太阳能充电放电控制器设计毕业设计论文

北华大学本科生毕业设计（论文）电气信息工程学院 毕业设计论文课题名称：智能高效太阳能电池的设计与实现目录第1章绪论1.1课题研究背景1.2本课题研究的主要内容第2章太阳能电池的研究和分析2.1太阳能电池的原理2.2太阳能电池的分类2.3太阳能电池的等效电路2.4太阳能电池板的主要参数2.5本章小结第3章蓄电池充电技术研究3.1蓄电池的一般特性3.2太阳能蓄电池充电技术研究3.3本章小结第4章系统硬件设计194.1太阳能充/放电器原理4.2系统硬件设计4.3单片机的防干扰技术4.4本章小结第5章系统软件设计5.1protues仿真5.2keil程序调试5.3流程图5.4本章小结结论参考文献致谢附录-1-北华大学本科生毕业设计（论文）北华大学本科生毕业设计（论文）化合物为材料的太阳能电池；③功能高分子材料(有机半导体)制备的太阳能电池；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。IIOILI太阳光VLI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。qvIILIOexpnKT1(2-1)当I=0时，可以得到太阳能电池的开路电压KTIVlnL1 qIO(2-2)其中I为电池单元输出电流；I为PN结电流(A)；I为二极管的反向饱和电 L O流(A)；V为外加电压(V)；q是单位电荷(1.61019K库仑)；K是玻耳兹曼常数(1.381023J/K)；T是绝对温度(Tt273K)；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R来表示。同时，由于电池边沿的漏电，在S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R来等效表示。此时的等效电路可根据图2-2sh来描述，其伏安特性可由2-2式给出。shshRIOILI太阳光VLIshI图2-2实际光伏电池等效电路qvRIV+RI IIIexpS1 S(2-3)L OnKTRsh此式叫做光伏电池的超越方程式。2.4太阳能电池板的主要参数2.4.1光伏电池的主要参数光伏电池的几个重要技术：短路电流I：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。SC开路电压V：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。OC最大功率点电流(I)：在给定日照强度和温度下相应最大功率点的电流。M最大功率点电压(V)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。M最大输出功率(P)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。M填充因子P FF M (2-4)VI OC SC⑦光伏电池的转换效率：输出功率P与阳光投射到电池表面上的功率P之 M S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，MPPTPM/PS。以上各个参数可以在图2-3中表示如下：SCI0SCI0OCVMVMPVIMIMAXMAXV)(vVMPMAXP)(wP图2-4太阳能电池的P-V特性曲线图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I为最佳工作电M流，V为最佳工作电压，P为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电 M M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I，V，M M从而求出最大输出功率：PIV。但是要求出其解析解，几乎不可能。因 M M M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，I和V的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面 M M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I和V乘积就等于I和V的乘积。对 M M SC OC实际光电池，引人填充因子FF(Fillfactor)概念来表征光电池的这一特性，填充因子FF定义为式2-4。它表示最大输出功率的值所占的以V和I为边长的矩形面 OC SC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。2.4.2太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图2-5、图2-6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2-5可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(I)和最大功率点电流(I)随日照强度的上升而显著增大虽然日照 SC M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2-6中虚线与各实线的交点所示。