毕业设计微电网控制系统的研究

1、五 邑 大 学WUYI UNIVERSITY学 士 学 位 论 文论文题目: 微电网控制系统的研究 院 系 : 信息工程学院专 业 : 电气工程及其自动化学 号 : AP0904606学生姓名 : 丁梓健指导教师 : 黄辉二零一三年五月毕业设计任务书院系信息学院专业电气工程及其自动化学号AP0904606姓名丁梓健1、毕业设计题目：微电网控制系统的研究2、毕业设计任务及技术要求： 1设计任务:1) 研究国内外微电网技术的发展与应用；2) 研究主要微电网支撑的能源部分；3) 完成微电网太阳能发电部分和风力接入部分2 技术要求：1) 研究的资料要全面、充分，并能从中得出自己的观点；2) 太阳能和风

2、能发电接入能正常工作；3) 太阳能充电电路能为12V蓄电池充电；4) 能分析出微电网支撑能源部分的工作原理，并重点分析太阳能部分3、毕业设计应完成的项目内容和指导性进度安排： 1) 设计的思路的可行性构想；2) 设计元件的确定与申报；3) 电路原理图的设计和制作、调试；4) 论文资料的收集整理；5) 完成论文的初稿；6) 论文的修改；7) 论文评审；8) 毕业设计答辩。4、主要参考文献资料： 1廖惜春，项华珍，徐秀平，模拟电子技术基础M.华中科技大学出版社.2008年1月版2何立民，单片机应用系统设计M.航天航空大学出版社.2003年4高潮，C+程序设计M.冶金工业出版社.2010年5徐青山，

3、分布式发电与微电网技术M.人民邮电出版社.2011年1月版6国际电力网.微电网需立足分布式电源现状。2012.9.15http:/power.in-7 Wills H L,Seott W G.Distributed Power generationC. Planning and evaluationNewYork:CRC,2000.8胡学浩.分布式发电(电源)技术及其并网问题J.电工技术杂志.2004,10:1-5.9左文霞,李澍森,等.微网技术及发展概况J.中国电力.2008,42(7):26-28.10梁有伟,胡志坚,等.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述J.电网技术.2003,27

4、(12):71-75.11国家电网.微电网技术.2011.01.09院长（主任）签发： 指导教师签名：时间： 年 月 日 时间： 年 月 日摘 要本文以微电网接入的能源部分为主要研究对象，首先介绍了微电网的一些基本概况，包括他产生的背景、定义和国内外发展的状况。接着对微电网能源支撑部分也就是分布式电源进行阐述。最后，详细介绍了太阳能和风能发电的充电控制电路、继电器切换电路的设计过程。包括控制器的硬件、软件设计思路。设计结果表明：在有太阳能或风能的情况下，控制器可以对蓄电池进行稳定充电，切换器能在程序的控制下快速、安全地切换，微电网在孤岛模式下可以稳定运行，并具有良好的运行特性。关键词：分布式电

5、源；微电网；充电控制器；蓄电池 AbstractThe paper focuses on the energy part of the Micro-grid. Firstly,it introduces some basic information of Micro-grid,which includes its birth,definition and the domestic and foreign development status.Then comes to the elaboration of different kinds of DG.Finally,it will illust

6、rate how the solar charging controller and relay switching circuit were designed in detail.The design result shows that the controller can charge storage battery steadily in case of sunshine or wind, relay switching circuit can switch the circuit quickly and safely.In addition, the design also demon

7、strates that Micro-grid could work stably and in good performance.Key words distributed generation; micro-grid; charging controller; storage battery目 录摘要.IAbstractII第1章 绪论1第2章 微电网概况22.1 微电网的定义22.2 微电网的基本结构22.3微电网的特点32.4 国外微电网发展现状42.4.1美国的微电网研究42.4.2 欧盟的微电网研究52.4.3日本的微电网研究52.4.4 其他国家的微电网研究62.5 国内微电网发

8、展与展望7第3章 分布式电源83.1 引言83.2 太阳能光伏发83.3 风力发电93.4燃料电池发电93.5其它形式的分布式发电10第4章 微电网电源接入模块的硬件设计114.1 引言114.2 太阳能充电控制器的硬件设计114.2.1 设计概述114.2.2 主芯片电路设计114.2.3 单片机电源电路设计124.2.4 充电电路的设计144.2.5 输出电压调整电路设计144.2.6 显示电路的设计154.2.7 放电电路设计164.3 风力发电电源接入模块设计174.4 继电器切换电路设计17第5章 太阳能充电控制器软件设计195.1 引言195.2 主函数程序的设计195.3 TLC

