畢業(yè)設(shè)計(jì) (2kw風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　進(jìn)入二十一世紀(jì)，人類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問(wèn)題日益嚴(yán)重。人類需要解決能源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源和新能源。而太陽(yáng)能和風(fēng)能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，由于風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)均受到外部條件的影響，光靠獨(dú)立的風(fēng)力或太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)難以保證系統(tǒng)

2、供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此，在采用風(fēng)光互補(bǔ)的混合發(fā)電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定地供電。</p><p>　　本設(shè)計(jì)重點(diǎn)針對(duì)小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真。設(shè)計(jì)針對(duì)目前市場(chǎng)上傳統(tǒng)充電控制器對(duì)蓄電池的充放電控制不合理，同時(shí)保護(hù)也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電控制器的方案。在太陽(yáng)能對(duì)蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實(shí)際應(yīng)

3、用方面做了一定分析，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編制并通過(guò)proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的高效率管理。逆變環(huán)節(jié)采用PWM調(diào)制方式，控制芯片為PIC16F73，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中，采用瞬時(shí)電壓反饋，增加了電路保護(hù)等功能，論文闡述了軟件設(shè)計(jì)總體思想構(gòu)架，給出了程序代碼。最后,利用單片機(jī)仿真軟件proteus對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并給出仿真原理圖及仿真波形。</p><p>　　關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)；風(fēng)能；

4、太陽(yáng)能；控制；Proteus仿真</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Entering the 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy probl

5、em becomes more and more serious. Only by relying on the progress of science and technology and the large-scale exploitation and utilization of renewable energy and new energy can human solve the problem of energy. And s

6、olar and wind power are considered the most representative of new and renewable energy, The power technology of solar energy and wind attack world’s a</p><p>　　This design mainly for small wind-light complem

7、entary system of battery charging and discharging control module and inverter module for the design and simulation. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is un

8、reasonable, and its protection is also inadequate, which makes the battery life to shorten. To solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to bat

9、tery charge a</p><p>　　Keyword: Wind and PV hybrid; Wind power; Solar power; Control; Proteus simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p>

10、<p>　　Abstract2</p><p><b>　　1 緒論5</b></p><p><b>　　1.1能源問(wèn)題5</b></p><p>　　1.2風(fēng)能太陽(yáng)能的概況5</p><p>　　1.3 風(fēng)光發(fā)電的發(fā)展概況5</p><p>　　2

11、 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3 光伏發(fā)電介紹9</p><p>　　3.1太陽(yáng)能光伏電池的原理9</p><p>　　3.2太陽(yáng)能電池板的計(jì)算10</p><p>　　4 蓄電池充電控制器的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1 系統(tǒng)層次原理圖13</p><p

12、>　　4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)14</p><p>　　4.2.1 STC89C52的簡(jiǎn)介14</p><p>　　4.2.2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路14</p><p>　　4.3 充放電電路15</p><p>　　4.4光耦驅(qū)動(dòng)電路16</p><p>　　4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路17</

13、p><p>　　4.5.1 ADC0804的簡(jiǎn)介17</p><p>　　4.5.2 ADC0804外圍接線電路19</p><p>　　4.6 LCD顯示電路20</p><p>　　4.7 E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路21</p><p>　　4.8 串口通信電路22</p><p>　　

14、4.9 太陽(yáng)能充電控制器的軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.9.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.9.2 軟件調(diào)試和仿真26</p><p>　　5 逆變主電路的設(shè)計(jì)30</p><p>　　5.1控制方法30</p><p>　　5.2控制芯片30</p><p&g

15、t;　　5.3PWM控制電路31</p><p>　　5.3.1PIC16F73供電電源31</p><p>　　5.3.2時(shí)序和死區(qū)電路31</p><p>　　5.3.3光耦隔離電路32</p><p>　　5.3.4電壓反饋檢測(cè)電路33</p><p>　　5.4PWM控制電路系統(tǒng)圖33</p&

16、gt;<p>　　5.5 逆變系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與仿真34</p><p>　　5.5.1 主程序的設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.5.2 程序設(shè)計(jì)原理36</p><p>　　5.5.3 系統(tǒng)仿真36</p><p><b>　　結(jié)論39</b></p><p><b

17、>　　致謝40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p>　　附錄1 充放電控制源程序42</p><p>　　附錄2 PWM波形產(chǎn)生源程序53</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><

18、b>　　1.1能源問(wèn)題</b></p><p>　　能源是不僅僅是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要制約因素。當(dāng)前，包括我國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑，積極開(kāi)展新能源和可再生能源的研究開(kāi)發(fā)工作。解決能源危機(jī)可以有如下三種辦法：一是提高燃燒效率以減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)清潔煤燃料以減少

19、污染；二是開(kāi)發(fā)新能源，積極利用可再生能源；三是開(kāi)發(fā)新材料、新工藝，最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。太陽(yáng)能和風(fēng)能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級(jí)利用，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到世界各國(guó)的高度重視。</p><p>　　1.2風(fēng)能太陽(yáng)能的概況</p><p>　　太陽(yáng)能分布廣泛，可自由利用，取之不經(jīng)，用之不竭，是人類最終可以依賴的能源。而光伏發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能利用技術(shù)中最

20、具有發(fā)展前景的方式之一。它具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、安全可靠、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)。它是今后可替代礦物燃料的戰(zhàn)略性能源，又是當(dāng)前邊遠(yuǎn)地區(qū)能源供應(yīng)的一種有效的補(bǔ)充。隨著礦物燃料的逐漸消耗，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)將越來(lái)越顯示其重要性和發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p>　　風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽(yáng)輻射造成地球表面受熱不均引起的，引起大氣層壓力分布不均，以致空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能。風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換