21000W/m21000W/mS2800W/mS2600W/mS2400W/mS2200W/mS1000W800W600W400W200W2.010001.58006001.04000.5200UVUV O100200300400500 O100200300400500图2-5不同日照下的I-V关系曲线图图2-6不同日照下的P-V曲线图2.4.3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。o50Co50Co0Co25C21000/SWm21000/SWmo0Co25Co50C2.010001.58006001.04000.5200U(V) 100200300400500600 100200300400500600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：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；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；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，MaximumPowerPoint)，且随着外界环境的变化而变化。2.5本章小结本章内容主要介绍太阳能电池板的相关知识。首先介绍了太阳能电池的原理，即太阳能电池板进行光电转换的原理；其次对太阳能电池板的等效电路进行了分析；介绍了太阳能电池的分类；最后结合可能影响太阳能电池板内部和外部因素对其输出特性作了分析介绍。

第3章蓄电池充电技术研究太阳能充电系统中充电器最主要的功能是控制太阳能电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个系统的正常、可靠运行。蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，在设计充电器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理作一个详细的分析研究。3.1蓄电池的一般特性3.1.1主要参数指标 描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。当然对于不同的蓄电池还有不同的参数，后面用到铅酸蓄电池时再详述。下面介绍其中一些参数的概念及相互间的关系。1蓄电池充放电容量蓄电池充电容量Q：蓄电池充电时消耗的电量。CQtCIdt(3-1) C C0式中I为充电电流，t为充电时间。蓄电放电容量Q：全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。dQtdIdt(3-2) d d0式中I为放电电流，t为放电时间。 d d影响蓄电池放电容量的主要因素有：放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。电解液的温度当电解液温度在10-35℃变化时，温度每升高1℃，蓄电池容量约增加额定容量的0.008。通常采用25℃下10小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量。2蓄电池效率放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的百分比。可用安时效率或瓦时效率表示，它们的关系为A WIUtd d dw IUtc c cUd100%(3-3)AUc式中U和U分别为蓄电池充放电时的平均电压。 C d3荷电状态(SOC)己充电量与蓄电池额定容量的比值。Q(t) SOC (3-4)Qr式中Q(t)是蓄电池实际带电量，Q是额定容量。r荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。放电深度(DOD)蓄电池放电量与额定容量的比值。DOC1SOC(3-5)蓄电池寿命浮动充电寿命：蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。即在一个固定的浮充电压和特定的电解液温度条件下的使用寿命。循环寿命：在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。选择放电深度30-50%，环境温度10-25℃可充分延长蓄电池使用寿命。