太阳能充放电控制器设计

太阳能充放电控制器设计

摘要

太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界

最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置L1广泛应用于通讯，交通，电力等

各个方面，其核心部分就是充电控制器。

木设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不

够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了•种基于单片机的太阳能充电控制

器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定

分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。

在总体方案的指导下，本设计使用低功耗、高性能，超强抗干扰的STC89C52单片机

作为核心器件对整个电路进行控制。系统硬件电路由太阳能电池充放电电路，电压采集和

显示电路，单片机控制电路和RS232串口通信电路组成，主要实现对蓄电池电压的采集和

显示。软件部分依据PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制控制策略，编制程序使单片

机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，达到

控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。

实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实

现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。

关键词：充电控制器；太阳能光伏发电；PWM脉宽调制;

Abstract

Solarphotovoltaicpowergenerationhasbecomeanimportantpartofnewenergyand

renewableenergy,itisconsideredthecurrentworld'smostpromisingnewenergytechnologies.

Atpresentsolarphotovoltaicdevicehasbeenwidelyusedincommunications,transport,

electricityandotheraspects,thecorepartisthechargecontroller.

Theconventionalchargecontrolleronthemarkettodayonthebatterychargeanddischarge

controlisunreasonable,anditsprotectionisalsoinadequate,whichsmakesthebatterylifeto

shorten.Tosolvethisproblem,thedesignidentifiesasolarchargecontrollerbasedonsinglechip

solution.Inthesolarenergytobatterychargeanddischargemeans,thecontrollerofthe

functionalrequirementsandthepracticalapplicationaspects,makingsomeanalysis,completed

thehardwarecircuitdesignandsoftwaredevelopment,toachievethehighefficiencyofthe

batterymanagement.

Undertheguidanceoftheoverallprogram,thedesignuseslow-power,highperformance,

superanti-jammingSTC89C52microcontrollerasacoredevicetocontroltheentirecircuit.

Hardwarecircuitconsistsofasolarbatterycharginganddischargingcircuit,voltageacquisition

anddisplaycircuit,theMCUcontrolcircuitandRS232serialcommunicationcircuit,themain

achievementoftheacquisitionanddisplaybatteryvoltage.SoftwareisbasedinpartonPWM

(PulseWidthModulation)pulsewidthmodulationcontrolstrategy,programmingthe

microcontrolleroutputPWMcontrolsignal,bycontrollingthephotocoupleron-offthecontrol

MOSFETopeningandclosing,tocontrolbatterycharginganddischargingpurposes,andin

accordancewiththefunctionalrequirementsimplementedthebatteryovercharge,overdischarge

protectionandshortcircuitprotection.Experimentsshowthatthecontrollerperformance,high

reliability,canalwaysmonitorthestateofsolarpanelsandbatteriestoachieveoptimalcontrol

ofbatterychargeanddischarge,toprolongbatterylife.

Keywords:chargecontroller;solarphotovoltaic;PWMpulsewidthmodulation;