21、形式，是一種重要的自然能源，一起蘊(yùn)藏量巨大、可以再生、分布廣泛以及沒(méi)有污染等優(yōu)勢(shì)而在各國(guó)發(fā)展迅速。全球的風(fēng)能約為2.74×109WM，其中可利用的風(fēng)能為2×107WM，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。</p><p>　　可以看出，太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)、生活用電等諸多領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極的作用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。</p

22、><p>　　1.3 風(fēng)光發(fā)電的發(fā)展概況</p><p><b>　　光伏發(fā)電技術(shù)</b></p><p>　　1839年，法國(guó)物理學(xué)家EdmondBecquerel意外的發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬浸入溶液結(jié)構(gòu)的付打電池在光照下會(huì)產(chǎn)生額外的電勢(shì)，他將這種現(xiàn)象稱為“光生付打效應(yīng)（Photovoltaic Effect）”。1873年，英國(guó)科學(xué)家Wilouzhb

23、ySmith觀察到對(duì)光敏感的硒材料，并推斷出在光的照射下硒導(dǎo)電能力的增加正比與光通量。1880年，Charles Ffitts 開(kāi)發(fā)出以硒為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池，以后人們即把能夠產(chǎn)生光生付打效應(yīng)的器件稱為“光伏器件”。半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，通常稱這類光伏器件為“太陽(yáng)能電池（Solar Cell）”。1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們第一次用晶體硅材料制成了光伏電池，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)4%。始于20世紀(jì)50年代的空間發(fā)展計(jì)劃

24、成為光伏發(fā)電技術(shù)的第一個(gè)主要應(yīng)用對(duì)象，而且光伏技術(shù)的發(fā)展也成為整個(gè)空間技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的一部分，對(duì)光伏技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。今天，幾乎所有的人造衛(wèi)星都是靠光伏電池供電，包括通信衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星和科學(xué)家實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。</p><p><b>　　風(fēng)能發(fā)電技術(shù)</b></p><p>　　20世紀(jì)90年代中后期，在世界范圍內(nèi)形成了一股風(fēng)力發(fā)電熱，風(fēng)力發(fā)電量增長(zhǎng)速度居全球之

25、首。全世界風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要有一下幾個(gè)：第一，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟。近20年來(lái)，美國(guó)、丹麥等國(guó)家投入了大量的人力、物力和財(cái)力研究可以商業(yè)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)力機(jī)，取得了突破性的進(jìn)展?？衫寐蕪脑瓉?lái)的50%提高到98%，風(fēng)能利用系數(shù)超了40%。由于采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)自診斷功能，安全保護(hù)措施更加完善，并且實(shí)現(xiàn)了單機(jī)獨(dú)立控制、多機(jī)群控和遙控，完全可以無(wú)人職守?，F(xiàn)代風(fēng)力機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代高科技的完善組合。目前，百千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)已經(jīng)商品化，投入批量生產(chǎn)

26、，兆瓦級(jí)機(jī)組也正小批量生產(chǎn)。第二，風(fēng)力發(fā)電具有經(jīng)濟(jì)性。目前據(jù)美國(guó)能源部2000年統(tǒng)計(jì)，全世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單位造價(jià)已降為1000美元/KW，單位發(fā)電成本為4~7美分/kWh；而火力發(fā)電單位造價(jià)為700~800美元/KW，單位發(fā)電成本為5~8美分/kWh。第三，全球有豐富的風(fēng)能資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球風(fēng)能潛力約為目前全球用電量的5倍。美國(guó)0.6%的陸地面積安裝了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，便可以滿足美國(guó)目前電力需求的20%。第四，政府的優(yōu)惠政策。美國(guó)政府為風(fēng)力機(jī)

27、行業(yè)提供40%的信貸；德國(guó)政府也給風(fēng)</p><p><b>　　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電</b></p><p>　　上世紀(jì)八十年代許多人開(kāi)始了風(fēng)能、太陽(yáng)能的綜合利用的研究。丹麥的N.EBusch和Kllenbach（1981年）提出了太陽(yáng)能和風(fēng)能混合利用技術(shù)問(wèn)題；美國(guó)的C.LAsPliden（1981）研究太陽(yáng)能——風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問(wèn)題；前蘇聯(lián)的N.sarin等根據(jù)概率

28、原理，統(tǒng)計(jì)出近似的太陽(yáng)能風(fēng)能潛力的估計(jì)值；余華楊等（1987）也提出了太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置。盡管太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電有上述眾多優(yōu)勢(shì)，但是作為獨(dú)立供電設(shè)備二者均存在一定的局限性。獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電裝置在無(wú)風(fēng)天氣下無(wú)法提供電能的連續(xù)供應(yīng)，而太陽(yáng)能發(fā)電裝置在夜晚以及陰雨天等氣候條件下無(wú)法保證電能的連續(xù)供應(yīng)。采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)后，可以有效解決單一發(fā)電不連續(xù)問(wèn)題，保證基本穩(wěn)定的供電。我國(guó)屬季風(fēng)氣候區(qū)，一般冬季風(fēng)大，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小；夏季風(fēng)小，

29、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大。同時(shí)大部分地區(qū)正午太陽(yáng)光強(qiáng)的時(shí)候一般沒(méi)有風(fēng)，而在夜間沒(méi)有太陽(yáng)光照的時(shí)候風(fēng)力則相對(duì)較強(qiáng)。風(fēng)和光在時(shí)間上的互補(bǔ)性使得風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)在保障供電連續(xù)性上有重大意義，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)具有電力輸出穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，也解決了太陽(yáng)能發(fā)展中對(duì)電網(wǎng)沖擊等影響。因而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)正</p><p>　　2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

30、。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　從圖1中我們可以看出，它的主要組成設(shè)備有：</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)：風(fēng)機(jī)采用具有特別適合大多內(nèi)陸地區(qū)低風(fēng)速、時(shí)發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點(diǎn)。具有機(jī)械、電子剎車(chē)裝置，可