3.1.2铅酸蓄电池的充放电特性 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO），在硫酸溶液中水分子的作用2下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（PbOH），氢氧根4离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（HSO）发生反应，变成铅2 4离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，如图3-1所示，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 PbO Pb2424HSO4Pb2OH2H2OH2H24SO24SO2Pb2Pb图3-1铅酸蓄电池电动势产生原理其原理可通过下面的反应方程式来表示：负极：PbHSOPbSO2H2e(3-8) 2 4 4 PbOHSO2H2e PbS2O HO 正极： 2 2 4 4 2(3-9) PbPbO2HSO2 PbS2O HO总反应：22442(3-10)图3-2是固定放电电流下电池端电压与放电时间的示意图。从图可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量间存在一定的关系。但到了放电末期，出现转折点，此时电池端电压急剧下降，这是因为电解液中，硫酸的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短。放电时间放电时间U电池端电压转折点图3-2铅酸电池端电压与放电时间的关系3.2太阳能蓄电池充电技术研究对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法3.2.1恒流充电 恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。充电过程中电压、电流变化关系如图3-3所示。IIU,tIU,UIUIt图3-3恒流充电曲线图3-4恒压充电曲线3.2.2恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图3-4所示，此法也有其不足之处：在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。3.2.3恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。3.2.4两阶段、三阶段充电 这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。其充电特性如图3-5所示。在两阶段充电完毕，即蓄电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对蓄电池继续以小电流进行充电，以弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图3-5的虚线段U。本系统采用的就f是三阶段充电阶段。UUUIfUIU,t图3-5两阶段、三阶段充电曲线3.2.5快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要8-20小时，充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1-2小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45℃以下)。这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。3.2.6智能充电 智能充电是以美国人J.A.MAS（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。虽说可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。因此还未见到在光伏系统中采用充电可接受电流控制的智能充电的研究报道。3.3本章小结介绍了蓄电池的相关知识。首先通过对蓄电池的概念和一般特性的介绍，使我们对蓄电池有了更多的了解；并结合上一章对太阳能电池板的介绍，简单的对太阳能蓄电池充电技术作了简单的研究。

第4章系统硬件设计4.1太阳能充/放电器原理太阳能充放/电控制器的作用是有效地控制太阳能电池板给蓄电池充电，同时控制蓄电池为负载放电，以12V蓄电池为例，以其配套的太阳能电池板在有一定光照强度下的开路电压为21V，接入控制器后的电压为17V，蓄电池的电压为10~14V，不同的蓄电池其充放电特性是不同的，若为小容量蓄电池，当接通太阳能电池板与蓄电池后，蓄电池的电压会在很短的时间内被电池板充到14V，若不加控制，蓄电池电压甚至会更高，我们判断蓄电池是否已经充满的标准就是检测蓄电池的电压值，实际上在这种方式下检测出的结果是不准确的，因此此时检测到得蓄电池电压是虚电压，而等电池稳定后，再测量电压，会发现电压下降了许多，我们加入控制器的目的就是当检测到蓄电池电压达到一定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的MOS管的开关，以一种脉宽调制的方式，降低充电电流以进一步为蓄电池充电，直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值。