9、5615调节模块程序设计205.4 显示模块程序设计215.5 模数转换测量程序设计225.6 按键程序设计设计22第6章 安装调试246.1 引言246.2硬件电路的安装246.3 软件调试246.4 硬软件联调25结 论26参考文献27致谢28附录1：总电路图29附录2：太阳能控制器实物图30附录3：继电器切换电路实物图30附录4：太阳能控制器主程序31附录5：TLC5615程序设计34附录6：显示程序设计35附录7：AD转换程序设计39附录8：按键程序设计40第1章绪论 分布式发电与大电网的结合在20世纪被国内外许多专家学者认为是减少能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式和主要出路。

10、诚然，分布式发电的确具有投资规模小、环保好和灵活性强等众多优点，但与此同时，分布式发电随着其发展也存在着诸多问题，例如，分布式电源单机接入成本过高、控制相对困难等。另外，分布式电源相对于整个大电网来说是一个不受其控制的不可控电源，因此，大电网不得不采取限制、隔离的方式来处理分布式电源，目的是为了减少对大电网的冲击。而且美国电气和电子工程师协会(IEEE)1547标准规定当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这一标准在很大程度上限制了分布式电源的有效发挥，也从中间接地限制了新能源的开发利用，也很难达到环保节能的目的。为解决此矛盾，为了能充分地利用分布式电源为电网和用户带来的效益和价值

11、，一个自然的想法就是将地理上靠近、又都以分布式供电为主的电源及其负荷在一个比配电网还小的局部上形成自治系统，因此，在21世纪初，一些专家学者提出了一个更为崭新的概念微型电网（Micro-Grid）被提出来了，也就是当今被广泛熟知的微电网，相应地把微电网中的分布式电源改称为微型电源（Micro Source，MS），也简称微源。发展和研究微电网无论是对整个电网或用户都是一个福音，显然，微网概念的提出主要是解决分布式电源带来的技术、市场和政策上的问题，是为了最大发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势。微电网的意义在于它：1)在微网内，用户就近取电和取热，能从整体上提高能源的利用率；2)微电源

12、大部分使用的是清洁的可再生能源，而清洁能源的使用能实现CO2的低排放乃至零排放，从而显著地保护自然环境；3)对间歇式能源的发电特征，通过合理的网源协调控制策略，可以保证对主电网不造成较大的冲击； 4)能解决偏远地区供电问题；5)当主网发生某种扰动事故时，微电网能够无缝平滑地切换到独立运行（或称孤网运行状态）从主网脱离，而当主网扰动清除回复正常后，微电网又能重新与主网同步并入主网。本文描述了介绍了国外一些发达国家微电网的定义、结构、研究现状与发展方向; 阐述了我国微电网发展的特点与现状，对主要微电网支撑的能源部分进行了分析和研究，并设计出了太阳能和风能这两类微电源接入模块的硬件电路，结合区永源同

13、学的控制电路实现了微电网在孤岛模式下的稳定运行。第2章 微电网概况2.1 微电网的定义目前，在国际上，一个统一的对微网的定义尚未形成，各国对微网的定义不尽相同，这主要是因为世界各国或组织对微电网的研究的重点有所差异。从1999年开始，著名美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响影响等方面进行了研究。在21世纪初，CERTS从结构、控制等方面详尽地阐述了微电网的概念：微电网是一种负责和微型电源共同组成的系统，它可以同时提热量和电能：微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量之间的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并

14、同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。欧盟微电网项目所提出的定义为：微网是利用分布式能源、储能装置和可控负荷共同组成的低压网络；容量范围从几百千瓦到几个兆瓦；能够与配电网并列运行，在上一级电网故障时可脱网自治运行，故障恢复后可重新并网。在日本较为认可的对微电网的定义是由三菱公司所提出的：微网是一种包含电源和热能设备以及负荷的小型可控系统，对外表现为整体单元并可以接入主网运行。在我国，结合我国发展状况，我国对微电网的定义为：微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。既可以与配电网运行（并网运行