31、以確保在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。采用12V/150W風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)力≥3m/s工作，10m/s風(fēng)速時(shí)達(dá)到額定150W功率。</p><p>　　太陽(yáng)能光電池板：采用100W/14V ，0.6㎡的硅光電池，它能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，屬于一種半導(dǎo)體元件，它的特點(diǎn)：它是轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15%的單晶硅太陽(yáng)能電池板。具有抗風(fēng)、防潮、工作穩(wěn)定、無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn)。</p&

32、gt;<p>　　鉛酸蓄電池：蓄電池的選擇要求：重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換率高、自放電慢、充放電循次數(shù)多（即使用壽命長(zhǎng)）等。其次，還有些特殊要求如低溫時(shí)能大電流放電、維護(hù)簡(jiǎn)單或無(wú)需維護(hù)、自放電（析氫）特別慢等。</p><p>　　微機(jī)控制系統(tǒng)：微機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的基本保證。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。所以無(wú)論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對(duì)系統(tǒng)有

33、保護(hù)作用。</p><p>　　逆變器：逆變系統(tǒng)是把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的220V交流電，保證交流電在設(shè)備的正常使用。同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量；在逆變器的電路結(jié)構(gòu)形式上，主要是工頻變壓器和高頻變壓器兩種形式。對(duì)一個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器是一種電力電子設(shè)備，抗過(guò)載，抗沖擊的能力要相對(duì)弱一些，是最易出故障的單元。</p><p><b>　　3

34、 光伏發(fā)電介紹</b></p><p>　　3.1太陽(yáng)能光伏電池的原理</p><p>　　太陽(yáng)能光伏電池(簡(jiǎn)稱光伏電池)用于把太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)化為電能。目前世界各國(guó)正在研究的太陽(yáng)電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽(yáng)電池。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價(jià)格更便宜。另外，還有其它類型的太陽(yáng)電池。</p

35、><p>　　太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換是應(yīng)用P-N結(jié)的光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect）。首先對(duì)P-N結(jié)二極管做一簡(jiǎn)單說(shuō)明。如圖3-1所示，為一理想的P-N結(jié)二極管的電流-電壓（I-V）特性圖，其對(duì)應(yīng)的方程式如下： </p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　Ipn，Vpn：P-N結(jié)二極管的電流及電壓</p&

36、gt;<p>　　k：波爾茲曼常數(shù)（Boltzmann Constant：1.38×10-23J/K）</p><p>　　q：電子電荷量（1.602×10-19庫(kù)侖）</p><p>　　T：絕對(duì)溫度（凱氏溫度K＝攝氏溫度＋273度）</p><p>　　Is：等效二極管的逆向飽和電流</p><p>　　

37、VT：熱電壓（Thermal Voltage：25.68mV）</p><p>　　太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能是依賴自然光中的的量子-光子（Photons），而每個(gè)光子所攜帶的能量為Eph：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　h：普郎克常數(shù)（Planck Constant：4.14×10-15eV&#

38、183;S）</p><p>　　c：光速（3×108m/s）</p><p><b>　　λ：光子波長(zhǎng)</b></p><p>　　圖3-1　P-N結(jié)二極管I-V特性圖</p><p>　　但并非所有光子都能順利地通過(guò)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能，因?yàn)樵诓煌墓庾V中光子所攜帶的能量不一樣。</p>

39、<p>　　當(dāng)光子所攜帶的能量大于禁帶（Band Gap）能量時(shí)，電子由價(jià)電帶（Valence Band）躍遷至導(dǎo)電帶（Conduction Band）而產(chǎn)生所謂的“電流”，所以當(dāng)光子所攜帶的能量若大于禁帶能量時(shí)，便可以通過(guò)光電子轉(zhuǎn)換成電能。</p><p>　　當(dāng)入射太陽(yáng)光的能量大于硅半導(dǎo)體的禁帶能量時(shí)，太陽(yáng)光子照射入半導(dǎo)體內(nèi)，把電子從價(jià)電帶激發(fā)到導(dǎo)電帶，從而在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了許多“電子-空穴”對(duì)，

40、在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子向N型區(qū)移動(dòng)，空穴向P型區(qū)移動(dòng)，這樣，N區(qū)有很多電子，P區(qū)有很多空穴，在P-N結(jié)附近就形成了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，它的一部分抵消了內(nèi)建電場(chǎng)，其余部分則使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，于是在N區(qū)與P區(qū)之間產(chǎn)生了光生伏打電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的“光生伏打效應(yīng)”。</p><p>　　如果位太陽(yáng)電池開(kāi)路，即組成電池回路中，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，則被P-N結(jié)分開(kāi)的電子和空穴，就會(huì)全部積累在P-N結(jié)附近，

41、于是出現(xiàn)了最大光生電動(dòng)勢(shì)，它的數(shù)值即為開(kāi)路電壓，記作Voc。</p><p>　　如果把太陽(yáng)電池短路，即回路負(fù)載電阻為零，則所有P-N結(jié)附近的電子與空穴，由結(jié)的一邊，流經(jīng)外電路到達(dá)結(jié)的另一邊，產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流記作ISC。</p><p>　　太陽(yáng)能電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄P-N結(jié)的大面積的等效二極管，因此可以假設(shè)太陽(yáng)能電池為一個(gè)二極管與太陽(yáng)光電流發(fā)生源所并聯(lián)的等效電

42、路，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 太陽(yáng)能電池的理想狀態(tài)等效電路</p><p>　　3.2太陽(yáng)能電池板的計(jì)算</p><p>　　硅太陽(yáng)能發(fā)電板容量是指平板式太陽(yáng)能板發(fā)電功率WP。太陽(yáng)能發(fā)電功率量值取決于負(fù)載24h所能消耗的電力H(WH)，由負(fù)載額定電源與負(fù)載24h所消耗的電力，決定了負(fù)載24h消耗的容量P(AH)，再考慮到平均每天日照時(shí)數(shù)及陰雨天