控制负载是需要注意，当蓄电池电压放电到一定电压值以下时，要关断负载，以保护蓄电池不能太过放电，若控制器控制充电部分电路出现问题，蓄电池电压将有可能一直被充到16V以上，这样的电压连进负载时，极有可能烧毁负载，因此，也要保证当蓄电池电压高于一定电压值时同样要关断负载。以充/放电最大电流10A、额定电压12V控制系统为例，其主要实现功能如下：要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压，若高于蓄电池电压则开始充电：若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成电量损耗。负载放电电流达到12A时控制器通过蜂鸣器报警，提示用户负载已经过载请降低负载功率运行：当放电电流达到15A时控制器会自动切断负载输出，以保护控制器不被烧坏。切断负载输出后，控制器要能够自动检测负载功率，当负载功率降低到额定功率一下时，控制器又可自动开启负载。当蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警提示；当从低于10.8V回升到13.2V时自动接通负载（欠压恢复）。当蓄电池电压高于14.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警提示；当从高于14.8V回落到14.7V时自动接通负载（过压恢复）。当蓄电池处于浮充状态时电压值控制在13.7V。当用户将太阳能电池板反接至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被损坏的功能。当用户将蓄电池反接至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被损坏的功能。当负载发生短路时，控制器要具有自我保护能力，同时能检验出短路状态并给予报警提示；当短路解除时能够自动恢复正常。不同的温度对于蓄电池的浮充电压点是不同的，要有自动检测温度功能，并且能够自动调节蓄电池的各个电压点。最后，以上设计中的所有参考点都可手动调节，同时可手动微调以校准单片机的A∕D参考电压，使所有控制器的参考点统一。4.2系统硬件设计4.2.1主控芯片的设计 单片机是整个路灯制器的智能核心模块，在此选用STC12C5412AD单片机，如图4-1所示，该芯片具有4路PWM输出，这里使用其中一路PWM控制充电MOS管的开关，自带8路10位A/D，用来采集系统中所有需要处理的模拟信号，R1和R2采用精密电阻，主要用来分压蓄电池电压后，让单片机采集，通过R1和R2大小关系计算出蓄电池实际电压，然后根据项目实现功能进行相应的控制。其中R1、R2一定要使用精密电阻，其他电阻可选用普通电阻。所谓精密电阻是指误差小于1%的电阻，普通电阻的精度为5%~0%。图4-1主控芯片主控芯片采用STC12C5412AD单片机，该单片机具有以下特性：·增强型8051CPU，指令代码完全兼容8051内核·1个时钟/机器周期高速运行·SOP-28超小封装·4路PWM/PCA/CCU/捕获/比较单元·8路10位高速A/D转换·12KBFlash程序存储器·片上集成512字节RAM·内置E²PROM数据存储器·外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断·内置硬件看门狗·两个定时器·全双工异步串行口（UART）·高速硬件SPI通信端口，主模式/从模式·片内R/C振荡器·宽电压范围3.8～5.5V·低功耗设计，包含空闲模式和掉电模式·工作频率为0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz·加密性强，无法解密·超强抗干扰·工作温度范围：-40～+85℃(工业级)/0～75℃（商业级）·6个16位定时器其中两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器T2，PCA模块可实现4个16位定时器4.2.2串口通信设计 如图4-2所示，串口通信部分采用MAX232芯片进行TTL电平和RS-232电平之间的转换。MAX232CSE—TTL电平与RS-232电平转换芯片，4路转换，外围接5个104电容。加入串口的目的主要有三个：一是给单片机下载程序；二是使控制器具有远程通信或远程监视的功能；三是将控制器每天采集到得数据的极限值和发生异常状态时的数据记录在其内部的E²PROM中，当工作人员需要查看数据时，可直接通过串口读取数据。最后，还需要与上位机软件配合使用。图4-2串口通信4.2.3液晶接口的设计控制器板上预留有1602液晶接口，如图4-3所示，可根据用户需要选择安装1602液晶。1602液晶—可显示两行，每行16个字母，工作电压4.5～5.5V,带背光，并口操作方式。特点：单5V电源电压，低功耗，长寿命，高可靠性。内置192种字符。具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或四个511点阵字符。