15、），也可以与配电网断开独立运行（孤岛运行）。2.2 微电网的基本结构随着负荷等各方面需求不同，微电网的具体结构也会有所差别,但其基本单元都应包括集控中心、分布式电源、智能化用户、储能设备和具有自愈（故障重构）能力的电网等，其中大多数微电源与电网的接口是基于电力电子技术，以保证微电网的灵活性和可靠性。其结构如下图2-1所示。图2- l中的微电网是由两个并联的分布式电源DGI和DG2、电网、开关K以及负载组成，分布式电源（DG）一般包括天然气、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等洁净能源或可再生能源。图中微电网工作情况为当微电网在并网运行时,微电网通过开关K与电网相连,连接点为公共藕合点,DGI

16、和DG2只向重要负载提供部分能量(电网也提供一部分能量)。这种运行模式减轻了电网的负担,并且提高了重要负载的抗干扰性，当电网故障或检修的情况时,开关K将跳开,电网被切离,系统中的DGI和DG2将负责调节负载电压,并按预先设定的功率分配的原则向微电网中所有重要负载供电,此时微电网工作于独立运行模式（即孤岛运行模式），在电网故障清除后,微电网要在开关K闭合之前重新取得与电网的同步,以平稳恢复到并网运行模式，继续为电网供电。这种结构很方便地实现了微电源的“即插即拔”的功能特点。图2-1 微电网结构图2.3微电网的特点由微电网的定义可知，微电网有如下几个特点：1) 独特性：微电网是有微型电源及负荷构成

17、的小型电力系统，与大电网的主要区别在于灵活的可调度性。2) 多样性：微型电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。同时，微电网中也包含储能设备，作为系统稳定运行的必要条件；而负荷的类型也有很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等。3) 可控性：根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，安全性得到保障。4) 交互式：作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑；同时主网也可以向微电网供电。5) 独立性：微电网在一定条件下可以独立运行，在一定基础上保障了本地的用电需求。6) 可持续性：微电网采用的分布式电源大部分都是可再生

18、能源或清洁能源能大大减少对环境的污染，保护自然环境，真正地实现了能源和环境的可持续发展。由于微电网惯性很小或无惯性，在能量需求变化的瞬间分布式电源无法满足其需求，所以微电网需要依赖储能装置来达到能量平衡。在现有的微电网结构中，储能装置是维持系统暂态稳定必不可少的设备。具有单点接入，灵活的运行模式等特点的微电网，将带给电力用户和大电网一些益处。2.4 国外微电网发展现状2.4.1美国的微电网研究美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出微电网的概念，其设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量和供电的可靠性等。这些人性而科学的特点和他不懈的研究使他成为众多微电网

19、概念中最权威的一个。图2-2所示为CERTS提出的微电网基本结构。图中包括3条馈线A,B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。馈线通过主分隔器（通常是一个静态开关)与大电网系统相连，可实现孤网和并网两种运行模式之间的平滑切换。开关点即PCC所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的分离点。图2-2展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可以用来实现对整个微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加

20、或减少其功率输出以保持功率平衡。 图2-2 CERTS微电网结构2.4.2 欧盟的微电网研究从电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发， 2005年，欧盟提出“Smart Grid”项目，并在2006年出台该项目的技术实现方略。该计划的重心是如何将各种分散的小电源连接成一个微电网，并实现与配电网之间的连接。目前，该项目已取得一些很具有启发意义的研究成果，譬如，可用于逆变器控制的低压非对称微电网的静态和动态仿真工具、孤岛和互连的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、接地和保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微电网平台的理论验证等。 图2-3 欧盟微电网结构图欧盟采用的微电网结构如图2-

21、3所示，该结构也是通过一些电力电子期间接入分布式电源，同时，考虑到“即插即用”的需要。欧盟对微电网研究的核心指导思想是“能源、环境、可持续发展”，力求最大化地将小型分布式电源集成到配电网中去，提高不可再生能源利用率，减少对环境的污染。欧盟的后续任务将集中在研究先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等。在目前，在欧盟国家中，微电网的示范性工程主包括希腊吉斯诺斯岛微电网、德国曼海姆居民示范工程、西班牙LABEIN项目、葡萄牙EDP项目、意大利CESI项目、丹麦ELTRA项目等。欧洲微电网的研究计划都是围绕微电网的可靠性、可接入性和灵活性三个方面来考虑，电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲

22、未来微电网的特点2.4.3日本的微电网研究日本采用的微电网结构如图2-4所示，它允许燃气轮机等旋转发电设备直接接入，与微电网进行同步运行，目前，日本的微电网研究主要在对负荷的跟踪能力、对电能质量的监控、电力的供需平衡以及孤岛的稳定性运行等方面。日本的微电网主要采用的是主从控制结构，分布式电源的工作主要是通过顶层能量管理系统统一进行调度和管理，这样可以最大限度保证微电网暂态功率的平衡和抑制对主电网的影响。一个突出的特点是，日本的微电网并不具备“即插即用”的功能，因为他强调分布式电源类型的多样化。 图2-4 日本微电网的结构2.4.4 其他国家的微电网研究加拿大对微电网的相关研究主要集中在中压配电

23、网，主要包括三大方面：一是边远地区的供电问题；二是计划孤岛运行；三是城市电网如何作为“好市民”。韩国在207年成立了以高校为主的智能微电网研究中心，研究目标为配电网技术、电力变换器技术、开发控制和通信技术、微电网的仿真及模型开发。新加坡在国家能源决策报告中明确提出的要加强科研能力，强化能源研究的背景下，在2007年也开展了对微电网的相关研究，主要包括：微电网的孤岛和并网的运行模式；远程监控与智能控制；建立微电网和分布式电源研究的实验平台。2.5 国内微电网发展与展望目前，我国对微电网的研究尚处于起步阶段，作为一个新生事物，在国内尚未形成一个统一的概念，国家科技部“863计划先进能源技术领域20

24、07年度专题课题”中已经包括了微电网技术。目前清华大学、中国科学院电工研究所、天津大学等单位相继开始了对微电网的研究。也取得了相当的成就，如清华大学与辽宁高科能源集团合作在国内率先将微电网应用到实际工程中。由浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统，安装7台单机容量30千瓦的风力发电机组、100千瓦的光伏发电系统及一套50吨/天海水淡化系统，总装机容量300千瓦，并装设有蓄电池组进行调节，是目前国内最大的离网型综合微网系统。可见，微电网的发展和研究已经引起了国家的重视，将来将会有更多的微电网开始进行，微电网也将会获得更多的发展机会此外，微电网作为智能电网的有机组成部分，智能

25、电网只有涵盖了微电网才能高渗透率地大规模接入可再生能源，才称得上是真正的智能电网，所以,微电网的发展空间相当广阔。当然，从技术方面看，微电网在一些方面还需有待突破,譬如在快速隔离、孤岛保护、无缝切换、稳定控制、能量管理技术等方面。此外，我国目前新能源的发展政策是以电价补贴为主的，他更多地是扶持产业的中下游，虽刺激了产能，但却没能有效提升微电网的自主创新能力。微电网的建设者、运营者、使用用户假如在将来能直接受益，那么在微电网得到大量推广应用后，其自身的优势就会充分发挥出来，将进入良性循环，获得蓬勃发展第3章 分布式电源3.1 引言从本质上说,分布式电源与微电源可以互等,两者并无实质上的区别,各种

26、分布式电源都可以应用到微电网中作为微电源,成为微电网的一大组成部分。作为微电网的一大组成部分，微电源的发展也将会影响到微电网的发展，国家电力网于2012年9月5日作了微电网需立足分布式电源现状的讲话，需要我们在建设好微电网的同时也必须加强发展对分布式电源的研究。通常，我们所指的分布式电源是指功率大概为数千瓦至50 MW小型模块式的并且与环境兼容的独立电源。这些电源通常是由电力部门、电力用户或第3方所有，他们用来满足电力系统和用户特定的要求，如在用电高峰时调峰、为一些边远地区用户或商业区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。分布式电源具有很多集中式发电所不能企及的优点，譬如投资规模小、建设周

27、期短、占地少、运行维护容易及高效、经济、可靠、污染少等。随着社会的发展、环境保护等方面的需要，分布式电源将会越来越受到人们的青睐。分布式电源的类型有很多，主要有可再生清洁能源为主的太阳能光伏发电、风力发电和以不可再生资源的燃料电池发电、微型汽轮机发电。3.2 太阳能光伏发简单地说,太阳能发电就是利用“光伏效应”产生电能,由于光伏电池的基本特性和二极管相似，因此我们可以简单的用PN结来进行说明，如图3-1为光伏电池的单元的基本模型,当具有一定强度的太阳光射到半导体时，一部分的太阳光会与构成半导体的材料相互作用,会产生电子空穴对(因失去电子而带正的电荷)，如半导体中存在PN结，则在PN结的作用下,