目录

1绪论..........................................................................1

1.1课题研究背景和意义....................................................1

1.2太阳能充放电控制器现状................................................1

1.3设计主要任务..........................................................2

2太阳能充电控制器的总体设计方案...............................................3

2.1太阳能路灯系统基本结构................................................3

2.2充电控制器的控制策略..................................................4

2.3控制器的整体设计方案..................................................6

3太阳能充电控制器的硬件电路设计...............................................7

3.1系统层次原理图........................................................7

3.2单片机最小系统........................................................8

3.2.1STC89C52的简介................................................8

3.2.2单片机的最小系统及扩展电路.....................................9

3.3充放电电路............................................................11

3.4光耦驱动电路.........................................................12

3.5A/D转换电路..........................................................12

3.5.1ADC0804的简介.................................................13

3.5.2ADC0804外围接线电路..........................................14

3.6LCD显示电路.........................................................15

3.7E2PROM数据存储电路.................................................16

3.8串口通信电路..........................................................18

4太阳能充电控制器的软件设计..................................................21

4.1系统主程序设计.......................................................21

4.2电压采集转换模块.....................................................22

4.3显小模块.............................................................23

4.4数据存储模块.........................................................25

4.5软件调试和仿真.......................................................27

5总结与展望..................................................................30

5.1设计总结..............................................................30

5.1展望..................................................................30

参考文献.......................................................................32

致谢.........................................................................33

附录I源程序.................................................................34

附录H硬件电路图.............................................................45

1绪论

1.1课题研究背景和意义

能源资源是国民经济发展的重要基础之一，随着人民生活水平的不断提高和科学技术