图4-31602液晶接口4.2.4发光二极管的设计图4-4为控制器发光二极管指示灯，它有6个状态指示：①蓄电池接入指示灯；②系统正常工作状态指示灯；③蓄电池欠压指示灯；④蓄电池过压指示灯；⑤充电状态指示灯；⑥负载工作状态指示灯。图4-4发光二极管指示灯4.2.5蜂鸣器的设计 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器用于系统出现异常是报警，如图4-5所示，其中使用了4个二极管，其作用是当用户不小心将蓄电池反接至控制器时，蜂鸣器会以长响报警，用户提示接入有异常，同时还保证在蓄电池正确接入系统的条件下当BEEP端为单片机输出高电平时，蜂鸣器也可发声报警。图4-5蜂鸣器4.2.6按键设计图4-6中按键用来调节系统的各个参数及状态。图4-6按键4.2.7电源接口设计图4-7为电源接口，控制器采用太阳能电池板、蓄电池和负载共用正极的方式接入，通过蓄电池负极与太阳能电池板负极之间的MOS管控制充电的开/关，通过蓄电池负极与负载负极之间的MOS管控制负载放电的开/关，图7中各个电气符号意义如下：PV+—太阳能电池板正极PV-—太阳能电池板负极VCC(12V)—蓄电池正极BAT-—蓄电池负极FU+—负载正极FU-—负载负极图4-7电源接口其中，PV+、VCC(12V)、FU+连接在一起。4.2.8晶振设计 图4-8为单片机晶振电路，晶振频率采用12MHz。单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十，高级的精度更高。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。图4-8晶振电路4.2.9电源部分和控制部分电路设计图4-9为电源转换及控制器部分电路，蓄电池正极从二极管DD6的阳极接入，DD6为防电源反接构成反向回路设计。Q3，R16，DW2为一级降压电路，将蓄电池电压钳位在9.4V左右。DW2为10V稳压管，当蓄电池电压高于10V时，通过三极管Q3和稳压管DW2后降压到9.4V。降压到9.4V的原因是三极管的基极电压被稳压管稳定在10V，通过BE极之间的PN结后电压下降0.6V，所以为9.4V。然后通过二级降压电路R17，Q4和DW3将输出电压钳位到5V,这5V电压用来给单片机系统提供电源，两级降压电路中使用三极管的作用是为了扩流，单纯用稳压管同样可以稳压到期望的电压值，可是输出的电流会非常小，以至根本无法带负载。电阻R25，R26和二极管DD8用来检测太阳能电池板电压值，标号“PV-”为太阳能电池板负极，“JCPV”接单片机A/D输入口。当“PV-”电压等于或大于“BAT-”电压时，说明太阳能电池板电压等于或小于蓄电池电压，这时不能开启充电控制。R12，R13，R14，R15，DW1，Q2，T1为控制负载开关电路。DW1用来保证MOS管与GS之间电压最大不得超过10V，否则会损坏MOS管，三极管Q3导通时，MOS管T1关闭；Q2不导通时，MOS管T1开启。标号“ADC1”有三个作用，一用于单片机控制负载通断；二用于采集MOS管在开启状态下的DS压降，从而检测负载消耗电流大小；三当负载过度或短路时，“ADC1”由硬件自动时MOS关闭，从而保护MOS管及负载的进一步损坏。R21，R20用来启动硬件自动关闭充电，当太阳能电池板低于蓄电池电压时，可由“PV-”直接控制Q5三极管，Q6的控制将失效。T2，T3两个MOS管对接才可有效控制充电回路，因为MOS管内部自身会有一个二极管，N沟道为S指向D，P沟道为D指向S，DW4为T2和T3MOS管稳压。T2和T3MOS管的开/关由Q3和Q6两个三极管的状态共同决定。其中三极管9012—PNP型，低频放大，50V，0.5A，0.625W,150MHz。9013—NPN型，低频放大，50V，0.5A，0.625W,150MHz。BC337—NPN型，低频放大，45V，0.5A，0.625W,100MHz。而二极管IN4148—电流150mA，反向最大电压75V,截止频率100MHz。MOS管IRL2703—N沟道功率MOS管，V=30V,R(ON)=0.04 DSS DSΩ，I=24A,最高运行温度175℃。D图4-9图4-9电源转换及控制部分电路4.2.10生成并设计PCB电路图设计完毕之后进行PCB的设计，首先进行验证，程序将验证结果显示在Check字段，如图4-10所示，在进行数据更新，程序将数据更新结果显示在Done字段，如图4-11所示。再对其进行布局布线，结果如图4-12所示。4-10数据验证4-11数据更新4-12PCB图4.3单片机的防干扰技术4.3.1干扰分析 1、干扰产生的原因总的来说，干扰信号的产生主要有三类：放电干扰：主要是雷电、静电、大功率开关触电断开等放电产生的干扰；高频振荡干扰：主要指感应电炉、中频电弧、开关电源、直流-交流变换器产生高频振荡时形成的；浪涌干扰：主要是交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器等设备产生涌流引起的。这些干扰可能通过各种形式作用于计算机测控系统，对它们的性能有严重的影响，其中以各类开关分断电感性负载所产生的干扰最难以抑制与消除。