28、电子会向N型半导体运动，空穴向P型半导体运动，并会聚集到两个电极，即负电荷和正电荷聚集于两端，如果两个电极能够成回路,回路中就有电荷定向移动产生电流。因此光能就转化为电能储存了起来，通过电力电子与控制技术，便能将电能变换为各种同负载的需要。可以看出太阳能发电与传统的发电方式是完全不同的，这其中没有旋转的转动部分，也没有有害气体的排出，是清洁的、友好的发电。 图3-1 太阳能发电工作原理3.3 风力发电风力发电机的结构和原理可以利用图3-2来说明，一般来说，风力发电的形式主要有三种：第一种一是风力发电系统独立运行；第二种二是风力发电与其他发电方式相结合（如与柴油机组）；第三种三是风力并网发电。无

29、论哪一种，其基本原理都可归结为：风力使风车叶片旋转转动，从而使风轮带动主轴（低速轴）转动，主轴同时打动齿轮箱转动，齿轮箱经过齿轮比转换，将低速转动转换为高速转动，同时齿轮箱带动着高速轴转动，高速轴与发电机连接，发电机经控制电路与负载连接，从而实现将风能转化为电能或化学能。 图3-2 风力发电机结构图3.4燃料电池发电首先，燃料电池与普通的蓄电池是有本质上的区别的，其最本质的区别在于燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须要有能量（即燃料）的输入，才有电能的产生，而普通蓄电池是一种能量的储容器，必须先将电能转化为化学能储存到电池中，在工作时只输出电能，无需能量的输入。燃料电池的结构和工作原理可以

30、用图3-3来说明，如图所示，燃料电池是由阳极、阴极和电解质（电容液）构成。当燃料（氢气）和空气被送入电池时，氢在阳极会被氧化，反应方程式如公式3-1所示；而氧在阴极会减少，反应方程式如公式3-2所示。这时，质子在电溶液中从阳极运动到阴极，而电子e经外部电路运动至阴极。在阴极，氧会与质子、电子发生化学反应，生成废热。总的反应式如公式3-3。通常情况下，阴阳两极都会加入一定量的催化剂来加速反应过程。用公式来说明这个过程可表示为：阳极反应式： 公式3-1阴极反应式： 公式3-2总反应式： 公式3-3 图3-3 燃料电池示意图3.5其它形式的分布式发电 除了上述三大类典型分布式发电外，还有一些其它形式

31、的分布式发电，如生物能发电、微型燃气轮机发电，生物能的发电技术主要为生物质的气化、生物质被压块成固化成型技术和生物质的液化技术，它的突出之处是对环境的贡献上，利于环境。微型燃气轮机主要是指以甲烷、天然气、汽柴油为燃料的小型燃气轮机，它们结构简单、技术简易、灵活性强等优点，但它与其他的分布式发电比较起来，显得发电效率相当的低，其主要应用也只限于短期的分布式发电供电规划内，发展和应用前景不明显。第4章 微电网电源接入模块的硬件设计4.1 引言本章进入微电网接入电源的硬件设计部分,在前一章,论文描述了三类典型的分布式电源,包括太阳能发电、风能发电和燃料电池发电，由于太阳能和风能均是清洁的可再生能源，

32、可以取之不尽，用之不竭。但由于这两类能源供电的间隙性（主要是受受天气），因此这两类分布式电源都不是直接接入电路使用，而是先将它们产生的电能用蓄电池储存起来，再通过逆变器变成标准的220V工频交流电，供给负载使用。4.2 太阳能充电控制器的硬件设计4.2.1 设计概述本设计从大体上由六大部分组成,包括主芯片电路、单片机电源电路、蓄电池充电电路、输出电压调整电路、显示电路和放电电路的设计。设计的技术要求和实现的功能是，在阳光或有电源输入的情况下，设计可以通过太阳能电池板或普通充电器可以为多种蓄电池充电，本设计程序设为为12V蓄电池充电；通过数码管实时显示充电电压和充电电流。当电池将充满电时，电路的

33、充电模式变换为“涓流充电”模式。本设计充电效率高，由于设计的是为12V蓄电池充电，因此，在逆变器的作用下，能为微电网提供电能，利用太阳能电池板进行充电，不仅节约资源，而且能减少对环境的污染。设计的充电效率高，能快速地充电，而且能有效保护蓄电池。4.2.2 主芯片电路设计STC12C5616AD单片机由宏晶科技公司生产的单时钟/机器周期（1T）单片机，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，它的速读比上一代快8-12倍，它的内部集成了MAX810专用复位电路、4路PWN和8路高速10位模数转换，在本设计中，它承担的主要功能是A/D转换，并与稳压控制芯片TLC5616之间通信，STC12C56