43、造成的影響，計(jì)算出太陽(yáng)能電池陣列工作電流IP(A)。</p><p>　　由負(fù)載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來(lái)確定蓄電池串聯(lián)個(gè)數(shù)及蓄電池浮充電壓VF (V)，再考慮到太陽(yáng)能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT(v)及反充二極管P-N結(jié)的壓降VD(V)所造成的影響，則可計(jì)算出太陽(yáng)能電池陣列的工作電壓VP(V)，由太陽(yáng)電池陣列工作電源IP(A)與工作電壓VP(V)，便可決定平板式太陽(yáng)能板發(fā)電功率WP，

44、從而設(shè)計(jì)出太陽(yáng)能板容量，由設(shè)計(jì)出的容量WP與太陽(yáng)能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。</p><p>　　太陽(yáng)能電池陣列的具體設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　　計(jì)算負(fù)載24h消耗容量P。</p><p>　　P=H/V　　　　　　　　　　　　　　（３）</p><p><b>　　V——負(fù)載額定電源<

45、/b></p><p>　　選定每天日照時(shí)數(shù)T(H)。</p><p>　　計(jì)算太陽(yáng)能陣列工作電流。</p><p>　　IP=P(1+Q)/T　　　　　　　　　　　　?。ǎ矗?lt;/p><p>　　Q——按陰雨期富余系數(shù)，Q=0.21～1.00</p><p>　　確定蓄電池浮充電壓VF。</p>

46、<p>　　鎘鎳(ＧＮ)和鉛酸(ＣＳ)蓄電池的單體浮充電壓分別為1.4～1.6V和2.2V。</p><p>　　太陽(yáng)能電池溫度補(bǔ)償電壓VT。</p><p>　　VT=2.1/430(T-25)VF　　　　　　　　　　?。ǎ担?lt;/p><p>　　計(jì)算太陽(yáng)能電池陣列工作電壓VP。</p><p>　　VP=VF+VD+VT　　　　

47、　　　　　　?。ǎ叮?lt;/p><p>　　其中VD=0.5～0.7，約等于VF</p><p>　　太陽(yáng)電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽(yáng)能電板。</p><p>　　WP=IP×UP　　　　　　　　　　　　?。ǎ罚?lt;/p><p>　　根據(jù)VP、WP在硅電池平板組合系列表格，確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。</p>&

48、lt;p>　　太陽(yáng)電池陣列的伏安特性如圖5。由圖可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。太陽(yáng)電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當(dāng)日射S=l000W／㎡；太陽(yáng)電池溫度T=25；大氣質(zhì)量AM=1.5時(shí)，太陽(yáng)電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽(yáng)電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“WP”。當(dāng)日射S<1000W／㎡時(shí)。</p><p>　　圖3-3 太陽(yáng)電池陣列的伏安特性曲線</p&g

49、t;<p>　　溫度和日照強(qiáng)度的變化對(duì)太陽(yáng)電池的伏安特性都有影響，在僅改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其它條件(如太陽(yáng)電池溫度和大氣質(zhì)量等)不變的情況下。計(jì)算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù)(包括逆變器的損耗)： 逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90％，則當(dāng)輸出功率為100W時(shí)，則實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為100W/90％=111W；若按每天使用8小時(shí)，則耗電量為111W*8小時(shí)=888Wh。按每日有效日照時(shí)間為6小時(shí)計(jì)算，再考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗，太陽(yáng)能電池

50、板的輸出功率應(yīng)為888Wh/6h/70%=210W。其中70％是充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率。</p><p>　　4 蓄電池充電控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的常見(jiàn)思路，本論文從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　硬件電路主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系

51、統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、串口通信電路等。下面先從系統(tǒng)層次原理圖入手，對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對(duì)具體電路地進(jìn)行一一介紹。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)層次原理圖</p><p>　　系統(tǒng)層次原理圖如圖4-1所示，電路設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對(duì)整個(gè)電路控制。首先采用并聯(lián)分壓方式對(duì)蓄電池電

52、壓采集后，送到AD模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字信號(hào)的電壓值，再將此信號(hào)送入到控制模塊中單片機(jī)進(jìn)行處理；然后在軟件程序控制下，單片機(jī)輸出控制信號(hào)送到充放電模塊中，經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制MOSFET。控制MOSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，根據(jù)載荷變化來(lái)調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。</p><p>　　圖 4-1 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　最后通

53、過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。串口通信模塊采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，供工作人員查看。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊，使得當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時(shí)，讓蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)把異常電壓值通過(guò)I2C總線存放在E2PROM中，作為以后分析使用。</p><p>　　4.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><

54、;p>　　4.2.1 STC89C52的簡(jiǎn)介</p><p>　　STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用STC公司高密度非易失性高加密性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在芯片內(nèi)部，擁有很高頻率8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。。</p>

55、<p>　　STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52具有低功耗設(shè)計(jì)，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，

56、直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。而且STC89C52的工作頻率很寬，可以在0~35MHz之間選擇，芯片具有超強(qiáng)抗干擾性，加密性強(qiáng)。</p><p>　　4.2.2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路</p><p>　　單片機(jī)是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個(gè)電路得到很好的控制，首先必須構(gòu)建最小系統(tǒng)是單片機(jī)可以工作起來(lái)。本設(shè)

57、計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)擴(kuò)展電路包括上電復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，工作指示燈和蜂鳴器報(bào)警電路等。</p><p><b>　?。?）時(shí)鐘電路</b></p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入端和輸出端分別是引腳XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接時(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路，CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的

58、振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz~12MHz之間選取。時(shí)鐘電路如圖4-2所示。電路中C6、C7是反饋電容，其值在5pF~30pF之間選取，本電路選用的電容為30pF，晶振頻率為11.0952MHz。</p><p>　　圖 4-2 時(shí)鐘電路 圖 4-3 復(fù)位電路</p><p><b>　?。?）復(fù)位電路</b></p><