本系统最有可能产生干扰的就是静电引起的放电干扰，还有开关电源引起的高频振荡干扰。2、干扰的危害干扰对于不同设计的控制系统的影响范围和影响程度不一样，基本上干扰产生的后果有以下五个方面：数据采集误差加大。干扰侵入计算机系统测量单元模拟信号的输入通道，叠加在有用信号上，会使数据采集误差加大，特别是对于比较微弱的信号，干扰更加严重。控制状态失灵。一般计算机输出的控制信号较大，不易受到外界的干扰。但计算机输出的控制信号常依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的信号受到干扰，引入虚假的状态信号，将导致输出控制误差加大，甚至控制失常。数据受干扰发生变化。就是在进行数据的读/写操作时，由于一些错误的信号使得数据发生异变，而这些数据的变化可能使得控制状态失灵，也可能改变程序的运行状态。程序运行失常。这个严重的后果表现为程序执行一系列毫无意义的指令，最后进入死循环，这将使输出严重混乱或系统失灵。器件损坏。某些干扰：静电可能会使得芯片上加上一个较大的电压，这样一个芯片的某些部件将很快的烧毁。4.3.2硬件抗 干扰方法在上面的分析中已经很清楚的阐述了干扰带来的危害，所以必须采取措施抵抗干扰的出现，或者把干扰带来的危害降到最低。下面是一些常用的抗干扰措施，并且在本文的硬件设计中也用到了其中的一些措施。抑制干扰源。这里常用的措施有：继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰；适当增加电路板上各个集成块的滤波电路，并且要注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果；布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。如下图4-13所示。图4-13抗干扰电路图中主要采用了两种电容来对抗可能的干扰，采用大容量的滤波电容可以有效地抑制电源上出现的纹波，即轻微的电压波动，并且能够构成电压快速变化分量的泄放电路，防止电压的快速波动；而退藕电容是并接在芯片的电源和地线之间的，用于消除高速跳变的电流产生的阻抗噪声。其中C5是退藕电容C6是滤波电容。切断干扰传播途径。这里就有几个需要注意的方面了：充分考虑电源对单片机的影响；有可能的话抑制电场、磁场的干扰，这个现在最常见的就是光耦器件，本系统并没有采用；注意晶振布线，晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定；电路板合理分区，尽可能把干扰源与敏感元件隔离；模拟地和数字地的隔离（如图4-14）；上拉电阻的使用（如图4-15）。R1R1模拟地模拟电路1模拟电路2数字电路1数字电路1数字地电源地R3R2R4图4-14地线连接P0.0P0.1P0.2P0.3...AT89S52CCV4.4本章小结本章首先介绍了太阳能充/放电的原理，然后从硬件电路的各个部分着手，详细介绍每一部分的工作原理和工作工程。 对硬件电路的介绍中主要从系统的两个核心部件STC12C5412AD 和MAX232展开，并对其他部分做了一定的介绍，并且生成了PCB。另外，本文也比较详细的介绍了单片机的抗干扰技术。第5章系统软件设计5.1protues仿真使用protues进行仿真，首先要画电路图，电路图与前面的protel图基本一样，但因为此版本中没有STC12C5412AD单片机，所以用AT89C52代替。而MAX232因其电源内置而没有画出。因为protues中没有太阳能电池板所以没有画出。仿真电路图如图5-1所示，运行后如图5-2所示。图5-1仿真图图5-2仿真运行图5.2keil程序调试使用keil编译程序，在调试成功后与之前画好的protues仿真图相连，便可完成仿真，本系统调试在keil.c环境下进行，具体步骤如下：(1)打开keil软件，新建工程打开keil软件，选择project——newproject创建新工程，如图5-3所示。(2)选择单片机输入功能项目名之后，因为系统中没有STC12C5412AD所以在单片机窗口中选择AT89C52单片机作为模拟单片机，如图5-4所示。(3)新建文件并导入工程通过菜单File——New创建一个新的文字编辑窗口，我们可以将写好的程序直接复制上面，也可以直接在上面编写。编写完毕以后选择“保存”。保存完毕后，会出现类似第2步的对话框，我们把第一个程序命名为TEXT.c，保存在项目所在的目录中，这时您会发现程序单词有了不同的颜色，说明KEIL的C语法检查生效了。此时鼠标在屏幕左边的SourceGroup1文件夹图标上右击弹出菜单，在这里可以做在项目中增加减少文件等操作。我们选“AddFiletoGroup„SourceGroup1‟弹”出文件窗口，选择刚刚保存的文件，按ADD按钮，关闭文件窗，程序文件已加到项目中了。图5-3新建工程图5-4选择单片机型号5.3流程图5.3.1系统流程图下图是本系统的工作流程图。如图5-5所示从系统开始运行、初始化然后互在电池端电压采样，当测得蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警提示；当蓄电池电压介于10.8V到13.2V之间时自动接通负载；当蓄电池电压高于14.