34、15的设计主要包括复位电路、晶振电路的设计。总设计电路原理图如图4-1所示图4-1 主芯片电路设计 复位电路的设计 复位，指的是对单片机的初始化操作，单片机启动工作时都会先进行复位，这样可以让CPU和系统处于一个初始状态，并使单片机从这个状态开始工作。因此，复位对单片机来说是不可或缺的一部分。本设计的复位电路设计部分如图4-2所示，复位电容和电阻取一般工程值，分别是10uf和4.7K欧姆。另外，本设计增加了手动复位功能，只要按下S10，单片机即会进行复位。 图4-2 复位电路设计 晶振电路设计单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下按节拍来进行的,这个脉冲是由单片机控制其

35、内部的时序电路发出的,为了保证电路的各部件间同步的工作,单片机内部电路应在时钟信号下严格的按时序进行工作。图4-3是晶振电路的设计，电容的值同样都是采用经验值30uf，晶振值为11.0592M赫兹。因此单片机的时钟周期约为1/12us，它的一个机器周期是11.0592(1/12)us，也就是约为1微秒 图4-3 晶振电路设计4.2.3 单片机电源电路设计本设计的单片机工作电压均为约5V，而太阳能电池板产生的电能的电压一般不会是稳定的5V，因此，为保证各芯片有一个能正常稳定工作的电压，必须设计一个专门为单片机提供电源的稳压电路。图4-4是单片机电源电路的设计，本电路其主要作用的是降压型开关稳压L

36、M2576T-ADJ,它的特点如下：1）具有3V、5V、12V、15V 的固定电压输出和可调节电压输出；2）可调节电压输出的范围为 1.23V 到30V，其线性调整率和负载调整率最大可以有4的误差；4）输入电压达到36V；5）需四个外围元件；6）置固定频率为52kHz 的振荡器；7）高效率8）内过热保护电路和过流保护电路LM2576T-ADJ管脚说明：VIN 正电源输入；为减小输入瞬态电压和给调节器提供开关电流，此管脚应接旁路电容。VOUT 开关输出端，输出高电压为（VINVSAT）。GND 电路地端。FB 反馈端。ON/OFF 待机端，低电平有效 。在本设计中，利用的是芯片可调节电压输出功能

37、，目的是为了保证单片机一定要在准确5V的电压以作为调节输出电压的参考电压。关于参考电压和调节输出电压将在后面详细讲述。单片机电源电路的工作过程为：太阳能电池板产生的电压经LM2576稳压后，在OUTPUT脚输出单片机的工作电压VCC，VCC的值可通过电位器进行调整，其运算公式为： 公式4-1因此,利用公式4-1，只要调节好R24的阻值就能使单片机获得较为精准的参考电压,当电路中因为某些原因使VCC电压发生改变时可以马上调节R24,使VCC重新稳定. 图4-4 单片机电源电路设计 4.2.4 充电电路的设计充电电路的设计如图4-5所示,电路的稳压同样利用到LM2576T-ADJ,但反馈端这次接的

38、不是电位器,而是接经芯片TLC5615C调节的输出电压端,有关TLC5615C的特性将在后面详述,待机端接的是按键开关,用于电路的最后调试。本次设计的充电电路可以同时为两个蓄电池充电，能大大提高充电效率。为实时显示蓄电池的充电电压和电流，需要对电路采样，如图。利用R21作为采样电阻，P15测的是采样电压，由于：，所以。电流显示由P14进行采样，由欧姆定律得,由于R20+R21的阻值远远大于R22，所以R20所在支路的电流可以忽略不计，所以 图4-5 充电电路设计4.2.5 输出电压调整电路设计输出电压的调整主要有芯片TLC5615来实现，TLC5615具有串行接口的数模转换器，它的输出为电压型

39、，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的 DAC 要好。只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机) 接口。直插式TLC5615的引脚分布如图4-6所示各引脚功能如下：1 DIN，串行二进制数输入端；2 SCLK，串行时钟输入端；3 ，芯片选择，低有效；4 DOUT用于级联的串行数据输出；5 AGND，模拟地；6 REFIN，基准电压输入端；7 OUT，DAC模拟电压输出端；8 VDD，正电源电压端图4-6 TLC5615在本设计设计中tlc5615的作用是进行AD转

