1理想状态的太阳能电池等效电路图
在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。太阳能
(2-1)
当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压
(2-2)
其中I为电池单元输出电流；It为PN结电流(A)；IO为二极管的反向饱和电流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(1.6×10-19K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.38×10-23J/K)；T是绝对温度(T=t+273K)；n为二极管指数。
但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSH来等效表示。此时的等效电路可根据图2-2来描述，其伏安特性可由2-2式给出。

图2-2 实际光伏电池等效电路
(2-3)
此式叫做光伏电池的超越方程式。
2.4 太阳能电池板的输出特性及影响因素
光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。
2.5光伏电池的主要参数
光伏电池的几个重要技术：
① 短路电流ISC：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。
② 开路电压VCC：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。
③ 最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。
④ 最大功率点电压(VSC)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
⑤ 最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率
⑥ 填充因子 (2-4)
⑦ 光伏电池的转换效率：输出功率PM与阳光投射到电池表面上的功率PS之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率η，
以上各个参数可以在图2-3中表示如下。

图2-3太阳能电池的I-V特性关系曲线
图2-3中，在I-V曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点IM，VM，从而求出最大输出功率：PM=IM×VM。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式2-3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2-4可表示太阳能电池的P-V曲线。
从图2-3可见，IM和VM的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么IM和VM乘积就等于ISC和VCC的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，FF定义为式2-4。它表示最大输出功率的值所占的以VCC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。
2.6太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2-4、图2-5分别是太阳能电池阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-6可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(ISC)和最大功率点电流(IM)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2-3)中ISC强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2-5中虚线与各实线的交点所示。

图2-4不同日照下的I-V关系曲线图 图2-5不同日照下的P-V曲线图

图2-6太阳能电池的P-V特性曲线
2.7温度对光伏电池输出特性的影响
图2-7，图2-8分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2-8中各实线的波峰的幅值变化。

图2-7不同温度下的I-V特性曲线 图2-8不同温度下的P-V特性曲线
综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：
① 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；
② 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；
③ 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化[8]。
2.8本系统所采用的光伏电池
太阳能电池板是太阳能供电系统工作的基础，是该充电器的核心部分，其功能是将太阳光的辐射能量转化为电能，如今的便携式数码设备种类较多，所需电压电流不等，对于输入功率较大的设备，必须采用面积较大的电池板，而这又给携带带来不便。因此该设计采用模块式组合，根据不同充电负载的需要，将太阳能板进行组合以达到具有一定要求的输出功率和输出电压的一组光伏电池。本文以手机等常用小功率用电设备为例，说明其太阳能充电器的设计过程。所选用的太阳能电池板技术参数指标如下： 尺寸120mm×45mm，峰值电压6V，峰值电流100mA，标称功率0.6W。考虑被充电池的电流不同所需充电时间不等，采用八块相同参数电池板进行串、并联，实测电池板的输出电压最大值为10.8V,电流最大可达450mA，总标称功率为5W左右,实际输出可根据不同的被充电对象进行平滑调整。

3 太阳能手机充电器硬件设计
3.1 系统总体设计方案

太阳能手机充电器
DC/DC变换
AT89C51
ADC0809
显示
电路

手机电池

图3-1 系统总体设计方案
太阳能电池在使用时由于太阳光的变化较大，其内阻又比较高，因此输出电压不稳定，输出电流较小，这就需要用充电控制电路将电池板输出的直流电压变换后供给电池充电。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。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，过度的充电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为广泛的8位单片机系列，其丰富的开发资源和较低的开发成本，是51系列单片机现在以至将来都会有强大的生命力。本系统将采用89C51作为充电电路的控制器，从而以较低的成本轻松实现复杂的充电智能控制，同时也可以为其他小型电子产品提供洁净的直流电源。本系统总体设计方案如图3-1所示，通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，由单片机编程实现PWM波控制开关管从而实现输出电压电流的改变，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，从而实现电路的智能输出与控制。
3.2电源模块设计
本系统所采用的元器件需要外部供电，如果加上外加电源，则使得电路复杂化，并破坏了系统的独立性，本系统设计的就是蓄电池的供电系统，所以直接从蓄电池取出电压来为单片机以及外围电路供电。
这里采用三端集成稳压模块LM7805设计电路的电源模块，如图3-2所示。