的迅速发展，能源的缺口增大，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的一大因素摆在了人

们面前。伴随着世界能源危机的II益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已经不能适

应世界经济快速增长的需要，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的问题。同时，

以煤、石油作为燃料在燃烧过程中产生的有害物质已经开始造成全球变暖，即“温室效应”,

人类的生活将会由此受到很大的威胁。这些难题迫使政府和社会在发展常规能源的同时必

须加大对新能源的开发和利用。

新能源包括水能、风能、太阳能等。虽然风能或水能等更加便宜，但是大多数的自家

用户却都不可能找到适当场合进行架设，架设成本较高。而太阳能则不同，任何自家用户

只要找到一个有阳光照射到的窗户都可以装置太阳能极板作辅助能源，几百元投资便可以

架设。所以综合考虑，太阳能无疑是符合我国可持续发展战略的理想绿色能源，全球能源

专家也认为，太阳能将成为21世纪最重要也最有前景的能源之一。

而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点：

(1)普遍性。

地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。

(2)无害性。

利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环

境，没有公害，清洁干净。

(3)长久性。

只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。

(4)巨大性。

一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量3340.8400MJ

/m2,中值为5852MJ/m2。年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以

上。我国的西部地区，包括西藏、新疆、青海、内蒙古等省，年日照忖间长，这些地区面

积宽广、人口密集低，在一些偏僻的地区传统的供电设施建设成本高，电能的供需矛盾显

得十分突出，因此当地政府充分利用太阳能发电解决无电地区的用电具有重大的战略意义。

为了更高效的利用太阳能，白天可将太阳能转化为电能，利用蓄电池将电能储存起来，需

要用电时即可由蓄电池供电。

总体看来我国太阳能资源比较丰富，因此充分利用丰富的太阳能资源，采用太阳能光

伏发电技术，可以节约能源，发展经济，提高人民生活水平。

1.2太阳能充放电控制器现状

(1)太阳能光伏发电

太阳能作为新能源有着巨大的优势，所以世界各国都在努力研发新技术进行获取，比

较成熟的是太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组

成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广

泛应用于通讯，交通，电力等各个方面。

在进行太阳能光伏发电时，由于•般太阳能极板输出电压不稳定，不能直接将太阳能

极板应用于负载，需要将太阳能转变为电能后存储到一定的储能设备中，如铅酸蓄电池。

但只有当太阳能光伏发电系统工作过程中保持蓄电池没有过充电，也没有过放电，才能使

蓄电池的使用寿命延长，效率也得以提高，因此必须对工作过程加以研究分析而予以控制,

这种情况下太阳能充电控制器应运而生。

（2）充电控制器的作用及现状

太阳能充电控制器具备充电控制、过充保护、过放保护、防反接保护及短路保护等一

系列功能，解决了这一难题，这样控制器在这个过程中起着枢纽作用，它控制太阳能极板

对蓄电池的充电，加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命。同时太阳能充放电控

制器还控制蓄电池对负载的供电，保护蓄电池和负载电路，避免蓄电池发生过放现象，由

此可见，控制器具有举足轻重的作用。

市目前场上有各种各样的太阳能控制器，但这些控制器主要问题对于蓄电池的保护不

够充分，不合适的充放电方式容易导致蓄电池的损坏，使蓄电池的使用寿命降低。目前，

控制器常用的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。但是这些

方法由于充电方式单一加上控制策略不够完善，都存在一定的局限性。另一方面，当蓄电

池给负载供电时，由于控制器不能时刻检测蓄电池的电压，这样很容易发生蓄电池的过放

电，将会导致蓄电池的深度放电，严重影响其寿命。

所以，如何改善太阳充控制器的充放电方式，开发性能优良的充放电控制器，提高其

在实际应用中的效率，成为了一个重要的研究方面。

1.3设计主要任务

本设计研究确定了一种基于STC单片机的太阳能充放电控制器的方案，在太阳能对蓄

电池的充电方式、控制器的功能要求和电路保护方面做了分析，完成了系统硬件电路设计

和软件编程，实现了对蓄电池的科学管理，并将充放电控制器应用于太阳能路灯或其他负

载，实现了控制功能。这里以充/放电最大电流10A,额定电压12V控制器系统为例，其实

现的主要功能如下。

（1）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，则可开启充电；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点亮损耗。