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警提示。NNN10.8V<U<13.2VYYYYNN开始初始化电池端电压采样U<10.8V13.2V<U≤14.7VU≥14.8V自动关断负载（欠压关断），并报警自动关断负载（过压关断），并报警自动接通负载图5-5系统的工作流程图5.3.2A/D转换流程图下图是A/D转换的流程图，如图5-6所示，系统开始后选择通道，允许A/D转换，在设置其相应寄存器的值之后启动转换，判断转换是否结束，若结束，读取转换值，再进行数据处理。若没结束，则继续进行转换。YY开始选择通道，允许A/D转换设置相应寄存器的值启动转换转换是否结束读取转换值数据处理N图5-6A/D流程图5.3.3蜂鸣器流程图蜂鸣器流程图如图5-7所示，开始后设置循环计数A，当BEEP=1后延时400ms,延时后BEEP=0，再延时400ms,若判断A=0则结束，若不等于则重新开始。YY判断A是否等于0开始设置循环计数值ABEEP=1BEEP=0延时400ms延时400ms结束N5.4本章小结本章重点介绍了系统的仿真，程序调试以及流程图。仿真中包括了仿真图以及运行图，详细的介绍了程序调试的各个步骤，画出了系统流程图、A/D转换流程图以及蜂鸣器流程图。结论在本课题的研究中，我对太阳能发电、蓄电池以及单片机硬件和软件的知识有了很大程度的提高。太阳能充放电控制器的主要作用就是要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压，若高于蓄电池电压则开始充电：若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成电量损耗。本文是以充/放电最大电流10A、额定电压12V控制系统为例。当蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载，同时有报警提示；当从低于10.8V回升到13.2V时自动接通负载。当蓄电池电压高于14.8V时，自动关断负载，同时有报警提示。在设计的过程中也遇到过很多问题。比如：在使用protel软件画电路图时因为STC12C5412AD没有封装而无法生成相应的PCB，但最后通过学习完成了封装；在电路图设计完成后又加入了防干扰电路并且将晶振和单片机之间的距离尽量缩短以减少干扰。但是由于时间比较紧，很遗憾的是，并没有完成电路板的制作，希望能在以后的学习中完成这项工作，完善整个设计。随着能源问题的日益严峻，相信太阳能充放电技术讲会运用在更多领域，也相信这方面的前景一片光芒。参考文献高桥清．太阳光发电．北京：科学出版社，1987.ChihchiangHua,ChihmingShen.StudyofmaximumpowertrackingtechniquescontrolofDC/DCconvertersforphotovoltaicpowersystem.PESC98Record29thAnnualIEEE.1998(1):86-93.欧阳名三，余世杰，沈玉梁等.具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究[Jl.农业工程学报.2003,19C6):272~275.杨树明，史胜达.独立光伏电源系统设计方法.2001年全国电源技术应用研讨会论文集.2001.刘广林．铅酸蓄电池技术手册．北京：宇航出版社出版，1991.罗光毅．蓄电池智能管理系统．浙江大学硕士学位论文，2003.刘建平．从阀控式密封铅酸蓄电池看充电器．移动电源与车辆，2000(3)：29-32.JamesP,DunlopBrianN,Farhi.Recommendationsformaximizingbatterylifeinphotovoltaicsystems.AreviewoflessonslearnedProceedingsofForum2001SolarRnerny,ThePowertoChooseWashingtonDC,2001.21-25.刘福刁，刘新田．单片机全自动跟踪太阳发电设备控制器的设计．微计算机信息，1999，15(4)：2-6.薛均义，张彦斌．MC5-51/96系列单片微型计算机及其应用．西安：西安交通大学出版社，1997.赵富鑫，魏彦章等．太阳电池及其应用.北京:国防工业出版社，1985.朱小同，赵桂先．蓄电池快速充电的原理与实践.北京:煤炭工业出版社.毕大成，周希德．电动汽车铅酸蓄电池快速充电方法的研究.电源技术，200024(3)159~161.太阳能多功能充电器的设计.德州学院机电工程系.陈洁.智能型多用途太阳能供电系统（辽宁工学院硕士学位论文）.闰妍.2007.3[16]太阳能电池，李海雁，杨锡震著，大学物理第22卷第9期2003年9月.[17]郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京:电子工业出版社，2009.