图3-2 电源模块电路
此电源模块还有一个特点，就是当光线不够强时，蓄电池为单片机及外围电路供电，光线足够强时，由太阳能电池板供电，同时可为充电电池充电。
3.3 LM7805应用
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，能输出稳定的+5V电压为单片机提供电源，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。
3.3.1 LM7805芯片介绍
LM7805为3端系列稳压电路，能提供多种固定的输出电压，输出电压5V，应用范围广，内涵过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达1A，虽然是固定的稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电路。
主要特点：
l 输出电流可达 1A
l 输出电压有：5V
l 过热保护
l 短路保护
l 输出晶体管 SOA 保护
² 极限值（Ta=25℃）
VI——输入电压(VO=5~18V)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 35V
RθJC——热阻（结到壳）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5℃/W
RθJA——热阻（结到空气）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 65℃/W
TOPR——工作结温范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0~125℃
TSTG——贮存温度范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ -65~150℃
3.3.2 LM7805应用电路
LM7805有三个引脚，1脚接输入电压，2脚接地，3脚接输出。
功能：输出稳定电压5V，输出电流接近1A。
用途：可以为需要提供5V直流电源的电路提供稳定工作电压。应用电路如图3-3所示。

图3-3 LM7805应用电路
注：
1）输入电压，即使是纹波电压中的低值点，都必须高于所需输出电压 2V 以上。
2）当稳压器远离电源滤波器时，要求用 Ci。
3）Co 可改善稳定性和瞬态响应。
图3-3是三端稳压集成电路LM7805的应用电路，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。一般电容的耐压应高于电源的输入电压和输出电压。另外，为避免输入端断开时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，输出精度高且工作极其稳定，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，从而使单片机等控制电路正常工作，且成本低。
3.4单片机选型
51系列单片机不仅是国内用得最多的单片机之一，同时也是最适合上手学习单片机系统开发的一款单片机。本设计中单片机的主要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。
3.4.1单片机简介
单片机是整个控制电路的核心，本设计采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C51。AT89C51是AT89系列单片机中的一种，它与MCS－51系列的许多机种都具有兼容性，并具有广泛的代表性。为了便于读者对“单片机速通教程”以后的系列实例文章的理解，下面，我们先来了解一下AT89C51的硬件结构。
1.内部结构
AT89C51单片机的内部结构与MCS－51系列中的MCS－8051的内部结构基本相同。由CPU、片内RAM、片内ROM及4个标准输入输出I/O口等组成。片内4KB ROM为程序存储器，这里面主要存放指挥CPU进行操作的指令代码。4KB ROM共有4096个存储单元，每个单元可存放一个字节共8位二进制数字。程序存储器中的每个单元都有一个确定的地址，4K空间地址范围为0000H至0FFFH。128B RAM为128个字节的可读写数据存储器，主要放置需频繁处理的数据。其地址空间为00H至7FH，其中00H至07H这8个单元是一组工作寄存器，由于对它们的操作另有专用指令，所以将这几个单元又分别记作R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7。4个标准输入输出I/O口P0、P1、P2、P3与CPU内部的一些特殊功能寄存器，如定时器控制寄存器(TCON)、串行口控制寄存器(SCON)等是统一编址的。这些存储器离散地分布在80H至FFH地址空间内。其中P0、P1、P2、P3的地址分别是80H、90H、A0H和B0H。有了确定的地址，才能准确无误地对它们进行操作。比如我们要向P0口送一个数，只要用一个送数指令，将数“写”到80H这个存储单元就完成了。也就是说把要送的数存到P0口锁存器之中，再通过驱动器，就可将数据各位代表的高低电位输出到P0.0至P0.7的这8条口线引脚上了。
2.引脚功能
单片机具备了CPU、程序存储器、数据存储器和输入输出口等硬件资源之后，还需要供电电源、时钟触发和复位等控制的支持才能正常工作。而这些输入都是通过引脚与单片机连接的。如图3-4所示。