（2）当蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警功能；

（3）当蓄电池电压高于14.5V,自动关断负载（过压关断）和充电电路，同时有报警

功能。

（4）当蓄电池处于浮充充电状态时电压值控制在13.5V左右。

（5）当用户将太阳能电池板接反至控制器时，具有保护控制器不被毁坏的功能；

（6）当用户将蓄电池接反至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被毁坏

的功能。

2太阳能充电控制器的总体设计方案

在确定设计方案之前，需要结合应用实例，进行一定的综合分析，更加明确控制器的

作用，最后来确定整体方案。这里以太阳能充电控制器应用于太阳能光伏发电路灯系统为

例，对系统各个组成部分的主要功能做详细的分析说明。

2.1太阳能路灯系统基本结构

本系统主要针对直流照明路灯进行系统设计，所以构成太阳能路灯系统主要有四大部

分组成，即太阳能极板、蓄电池、充电控制器、照明电路。太阳能路灯系统基本结构如图

2-1所示。

图2-1太阳能路灯系统基本结构

从图2-1中可以看出，太阳能极板阵列将太阳能转换为电能并将电能存储到蓄电池中，

蓄电池再将存储的电能输出给照明电路供电，完成能量的传递。系统各个部分的控制功能

全由充电捽制器来完成。

(1)太阳能电池板

如图2-2所示，太阳能电池板是利用半导体光伏效应制成的，能够直接将太阳辐射转

换成电能的器件。具有很强的光伏效应半导体材料，当吸收一定能量的光子后其内部导电

的载流子电子和空穴分布利浓度发生变化。光照在半导体P/N结上，就会在其两端产生光

生电压，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输

出功率。在这个过程中，光电池本身不发生任何化学反应，也没有转动磨损，因此使用太

阳能电池的过程中没有噪声，没有环境污染，这是其他方式发电所不能比拟的。

芍区正电极导线

晶片受光后负电子从N区负电极流出

空穴从P区正电极流出

图2-2太阳能电池产生光伏效应

（2）蓄电池

这里首先介绍蓄电池工作原理。

太阳能充电控制器最主要的功能是控制太阳能极板对蓄电池的充电，蓄电池的性能和

充放电的方式有很大的关系，所以在设计控制器之前需要对蓄电池的原理、充放电过程做

一个分析。

一般铅酸蓄电池是由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成,

极板主要有铅制成，电解液是硫酸溶液。依据化学基础理论：铅酸蓄电池释放化学能的过

程（放电过程）是负极进行氧化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程（充电过程）

是负极进行还原，正极进行氧化的过程。分析可知，蓄电池的充电过程和放电过程是可逆

的。实际上，蓄电池最重要的指标就是电解液中硫酸根的浓度，因此可以用电池中硫酸溶

液的密度（比重）来衡量电池充放电的程度。

工作原理搞懂了之后，接着看蓄电池在整个系统中的作用。

在独立的太阳能光伏发电系统中，蓄电池是整个系统的重要组成部分，是对整个系统

性能可靠性影响比较大的部分。在光伏发电系统中，蓄电池的主要作用有：储存能量、对

太阳能极板的工作电压的进行钳位、给负载提供启动电流等。蓄电池的存在，可以解决太

阳能产生电能和负载用电时间不一致不同步的问题，太阳能极板和负载两者之间电压不匹

配的问题等。

（3）充电控制器

一般太阳能极板输出电压的不稳定，不能直接应用于负载，需要将太阳能转变为电能

后存储到储能设备如蓄电池中，而控制器在这个过程中起着枢纽作用，其性能的好坏将会

直接影响实际应用的使用效果。控制器控制太阳能极板对蓄电池的充电，为了延长蓄电池

的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。控制器同

时负责蓄电池是否对负载供电，当蓄电池的电压在正常范围内时，控制器控制开关接通，

蓄电池给负载供电；当蓄电池的电压处于欠压或是过放状态时，控制器控制开关截止，蓄

电池停止对负载的供电，在这个过程中控制器起着至关重要的作用，保护负载和蓄电池。

2.2充电控制器的控制策略

作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推

广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影

响铅酸蓄电池寿命的主要因素有：充电电压的设置、过放控制点的设置、温度、运行环境

等。依据这些影响因素，分析蓄电池常见充放电方式局限性，对充放电方式进行了一定的

改进。

（1）蓄电池常规充放电方式

目前，控制器常规的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。

恒流充电法是通过保持充电电流强度不变进行充电的方法。这种充电控制方法简单，

但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电

流多用于电解水，产生气体，使出气过多，影响蓄电池的使用寿命。

第二种是阶段充电法。这种充电方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电

法是先用恒定电流充电至预定的电压值,然后改为恒定电压完成剩余的充电,•般两阶段

之间的转换电压就是第二阶段的恒电压；三阶段充电法是指在充电开始和结束时采用恒定

的电流充电，中间用恒定的电压进行充电。阶段充电法这种方法虽然可以将出气量减到最

少，但作为一种快速充电方法使用，实际应用中受到•定的限制。

恒压充电时要严格掌握充电电压，电压在全部充电时间里保持恒定的数值，充电电压

过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电

电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少。这种充电方法在充电初期电流过大，对蓄

电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，将会影响蓄电池的使用。

(2)改进的充放电方式

针对目前市场上控制器的主要问题是由于对于蓄电池的保护不够充分，不合适的充电

方式容易导致蓄电池的损坏，同时通过对蓄电池的工作原理和对影响蓄电池使用寿命因素

的分析，本论文提出了PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制充电方法。PWM是利用微

处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通

信到功率控制与变换的许多领域中。这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且

能够提高蓄电池充电接受率，这也是蓄电池充电理论的进一步发展。

PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电•段时间，如

此循环往复。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反及产生的氧气和氢

气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利

地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。PWM调制充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，