40、换，设计如图3-7所示，当片选为低电平时，在每一个SCLK时钟的上升沿将DIN的一位数据移人16位移寄存器，在这里，二进制最高有效位被导前移人。接着，的上升沿将16位移位寄存器的1O位有效数据锁存于lO位DAC寄存器，供DAC电路进行转换；当片选为高电平时，串行输人数据则不会被移人l6位移位寄存器。当DIN读入数据后，经DA转换，在OUT输出电压VOUT，VOUT与充电电路中LM2576的反馈端相连接，与内部参考电压比较，进而调整充电电压。从图中可以看出参考电压VREF的值被设定为0.5VCC，也就是2.5V,而输出电压的计算可根据公式4-2进行计算， ，公式4-2，其中，X为DIN端读入的二

41、进制数，恒小于1024 图4-7 输出电压调整电路4.2.6 显示电路的设计显示电路的设计的驱动芯片应用是74HC595,它的特点是:时钟移位频率高,最大频率大于25MHz;他的特点是1）标准串行(SPI)接口;2）CMOS串行输出,可用于级联3）功耗低,最大电流仅仅为4uA图4-8是它的管教示意图,各管脚的说明如表3-1所示: 图4-8 74HC595管脚图表4-1 74HC595管脚说明 图4-9是设计的电路图,除了驱动芯片外,电路静还连接了排阻以增大输出能力,数码管也会与主芯片STC12C5616连接,接收数据,实时显示电流电压。 图4-9 数码管显示电路设计4.2.7 放电电路设计如图

42、4-10所示为设计的放电电路，放电时，通过程序控制，按下主芯片的复位按键，即可达到放电效果。图4-10 放电电路设计 4.3 风力发电电源接入模块设计如图4-11是风力发电电源接入模块，设计选用的是MAX-A1-W1-03,型控制器,它特别适用于600W的风机充电系统,它采用MPPT(即最大功率点跟踪)的控制方法.既可以保证风机在低转速和风俗速下能对蓄电池充电,又能提高发电率10%-15%。而且该充电器采用防尘防水设计，体积小，散热也好。它的技术参数如表3-2所示： 图4-11 风力发电机充电器表4-2 MAX-A1-W1-03技术参数表型号MAX-A1-W1-03电压等级12V额定功率300

43、W额定充电电流25A最大输出电流30A显示方式LED显示御荷方式PWM无级无噪软御荷方式性能MPPT最大功率点跟踪充电温湿度范围-20+60，3580%RH保护方式蓄电池过充电、放电、蓄电池反接、手动刹车4.4 继电器切换电路设计继电器切换电路是用来控制电路通断，前面提到分布式发电具有间歇性和不稳定性，在蓄电池和太阳能（或风能）之间要进行两者间的切换。切换的主要元件是继电器，它能起到小电流控制大电流的作用，不仅安全，而且稳定。 图4-12 继电器切换电路原理图图4-12是继电器切换的原理图，P1是连接太阳能充电控制器或风能充电控制器的连接端，P2的接线端与蓄电池连接，P3则是与逆变电源连接，P

44、4接线端与PLC（可编程控制器）连接，当蓄电池为逆变电源供电时，K2、K3闭合，K1断开，当蓄电池的供电电压低于12V时，K1、K2闭合，K3断开，充电器开始为蓄电池充电，如果P1送过来的电压为12V，此时充电器同时会为逆变电源供电。当蓄电池充满电（即输出电压为12V）时，KI再次断开，K2、K3再次闭合，为逆变电源供电。本设计中用到的继电器型号为SRD-05VDC-SL-C，价格便宜，在220V工作时，线圈最大的吸合电流为10A，在线圈得5V直流时即可吸和，适合单片的控制，而且该继电器功耗小。第5章 太阳能充电控制器软件设计5.1 引言本章是太阳能充电控制器的软件设计部分，程序设计的目的是实

45、现设计的功能、解决问题。程序设计的步骤主要有以下四步：1. 明确设计要实现什么样的功能和要解决什么问题；2. 针对设计工作原理和目的，画出程序的大体流程图;3. 根据设计好的流程图开始编写程序代码;4. 调试程序,检查程序是否存在错误或需要改进的地方。根据本次设计的太阳能充电器要实现的功能，因此，在软件的设计中它主要包括五大部分：1. 主函数程序设计；2. 模数转换程序设计；3. TLC5615电压调节的程序设计；4. 数码管显示程序设计；5. 按键调节程序设计。5.2 主函数程序的设计如图5-1,主函数是用来连接各功能函数的枢纽,起到连接和控制各部分分程序的作用,而各部分功能函数也会影响主函