致谢附录程序：以下代码为主程序代码controller.c:#include"STC12C5410AD.h"#include<intrins.h>#include"define.h"#include<STC_EEPROM.H>#include"ad.h"#include"writeyejing.h"#include"pvgz.h"#include"init.h"voidint_t1()interrupt3{TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;t1_num++;t1_numgz++;if(t1_num==jcjg){t1_num=0;flag_t1=1;}if(t1_numgz==jcgzjg){t1_numgz=0;flag_t1gz=1;}}voidmain(){init();while(1){if(flag_pv==1){v_temp=Ad_Av(1);if(v_temp<qy){qyd=0;delay(1000);diqynum=3;P1M0=0x87;P1M1=0xc9;fz_off;fzd=1;flag_fz=0;while(!(Ad_Av(1)>=qyhf)){checkpv();if(flag_pv==1){pwm_1();cdd=0;}fcd_z();fcd_j();func();diqynum--;if(diqynum>0){didi(3);delay(1000);}elsediqynum=1;}didi(1);fz_on;delay(1);fzd=0;P1M0=0x8f;P1M1=0xc1;flag_fz=1;delay(1000);qyd=1;pwm_a=20;}if(v_temp>=qy&&v_temp<=gygd){qyd=1;if(v_temp<fcdy){cdd=0;}if(v_temp>fcdy&&v_temp<gddy){cdd=0;}if(v_temp>gddy){cdd=0;}}if(v_temp>gygd){pwm_0();cdd=1;}}else{v_temp=Ad_Av(1);if(v_temp<qy){qyd=0;delay(1000);diqynum=3;P1M0=0x87;P1M1=0xc9;fz_off;fzd=1;flag_fz=0;while(!(Ad_Av(1)>=qyhf)){checkpv();if(flag_pv==1){pwm_1();cdd=0;}fcd_z();fcd_j();func();diqynum--;if(diqynum>0){didi(3);delay(1000);}elsediqynum=1;}didi(1);fz_on;delay(1);fzd=0;P1M0=0x8f;P1M1=0xc1;flag_fz=1;delay(1000);qyd=1;}if(v_temp>gygd){diqynum=3;gyd=0;P1M0=0x87;P1M1=0xc9;fz_off;fzd=1;flag_fz=0;while(!(Ad_Av(1)>=gyhf)){fcd_z();fcd_j();func();diqynum--;if(diqynum>0){didi(3);delay(1000);}elsediqynum=1;}didi(1);fz_on;delay(1);fzd=0;P1M0=0x8f;P1M1=0xc1;flag_fz=1;delay(1000);gyd=1;}}pwm_zk(10);checkpv();checkgz();fcd_z();fcd_j();func();};}以下源代码为pvgz.h:voidpwm_zk(uchargao){PCA_PWM0=0;CCAP0H=(256-gao);CR=1;}voidpwm_1(){PCA_PWM0=0;CCAP0H=0;}voidpwm_0(){PCA_PWM0=0X03;CCAP0H=0xff;}voidcheckpv(){}voidcheckgz(){floattemp_gz;if(flag_fz==1){temp_gz=Ad_fu(4);if(temp_gz>gzdy){P1M0=0x87;P1M1=0xc9;fz_off;didi(1);flag_fz=0;fzd=1;flag_gz=1;flag_t1gz=0;}if(temp_gz>(gzdy-0.02)){didi(1);}}}以下源代码为writeyejing.h:voidfcd_z(){if(key1==0){delay(20);if(key1==0){while(!key1);switch(flag_fun){case0:fcd+=0.01;cwfc+=0.01;sectorerase(0x2e00);write_eep(cwfc,0x2e00);byte_write(0x2e06,1);break;case1:gzdy=gzdy+0.01;sectorerase(0x2c00);byte_write(0x2c00,gzdy*100);byte_wri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