59、p>　　復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位電路如圖4-3所示。本系統(tǒng)采用的是上電+電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按鈕復(fù)位是當(dāng)按鈕按下后，電源通過(guò)電阻R14施加到復(fù)位

60、端上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用非常重要。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視RST引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出(瞬時(shí)的)，還可以通過(guò)改變復(fù)位電路電阻和電容值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　?。?）工作狀態(tài)指示燈電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)可以時(shí)刻檢測(cè)蓄電池電壓，為

61、了更好的進(jìn)行監(jiān)控，要對(duì)整個(gè)電路的工作狀態(tài)進(jìn)行指示，這是很有必要的。工作狀態(tài)指示燈電路如圖4-4所示。其中LED1為正常充電指示燈，LED2為過(guò)壓指示燈，LED3為欠壓指示燈。串聯(lián)的電阻的目的是為了限制通過(guò)發(fā)光二極管的電流太大而將其燒毀。</p><p>　　圖 4-4工作狀態(tài)指示燈電路圖 4-5 蜂鳴器報(bào)警電路</p><p>　?。?）蜂鳴器報(bào)警電路</p>&l

62、t;p>　　報(bào)警電路采用蜂鳴器來(lái)發(fā)出報(bào)警聲音，由于STC89C52輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力較弱，所以蜂鳴器要加三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　在對(duì)蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路，即當(dāng)電壓超過(guò)程序設(shè)定的最高值或最低值時(shí)，單片機(jī)的P2.6引腳(beep端)輸出低電平，三極管隨之導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。蜂鳴器報(bào)警電路圖如圖4-5所示。</p>

63、<p><b>　　4.3 充放電電路</b></p><p>　　充放電電路如圖4=6所示，電路由防反充二極管D1、濾波電容C4和C5、穩(wěn)壓管D2、續(xù)流二極管D3、MOSFET管Q1和Q2等構(gòu)成。二極管D1是為了防止反充，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽(yáng)能電池板的電壓時(shí)，D1就生效，可以防止蓄電池電流流向太陽(yáng)能電池板。分析可知，通過(guò)控制MOSFET管閉合和斷開(kāi)的時(shí)間（即PWM—

64、脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。所使用的MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開(kāi)關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)中采用IRL2703- N溝道MOSFET管，N溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth>0。當(dāng)光耦U2斷開(kāi)時(shí)，由于Q1的G極電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs>0，當(dāng)G極電壓達(dá)到一定值時(shí)

65、，Q1導(dǎo)通。電容C4是太陽(yáng)能電池板輸出電壓濾波，使得更穩(wěn)定地給蓄電池充電。電容C5是對(duì)蓄電池輸出電壓進(jìn)行濾波，以保證負(fù)載供電電路的穩(wěn)定性。圖中穩(wěn)壓管D2用來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行穩(wěn)壓作用。當(dāng)用戶將蓄電池反接至控制器時(shí)，續(xù)流二極管D3可以進(jìn)行續(xù)流，從而保護(hù)控制器不被毀壞</p><p>　　圖 4-6 充放電電路</p><p>　　按程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全

66、導(dǎo)通狀態(tài)，也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓在12V-14.5V，充電模式為浮充，Q1導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小，；當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充電停止，同時(shí)Q2也關(guān)閉來(lái)關(guān)斷負(fù)載。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓低于10.8V，Q2關(guān)閉停止放電，關(guān)斷負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓關(guān)斷。</p><p><b>　　4.4光耦驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　為

67、了增加系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)用光電耦合器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制電路和充放電電路的隔離。光耦驅(qū)動(dòng)電路如圖4-7所示。M0S管Q1控制著充電電路，當(dāng)充電控制信號(hào)PWM為低電平時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側(cè)三極管不導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側(cè)被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V左右，MOSEFT的Vgs>0，MOS管Q1開(kāi)啟，太陽(yáng)能極板開(kāi)始對(duì)蓄電池充電；當(dāng)充電控制器信號(hào)為高電平時(shí)，光耦內(nèi)部的

68、發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”，此時(shí)從U2輸入的電壓經(jīng)光耦流向接地端，K1處的電壓接近為零，MOSEFT的Vgs<0，Q1截止，充電電路關(guān)斷。這就是充電電路原理。M0S管Q2控制著放電電路，其原理與Q1相似。 </p><p>　　圖4-7 光耦驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.5 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　

69、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的STC89C52單片機(jī)沒(méi)有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此需要先采集蓄電池的電壓，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。市場(chǎng)中集成的A/D轉(zhuǎn)換器品種很多，選用時(shí)需要綜合考慮各種因素進(jìn)行選取。一般逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器用到較多，本設(shè)計(jì)采用8位并行A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804。因?yàn)樾铍姵仉妷旱牟杉D(zhuǎn)換在系統(tǒng)中極為重要，所以下面對(duì)所選ADC0804芯片及在本系統(tǒng)中是典型連接電路予以介紹。</p><p>　　4.5.

70、1 ADC0804的簡(jiǎn)介</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器最主要的技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，由于逐次比較型兼有并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高和雙積分型轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以得到普遍應(yīng)用。ADC0804就是這類集成A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　ADC0804 為一只具有20引腳并行8位CMOS工藝逐次比較型的集成A/D 轉(zhuǎn)換器

71、， 其規(guī)格如下： </p><p>　　(1) 高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出，分辨率：8 位(0~255)</p><p>　　(2) 存取時(shí)間：135 us ；轉(zhuǎn)換時(shí)間：100 us</p><p>　　(3) 總誤差：正負(fù)1LSB</p><p>　　(4) 工作溫度：0度~70度； </p><p>　　(5)

72、 模擬輸入電壓范圍：0V~5V </p><p>　　(6) 參考電壓：2.5V；工作電壓：5V </p><p>　　(7) 輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。</p><p>　　ADC0804引腳圖如圖4-8所示，其各個(gè)引腳的功能：</p><p>　　— 芯片片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器別選中，可啟動(dòng)工