减少了析气量，提高了蓄电池的充电效率。脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调

节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直

流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变电压。输出电压波形如图2-3所示。

电压

U

0---------------------------------------------------►时间

图2-3输出电压波形

针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时;没有时刻检测蓄电池的

电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来避

免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。

2.3控制器的整体设计方案

通过对应用实例的分析，更加明确太阳能充电控制器的在系统中重要性和作用，同时

依照其功能要求和改进的捽制策略，最后确定了整体设计方案。

本系统以STC89c52单片机为主控芯片，利用分压电路对蓄电池的电压、进行采样，然

后经过A/D转换将检测电压数据输入到单片机中进行处理，通过液晶芯片把电压值显示出

来方便调整。单片机在软件程序的控制下输出PWM控制信号，经光耦驱动MOSFET管开

启与关闭来控制充放电电路。该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电，有效的延长蓄电

池的寿命。系统整体结构框图如图24所示。

以上通过对控制器、被控对象蓄电池的分析，结合硬件资源和软件控制策略，进行了

硬件电路设计和软件编程设计，最终确定整体设计方案。整体方案设计，讲述了光伏发电

技术中最重要部分控制器和蓄电池的作用，控制器主要负责控制太阳能极板对蓄电池的充

电以及控制蓄电池对负载的供电。由于不合适的充放电方式会导致蓄电池的损坏，缩短蓄

电池的使用寿命，本论文提出了PWM脉宽调制充电方法，这种充电方法能够使蓄电池有

较充分的反应时间，与以前的充电方式相比，提高了蓄电池的充电效率。同时提出了时刻

在线检测蓄电池电压的放电控制方法，避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池。各个部分

的控制功能通过对单片机进行软件编程来实现。

3太阳能充电控制器的硬件电路设计

在整体方案的指导下，依据工程设计的常见思路，本论文从硬件电路设计和软件设计

两个方面入手，运用模块化的设计方法去进行控制器的设计。

硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统、充放电电路、光耦驱动电路、A/D

转换电路、LCD显示电路、E?PROM数据存储电路、串口通信电路等。下面先从系统层次

原理图入手，对系统原理进行详细的分析，然后再对具体电路地进行一一介绍。

3.1系统层次原理图

系统层次原理图如图3-1所示，电路设计以STC89C52单片机作为主控芯片构成控制

电路模块对整个电路控制。首先采用并联分压方式对蓄电池电压采集后，送到AD模块中

的A/D转换器进行转换得到一个数字信号的电压值，再将此信号送入到控制模块中单片机

进行处理；然后在软件程序控制下，单片机输出控制信号送到充放电模块中，经光耦驱动

电路来控制MOSFET,控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM),根据载荷变

化来调制MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。

图3-1系统原理图

最后通过通信模块实现数据的传送和保存。串口通信模块采用MAX232芯片进行TTL

电平和RS-232电平之间的转换，加入串口的目的主要是使控制器具有远程通信或远程监控

功能，同时方便将每天的异常状态数据记录下来，供工作人员查看。数据存储电路模块，

使得当电压出现异常时，让蜂鸣器报警，同时把异常电压值通过12c总线存放在E2PROM

中，作为以后分析使用。

3.2单片机最小系统

3.2.1STC89C52的简介

STC89c52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash

存储器。使用STC公司高密度非易失性高加密性存储器技术制造，与工业80c51产品指令

和引脚完全兼容。在芯片内部，拥有很高频率8位CPU和在系统可编程Flash,使得

STC89c52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

STC89c52具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门

狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串

行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89c52具有低功耗设计，支持2种软件可选择节

电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中

断或硬件复位为止。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不

同产品的需求。而且STC89c52的工作频率很宽，可以在0~35MHz之间选择，芯片具有超

强抗干扰性，加密性强。

STC89c52常见的是PDIP封装，是一个有40个引脚的芯片，引脚如图3-2所示。按

其功能类别将它们分为三类：

(1)电源和时钟引脚。如VCC、GND、XTAL1>XTAL2。

(2)编程控制引脚。RST、PSEN、ALE/PR°G、EA/vppo

(3)I/O口引脚。如P0、Pl、P2、P3«

PI0/T239

POO38

PI1/T2EXP0137

PI2P0236

PI3P0335

P14P0434f

PI5/MOSIP05c

P16/MISOP06

PI7/SCKP07J

P33/INT1P20(A8)lt

P32/INT0P21(A9)

P22(AI0o

P35/T1P23(A11)

t

P34/T0P24(A12)

P25(A13)

E^VPP26(A14)

P27(A15)

XTAL1

XTAL2

RESETP30/RXD

P3I/TXD

P37/RDALE/P

P36/WRPSEN

图3-2STC89c52引脚图

这里仅详细介绍编程引脚:

(1)RST：复位输入。晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复

位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)