图3-4单片机引脚图
图3-4是单片机AT89C51的引脚排布图。由图3-4可知，AT89C51是标准的40线双列直插式封装(也有其它封装形式)的集成电路，其引脚与MCS－51系列单片机完全兼容。这40条引脚大致可分为电源(Vcc、Vss、VPP、VPD)、时钟(XTAL1、XTAL2)、专用控制线(ALE、RST、PROG、PSEN、EA)、通用多功能输入输出标准I/O口(P0～P3)等4大部分。该单片机有6条引脚是保证基本工作所必须连接的：40脚Vcc和20脚Vss 为整个芯片提供电源；18脚、19脚是时钟振荡引脚，它们的内部连接一个高增益放大器，外部接一晶振选频产生振荡脉冲，并可配接一些电容、电感使振荡更精确。此振荡脉冲，为整个CPU及其定时等有效操作系统提供时钟。另外两条引脚是EA和RST。31脚EA是程序存储器片内片外选择脚，如果EA接低电位，CPU不从片内ROM中取指；EA接高电位，CPU先从片内程序存储器取指。第9脚RST的主要功能是使单片机复位。当单片机接通以上5脚后，只要在第9脚上加一个宽度不小于24个振荡周期，也就是2个机器周期的正脉冲，它就能使系统复位。系统复位就是意味着CPU里各种寄存器等功能部分有一种标准的、固定的状态，这样有利于系统设计。比如系统复位后，能使P0口至P3口的数据为FFH，也就是各口线皆呈高电位，不然就会出现每通一次电，系统就呈现一种不同的状态，给负载电路的设计带来困难。系统复位后，还能使程序地址寄存器PC的值为0000H，这就保证系统从程序存储空间的0000H单元取指，使程序有个起始，保证系统能有条不紊地运行。因此，程序存储器从第一单元开始一般放一条无条件跳转指令，指出主程序的入口，引导系统进入主程序运行。
3.I/O口的介绍
在图3-4中，还有P0～P3引脚。这些引脚可以将单片机输出的高低电位信号传送给片外的负载，也可将片外其它设备输出的高低电位号输入至单片机，因此，在单片机中，这些引脚就叫做输入输出端口，简称I/O口。一个标准的I/O口一般由8条I/O口线组成。标准I/O口的主要功能相当于一个8位锁存器，能存储一个字节的二进制数据，以保持与之相连接的8条口线各自电位的高低状态。在图3-4中，AT89051的第1脚至第8脚相对应的8条口线P1.0至P1.7组成的标准口记作P1口，第10脚至第17脚相对应的口线P3.0至P3.7组成的P3口，第21脚至28脚相对应的8条口线P2.0至P2.7组成了P2口，第32脚至39脚相对应的8条口线P0.0至P0.7组成了P0口。有了这些标准输入输出口，使用起来就很方便了。这样，我们可编制一段程序，向这些标准口中存入一定的数据(这些数据也可叫控制字)，各口线引脚就会呈现出不同的高低电位。比如我们向P0、P1、P2、P3口中送入数据＃00H，则每个口的各口线电位状态就会为“0000 0000”，也就是各条口线皆呈低电位。我们再向P0口送入数据＃03H。P0.0至P0.7各条口线所呈电位为“0000 0011”，也就是只有P0.0和P0.1两条口线所对应的引脚呈高电位。另外，还应知道，P0口的P0.0～P0.7的位地址是80H至87H，P1口的P1.0至P1.7的位地址是90H至97H，P2.0至P2.7和P3.0至P3.7的位地址分别是A0H至A7H和B0H至B7H。
4．管脚说明：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校