73、作。</p><p>　　—外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。為 1 時(shí)，DB0~DB7 處理高阻抗： 為 0 時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)輸出。</p><p>　　—用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于 ADC 的轉(zhuǎn)換開(kāi)始（=0 時(shí)），當(dāng) 由 1變?yōu)?0時(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除：當(dāng) 回到 1時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開(kāi)始。 </p><p>　　圖 4-8 ADC0804引腳圖</p>

74、<p>　　CLK IN—時(shí)鐘信號(hào)輸入端</p><p>　　CLK R：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK配合可有芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其振蕩頻率為 1/（1.1RC） </p><p>　　—中斷請(qǐng)求信號(hào)輸出,端，低地平動(dòng)作.，表明本次轉(zhuǎn)換已完成。</p><p>　　VIN(+) VIN(-) ——差動(dòng)模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時(shí), VIN(-

75、)接地:而差動(dòng)輸入時(shí), 直接加入 VIN(+) VIN(-). </p><p>　　AGND,DGND——模擬信號(hào)以及數(shù)字信號(hào)的接地. </p><p>　　VREF/2—參考電平輸入，決定量化單位。 </p><p>　　DB0~DB7—三態(tài)特性數(shù)字信號(hào)輸出端. </p><p>　　VCC: 電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓. <

76、/p><p>　　4.5.2 ADC0804外圍接線電路</p><p><b>　　（1）電壓采集電路</b></p><p>　　如圖4-9所示，電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻，大小比例為2:1，然后并聯(lián)在需要檢測(cè)的電壓兩端，從兩個(gè)電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為ADIN，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為14.5V，計(jì)算出采集到的電壓為

77、4.8V，符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的ADC0804的輸入值。</p><p>　　圖 4-9 電壓采集電路</p><p>　?。?）ADC0804構(gòu)成的典型A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖 4-10 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　按照芯片手冊(cè)中ADC0804的典型接法，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換電路如4-10所示。單片機(jī)的P2.7引腳，

78、用來(lái)實(shí)現(xiàn)片選；、分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7引腳，進(jìn)行讀寫(xiě)控制；CLK、CLKR、GND之間用電阻和電容構(gòu)成RC振蕩電路，用來(lái)給ADC0804提供工作所需的脈沖。</p><p>　　蓄電池的電壓采集信號(hào)ADIN從6腳引入，在內(nèi)部采集轉(zhuǎn)換后，從數(shù)字輸出端輸出到單片機(jī)的P1口，通過(guò)讀P1口數(shù)據(jù)，便可以得到蓄電池的電壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。</p><p>　　4.6 LCD顯示電路<

79、/p><p>　　液晶具有體積小、功耗低，顯示清晰的優(yōu)點(diǎn)，所以比較適合作顯示使用。為了更好的顯示電壓值，同時(shí)擴(kuò)展自己學(xué)習(xí)芯片的能力，本設(shè)計(jì)用液晶1602來(lái)顯示蓄電池的電壓值。在使用1602之前，我們首先查閱其使用手冊(cè)，對(duì)其進(jìn)行一定的了解。從芯片手冊(cè)中，可以得到1602液晶的主要技術(shù)資料，如表4-1所示，通過(guò)此表我們可以知道1602工作電壓和顯示容量，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)選擇的是否合適。</p><p>

80、;　　表 4-1 1602的主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　顯然，1602液晶可以滿足要求，接下來(lái)介紹其各個(gè)引腳的功能，為后面設(shè)計(jì)電壓顯示電路做準(zhǔn)備。1602引腳功能如表3-2所示。</p><p>　　表 4-2 1602引腳功能表 </p><p>　　圖 4-11 電壓顯示電路</p><p>　　根據(jù)1602的技術(shù)參數(shù)和引腳功

81、能， 1602與單片機(jī)連接構(gòu)成的電壓顯示電路如圖4-11所示。EN使能端接單片機(jī)的P2.2引腳，用來(lái)實(shí)現(xiàn)片選；RS接單片機(jī)P2.0引腳，進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令選擇；R/W接單片機(jī)P2.1引腳，進(jìn)行讀寫(xiě)控制； 為防止直接加5V電壓燒壞背光燈，在15腳串接一個(gè)10 的電阻用于限流。液晶3端通過(guò)接一個(gè)10K 電位器接地來(lái)調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度。數(shù)據(jù)輸入端D0-D7接單片機(jī)的P0口用于電壓數(shù)據(jù)的傳送。</p><p>　　4.7 E2P

82、ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路</p><p>　　為了把電路發(fā)生異常時(shí)的蓄電池電壓記錄下來(lái)，需要用存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。若采用普通存儲(chǔ)器，在掉電時(shí)需要備用電池供電，并需要在硬件上增加掉電檢測(cè)電路，但存在電池不可靠及擴(kuò)展芯片占用單片機(jī)過(guò)多口線的缺點(diǎn)。為了解決這一難題，本設(shè)計(jì)采用具有I2C總線接口的串行E2PROM器件，這里選擇AT24C02芯片。AT24C02可有效解決掉電數(shù)據(jù)保存問(wèn)題，可對(duì)所存在數(shù)據(jù)保存100年，并可多次擦

83、寫(xiě)，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次以上。</p><p>　　AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS E2PROM， 內(nèi)部含有256個(gè)字節(jié)，采用先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02內(nèi)部有一個(gè)8字節(jié)頁(yè)寫(xiě)入數(shù)據(jù)緩沖器。該器件通過(guò)I2C總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能。為了更好的使用AT24C02，首先來(lái)介紹其各個(gè)引腳功能，如表4-3 所示。</p><p>　　表 4-3 A

84、T24C02管腳描述</p><p>　　I2C串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。根據(jù)各引腳的功能，依據(jù)總線系統(tǒng)的典型硬件連接圖，AT24C02與單片機(jī)連接構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖4-12所示。</p><p>　　圖 4-12 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路</