上的D1SRT0位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

(2)ALE/丽云：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位

地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下，

ALE以晶振六分之•的振荡频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置

“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE

使能标志位(地址为8EH的SFR的第。位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

(3)PSEN：外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。

当STC89c52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次,

而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

(4)EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程

序存储器指令，丽必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程

期间，丽也接收12伏Vpp电压。

3.2.2单片机的最小系统及扩展电路

单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路得到很好的控制，首先必须构建最小系统

是单片机可以工作起来。本设计单片机最小系统扩展电路包括上电复位电路，时钟电路，

工作指示灯和蜂鸣器报警电路等。

(1)时钟电路

单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入端和输出端

分别是引脚XTAL1和XTAL2,在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路,CPU

的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多

在1.2MHz~12MHz之间选取。时钟电路如图3-3所示。电路中C6、C7是反馈电容，其值

在5pF~3OpF之间选取，本电路选用的电容为3OpF,晶振频率为11.0952MHz。

C6vcc

图3-3时钟电路图3-4复位电路

（2）复位电路

复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H

单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使

系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

单片机的复位电路如图3-4所示。本系统采用的是上电+电平按钮复位，上电复位是通

过外部复位电路的电容充电来实现的。按钮复位是当按钮按下后，电源通过电阻R14施加

到复位端上，实现单片机复位。

复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查

是否能复位成功。初步检查可用示波器探头监视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够

幅度的波形输出（瞬时的），还可以通过改变复位电路电阻和电容值进行实验。

（3）工作状态指示灯电路

本设计可以时刻检测蓄电池电压，为了更好的进行监控，要对整个电路的工作状态进

行指示，这是很有必要的。工作状态指示灯电路如图3-5所示。其中LED1为正常充电指

示灯，LED2为过压指示灯，LED3为欠压指示灯。串联的电阻的目的是为了限制通过发光

二极管的电流太大而将其烧毁。

VCC

LED1

LED1辔

330

LED2。

LED2辔

330

LED3年

330LED3

图3-5工作状态指示灯电路图3-6蜂鸣器报警电路

（4）蜂鸣器报警电路

报警电路采用蜂鸣器来发出报警声音，由于STC89c52输出引脚的驱动能力较弱，所

以蜂鸣器要加三极管进行驱动。

在对蓄电池电压实时监测的过程中，一旦发现检测电压值连续超出阈值范围，便启动

自身报警电路，即当电压超过程序设定的最高值或最低值时，单片机的P2.6引脚（beep端）

输出低电平，三极管随之导通，驱动蜂鸣器发出报警信号。蜂鸣器报警电路图如图3-6所

示。

3.3充放电电路

充放电电路如图3-7所示，电路山防反充二极管D1、滤波电容C4和C5、稳压管D2、

续流二极管D3、MOSFET管Q1和Q2等构成。二极管D1是为了防止反充，当阴天或晚

上蓄电池的电压高于太阳能电池板的电压时，D1就生效，可以防止蓄电池电流流向太阳能

电池板。分析可知，通过控制MOSFET管闭合和断开的时间（即PWM—脉冲宽度调制），

就可以控制输出电压。所使用的MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体

管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复

合时间，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。设计中采用IRL2703-N沟

道MOSFET管，N沟道MOSFET的导通电压Vth>0。当光耦U2断开时，由于Q1的G极