46、数的运行,他的程序代码如附录主函数部分所示,流程图如图5-2所示,设计的大体思路是,程序先进行初始化,然后主程序检测是否有调节按键按下,如果有就判断其加减,如果没有,就输入和显示反馈电压,接着开始进行充电,实时显示电流电压值,当电池快充满的时候判断电池两端电压值是否为12V，如果是就固定输出，如果不是就要降低反馈电压，提高输出电压。 图5-1 主函数与各功能函数 图5-2 主函数流程图5.3 TLC5615调节模块程序设计TLC5615主要负责调节输出电压，所以本程序的设计功能是用来驱动TLC5615的，它首先接收STC12C5616输入的初始反馈电压，然后输对LM3576输出反馈电压，让稳压

47、芯片输出电压最低，流程图如图5-3所示，程序代码如附录所示。图5-3 TLC5615程序设计流程图5.4 显示模块程序设计数码管显示部分由74HC595驱动，由P30-P33作为选位，数码管由4位组成，在执行程序时，应先判断数码管的位数是否大于4，如果大于，这个程序将结束，如果小于4程序先处理给出的显示数据并将处理后的数据传至595进行锁存，由595来控制数码管的显示，然后数码管的位数自加1，然后程序再返回到数码管位数判断，进行循环，直至数码管显示4位。数码管显示程序设计流程图如图5-4所示。 图5-4 显示模块设计流程图5.5 模数转换测量程序设计模数转换由STC12C5616来完成，由于5

48、615内含8路的AD转换，所以本程序的设计思路为；先在主程序设置好测量通道,然后等待测量结束,测量结束完成后就关闭AD测量,最后返回测量数据给主程序。它的流程图如图5-5所示，程序代码如附录。图5-5 AD测量程序设计流程退 5.6 按键程序设计设计按键程序是在调试时用来确定充电电压的，在本程序中，按键设置的步长值为1，用户可以通过按下加减键来确定充电电压，但相应程序要改变。按键程序的流程图如图5-6所示。它的程序编写如附录。 子程序的设计思路如下：单片机首先判断是否有“加”或“减”键按下，如果有加被按下，则反馈电压数值增加1V，反之减1V，如果两个都没有按下，程序直接进入确定键后的程序，如果

49、其中之一按下，在调整好后即可按确定键进入后面的程序。 图5-6 按键程序设计在完成这部分后，总的程序设计部分也将完成，但这只是理论的编写，在接下来的调试中还会有变动和改善，程序的设计主要是以硬件为基础，硬软件的相互配合、相互补充，这样才能真正完成设计的目标要求，调试好后的程序如附录所示。第6章 安装调试6.1 引言本章进入设计的安装调试阶段，也是设计的最后部分，以上都是设计的理论分析，虽然在理论上可行，但在整个电路安装完成、烧入程序时却不一定能成功实现。因此，要想成功实现设计，在安装调试过程中要注意很多细致地方，决不能操之过急，一步步做好。电路的调试要按照本来设计的技术指标要求来调试，本设计的

50、技术指标要求如表6-1所示：表6-1 充电控制器技术指标要求技术指标要求实现指标备注输出：满载12V+0.1满载12V3-12V可任意设定电流：比例误差2%误差70%92.4%过流：3A+0.023A6.2硬件电路的安装本设计由于电路不是太复杂，故采用单面覆铜板进行制作，制作的流程如图6-1所示。图6-1 硬件的制作过程在制作电路板的过程中要注意一些细致问题，尽管这些问题看似繁琐，但会对最后设计是否成功有重要影响。要注意的问题包括：1) 在制作PCB图时，焊盘的大小要根据元件管教的大小设置好，该设置大的要设大，该小的要小；2) 继电器切换的电路应设置宽一点，因为是大电流流过，太小的话会影响电路的正常工作；3) 在转印电路图时，转印时间不宜过长，在转印过程中，电路图与敷铜板之间决不能有相对移动，否则转印失败；4) 在转印完成后，一定要仔细检查电路线路是否有有不清晰或断线的部分，如果有，一定要用油性笔补回；5) 铜板的腐蚀一定要干净，否则可能在焊接好后，通电便会引起短路；6) 钻孔时不能钻太快，否则会