85、p><p>　　4.8 串口通信電路</p><p>　　隨著單片機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)的普及，單片機(jī)的通信功能愈來(lái)愈顯得重要。單片機(jī)通信是指單片機(jī)與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)與單片機(jī)之間的信息交換，不過(guò)通常使用的是單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。通信有并行和串行兩種方式。由于并行通信存在使用傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送成本高且收、發(fā)方的各位同時(shí)接受存在困難等諸多問(wèn)題，所以在現(xiàn)代單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，信息的交換

86、多采用串行通信方式。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中加入串行通信電路的目的主要有三個(gè)：一是方便給單片機(jī)下載程序；二是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能；三是將控制器每天采集到數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，供用戶查看。由于單片機(jī)的電平和計(jì)算機(jī)電平不兼容，設(shè)計(jì)中采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。而且系統(tǒng)采用易于實(shí)現(xiàn)的異步串行通信方式，用最簡(jiǎn)單也最實(shí)用的奇偶校驗(yàn)作為串行通信錯(cuò)

87、誤校驗(yàn)方式。</p><p>　　MAX232芯片是專門(mén)為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。其主要特點(diǎn)：</p><p>　　（1）符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　?。?）只需要單一 +5V電源供電 </p><p>　　（3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V

88、和-10V電壓V+、V- </p><p>　?。?）功耗低，典型供電電流5mA </p><p>　?。?）內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器 </p><p>　?。?）內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232C接收器 </p><p>　　（7）高集成度，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。</p><p>　　了解芯片的主要特點(diǎn)之后，

89、接下來(lái)我們來(lái)認(rèn)識(shí)MAX232它的各個(gè)引腳的功能，即有什么作用，以更好地設(shè)計(jì)串口通信電路。其引腳圖如圖4-13所示。</p><p>　　第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。</p><p>　　第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 </

90、p><p>　　其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。</p><p>　　TTL/CMOS電平從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232電平從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入

91、轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 </p><p>　　第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）</p><p>　　圖4-13 MAX232的引腳圖</p><p>　　按照串行通信原理，根據(jù)RS-232串口協(xié)議和MAX 232芯片的引腳功能，結(jié)合STC89C52單片機(jī)串行中斷方式，本設(shè)計(jì)采用串口方式1（10位數(shù)據(jù)的異步通信

92、）來(lái)構(gòu)建串口通信電路。電路如下圖4-14所示。</p><p>　　設(shè)計(jì)中T1IN連接CMOS電平的單片機(jī)的串行發(fā)送端；T1OUT連接電腦的RS-232C串口的接收端PCRXD；同理，R1IN連接電腦的RS-232C串口的發(fā)送端PCTXD；R1OUT連接CMOS電平的單片機(jī)的串行接收端。當(dāng)然單片機(jī)和DB9要共地，這是實(shí)現(xiàn)串行通信的前提條件。</p><p>　　圖4-14 串口通信電路&

93、lt;/p><p>　　本章對(duì)充放電控制器的原理以及具體的硬件實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)電路中使用到的芯片也予以描述，使讀者通過(guò)閱讀可以清晰的明白控制器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。</p><p>　　4.9 太陽(yáng)能充電控制器的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，受C語(yǔ)言模塊化編程設(shè)計(jì)思想的啟發(fā)，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)

94、立的子程序（子函數(shù)）模塊組成，它們之間通過(guò)函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)連接。既便于調(diào)試，連接，又便于移植、修改。系統(tǒng)軟件主要完成蓄電池電壓采集轉(zhuǎn)換，PWM脈沖充電控制、實(shí)時(shí)LCD顯示，異常報(bào)警等。包括以下幾部分：系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)，電壓采集轉(zhuǎn)換模塊， 顯示模塊和異常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。</p><p>　　4.9.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-15所示。</p>&l

95、t;p>　　圖 4-15 系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)主程序是整個(gè)電壓測(cè)控系統(tǒng)中最重要的程序，是一個(gè)順序執(zhí)行的無(wú)限循環(huán)程序。蓄電池電壓的采集、轉(zhuǎn)換顯示和異常數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)都在測(cè)控子程序中進(jìn)行，系統(tǒng)應(yīng)用主程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，首先完成初始化，然后就開(kāi)始按順序調(diào)用各個(gè)模塊子程序，通過(guò)系統(tǒng)自檢和控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和電路控制，有效的控制蓄電池充放電。</p><p>　　4.9.

96、2 軟件調(diào)試和仿真</p><p>　　為了檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)是否可以正常工作以及設(shè)計(jì)合理性，很有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。通過(guò)仿真可以看出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的不合理部分，以方便改善使得系統(tǒng)更加合理；同時(shí)更重要的是驗(yàn)證自己編寫(xiě)的軟件程序是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其功能，完成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　軟件調(diào)試的過(guò)程：首先根據(jù)太陽(yáng)能充電控制器軟件設(shè)計(jì)要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，然后按照C語(yǔ)言模塊

97、化設(shè)計(jì)的編程方法，設(shè)計(jì)出各個(gè)子模塊和主程序的算法流程圖，最后在KEIL C51中去編寫(xiě)相應(yīng)的程序去實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在編寫(xiě)程序進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是：程序的調(diào)試。程序編寫(xiě)后，進(jìn)行編譯，一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)了很多錯(cuò)誤，一下子把自己卡住了；后來(lái)通過(guò)查看相關(guān)資料，同時(shí)咨詢指導(dǎo)老師和同學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，，在軟件的提示下，慢慢地修改，最終把出現(xiàn)的錯(cuò)誤都改正過(guò)來(lái)了。</p><p>　　程序調(diào)試成功后，下一步就是軟件仿真，是檢驗(yàn)程序

98、運(yùn)行是否正確的關(guān)鍵所在，更是優(yōu)化系統(tǒng)所必須的。Proteus軟件為單片機(jī)系統(tǒng)提供了良好的仿真環(huán)境，所以程序調(diào)試完成后，把在KEIL中生成的目標(biāo)文件HEX文件，下載在仿真系統(tǒng)的單片機(jī)中，進(jìn)行KEIL和proteus聯(lián)合調(diào)試，看系統(tǒng)是否能正常工作。</p><p>　　使用protues進(jìn)行仿真，首先要畫(huà)電路圖，電路圖由以上介紹的幾部分組成，但因?yàn)榇税姹局袥](méi)有STC89C52單片機(jī)，所以用AT89C52代替，畫(huà)好的電

99、路圖如圖4-16所示。和自己當(dāng)初預(yù)料的一樣，在剛開(kāi)始仿真時(shí)，遇到了許多的問(wèn)題，如1602液晶不顯示，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈指示狀態(tài)不正確等等，調(diào)試很久才找到問(wèn)題所在，經(jīng)修改才得以調(diào)試成功。</p><p>　　系統(tǒng)共三種狀態(tài)：正常充電、過(guò)充、過(guò)放。這里僅列出系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的仿真圖，如下圖4-16所示，以便更形象的看出充電控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)功能。</p><p><b>　

100、　正常工作時(shí)的狀態(tài)：</b></p><p>　　圖 4-16 正常工作狀態(tài)仿真 </p><p>　　其工作原理如下，單片機(jī)在軟件程序控制下，控制著各個(gè)部分硬件電路有序工作，把從模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的蓄電池的電壓值，用1602液晶去顯示，同時(shí)綠燈亮起表示系統(tǒng)正在充電。</p><p>　　由于利用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)單片機(jī)與匯編語(yǔ)言相比，具有易于操作、規(guī)范性好、適合模

101、塊化處理且容易移植的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。按照C語(yǔ)言模塊化程序設(shè)計(jì)方法，論文編制了系統(tǒng)主程序和各個(gè)子程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制控制策略和各種保護(hù)，完成了軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　5 逆變主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變電路的設(shè)計(jì)主要包括逆變主電路的設(shè)計(jì)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)。</p><p>　　單相逆變電

102、路最常用的結(jié)構(gòu)有半橋和全橋兩種，半橋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電壓低；全橋電路相對(duì)復(fù)雜，但控制靈活，且輸出電壓是半橋電路的兩倍，因此逆變主電路采用單相全橋電壓型。</p><p>　　如圖5-1所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。對(duì)輸入的直流電進(jìn)行PWM調(diào)制，經(jīng)過(guò)LC濾波輸出。采用電壓瞬時(shí)值反饋，對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號(hào)送給控制芯片，通過(guò)PWM生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤給定信號(hào)。

103、</p><p>　　圖5-1 逆變電路的拓?fù)鋱D</p><p><b>　　5.1控制方法</b></p><p>　　對(duì)于光伏逆變電源的逆變部分，在這里采用脈寬調(diào)制方式，得到修正正弦波。</p><p>　　PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，

104、來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。</p><p><b>　　5.2控制芯片</b></p><p>　　控制芯片為 Microchip公司的PIC16F73單片機(jī)。PIC單片機(jī)是采用RISC結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比嵌入式控制器，采取數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的Harvard雙總線結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。PIC16F73最高時(shí)鐘頻率為20MHZ，每條指令執(zhí)行周期20

105、0ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)周期，因此速度相當(dāng)快。其內(nèi)含192字節(jié)的RAM ，4K程序存儲(chǔ)器、5路A/D轉(zhuǎn)換及2路PWM波發(fā)生器，應(yīng)用時(shí)外圍電路極其簡(jiǎn)單，是理想的單相逆變電源數(shù)字控制器。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部軟件產(chǎn)生兩路PWM控制信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)芯片TLP250隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€(gè)IGBT的柵極，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。</p><p>　　5.3PWM

106、控制電路</p><p>　　5.3.1PIC16F73供電電源</p><p>　　由于本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)只有蓄電池提供的12V電壓，故此芯片的5V供電電源需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，采用78L05三端集成穩(wěn)壓器，其電路接法如圖5-2所示：</p><p>　　圖5-2 78L05電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　5.3.2時(shí)序和死區(qū)電路<

107、/p><p>　　在電路工作中,開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間往往長(zhǎng)于接通建立時(shí)間,會(huì)出現(xiàn)上下橋臂直通的危險(xiǎn),為此,電路設(shè)有死區(qū)時(shí)間。設(shè)置死區(qū)時(shí)間是為了避免由于功率開(kāi)關(guān)的時(shí)延存在,功率橋的同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管可能出現(xiàn)“直通”尖峰電流現(xiàn)象。另外，PIC16F73只有兩路PWM輸出，因此需要采用時(shí)序電路，得到四路PWM輸出，如圖5-3所示：</p><p>　　圖5-3 時(shí)序死區(qū)電路</p>&l

108、t;p>　　5.3.3光耦隔離電路</p><p>　　后級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管時(shí)同樣需要進(jìn)行光耦隔離，為了簡(jiǎn)化電路，采用4個(gè)TLP250光藕，如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 后級(jí)光耦隔離電路</p><p>　　同時(shí)，H橋的二個(gè)上管用了自舉式供電方式，因?yàn)锽T電壓會(huì)在10-15V之間變化，為了可靠驅(qū)動(dòng)H橋，光藕250的圖騰輸出級(jí)工作電壓一定要在12

109、-15之間，不能低于12V，否則可能使H橋功率管觸發(fā)失敗。所以，這里用了一個(gè)MC34063（U9），把BT電壓升至15V，如圖5-5所示。</p><p>　　圖5-5 12V-15V電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　5.3.4電壓反饋檢測(cè)電路</p><p>　　系統(tǒng)交流輸出電壓為工頻220V的交流電，因此需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制及穩(wěn)壓，如圖5-6，調(diào)節(jié)R7便可把整