电压接近蓄电池电压，S极是接地，使得Vgs>0,当G极电压达到一定值时，Q1导通。电

容C4是太阳能电池板输出电压滤波，使得更稳定地给蓄电池充电。电容C5是对蓄电池输

出电压进行滤波，以保证负载供电电路的稳定性。图中稳压管D2用来对蓄电池进行稳压

作用。当用户将蓄电池反接至控制器时，续流二极管D3可以进行续流，从而保护控制器

不被毁坏。

图3-7充放电电路

按程序设计当检测到蓄电池的电压低于12V,充电模式为均充，Q1为完全导通状态，

也就是导通的脉冲占空比最大；当检测到蓄电池的电压在12V-14.5V,充电模式为浮充，

Q1导通与不导通的占空比例变小，；当检测到蓄电池的电压等于15V左右，Q1截止使充

电停止，同时Q2也关闭来关断负载。当检测到蓄电池的电压低于10.8V,Q2关闭停止放

电，关断负载来实现欠压关断。

3.4光耦驱动电路

为了增加系统的可靠性，本设计用光电耦合器实现单片机控制电路和充放电电路的隔

离。光耦驱动电路如图3-8所示。MOS管Q1控制着充电电路，当充电控制信号PWM为低

电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，右侧三极管不导通，输出端两管脚间的

电阻很大，相当于开关“断开”，输出端K1被抬高，电阻R9右侧被稳压管D2稳压到12V

左右，MOSEFT的Vgs>0,MOS管Q1开启，太阳能极板开始对蓄电池充电；当充电控制

器信号为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，三极管导通，输出端两管脚间的电阻变

小，相当于开关“接通”，此时从U2输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零,

MOSEFT的Vgs<0,Q1截止，充电电路关断。这就是充电电路原理。M0S管Q2控制着放

电电路，其原理与Q1相似。

图3-8光耦驱动电路

3.5A/D转换电路

本系统设计的STC89C52单片机没有内置的A/D转换模块，因此需要先采集蓄电池的

电压，然后经A/D转换才可接入单片机。市场中集成的A/D转换器品种很多，选用时需要

综合考虑各种因素进行选取。一般逐次比较型A/D转换器用到较多，本设计采用8位并行

A/D转换器芯片ADC0804。因为蓄电池电压的采集转换在系统中极为重要，所以下面对所

选ADC0804芯片及在本系统中是典型连接电路予以介绍。

3.5.1ADC0804的简介

AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。AD转换器最主

要的技术参数是转换速度和转换精度，由于逐次比较型兼有并行A/D转换器转换速度高和

双积分型转换精度高的优点，所以得到普遍应用。ADC0804就是这类集成A/D转换器。

ADC0804为一只具有20引脚并行8位CMOS工艺逐次比较型的集成A/D转换器，其

规格如下：

(1)高阻抗状态输出,分辨率:8位(0~255)

(2)存取时间:135us；转换时间：100us

(3)总误差：正负1LSB

(4)工作温度：0度~70度；

(5)模拟输入电压范围：0V~5V

(6)参考电压：2.5V：工作电压：5V

(7)输出为三态结构，可直接连接在数据总线上。

ADC0804引脚图如图3-9所示，其各个引脚的功能：

西一芯片片选信号输入端，低电平有效，一旦衣有效，表明A/D转换器别选中,

可启动工作。

而一外部读取转换结果的控制输出信号。而为1时，DB0~DB7处理高阻抗：丽

为0时，数字数据才会输出。

祢一用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始(氐=0时)，当标由

1变为0时，转换器被清除：当祢回到1时，转换正式开始。

CZZUVoc

cs而

匚ZOCLKR

WRCZZ^DBi

CLK1CZ=IDBi

NTR

vlmv匚

匚ZUDB3

1=二］

AGND匚二JDBs

V*»h'2匚二二IDB6

IXND匚二ZZIDB?

图3-9ADC0804引脚图

CLKIN一时钟信号输入端

CLKR：内部时钟发生器的外接电阻端，与CLK配合可有芯片自身产生时钟脉冲，其

振荡频率为1/(1.1RC)

WTR一中断请求信号输出，端，低地平动作.，表明本次转换已完成。

VIN(+)VIN(-)——差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN(-)接地:而差动输入

时，直接加入VIN(+)VIN(-).

AGND,DGND——模拟信号以及数字信号的接地.

VREF/2—参考电平输入，决定量化单位。

DB0~DB7一三态特性数字信号输出端.

VCC:电源供应以及作为电路的参考电压.

3.5.2ADC0804外围接线电路

(1)电压采集电路

如图3-10所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为2:1,然后并联在需

要检测的电压两端，从两个电阻中间采集电压。由分压公式得出采集的电压为ADIN,当

蓄电池充满电时电压大概为14.5V,计算出采集到的电压为4.8V,符合A/D转换芯片的

ADC0804的输入值。

图3-10电压采集电路

(2)ADC0804构成的典型A/D转换电路

图3-11A/D转换电路

按照芯片手册中ADC0804的典型接法，系统中设计的A/D转换电路如3-11所示。单

片机的P2.7弓I脚，用来实现片选；RD、WH分别接单片机的P3.6和P3.7引脚，进行读

写控制；CLK、CLKR、GND之间用电阻和电容构成RC振荡电路，用来给ADC0804提供

工作所需的脉冲。

蓄电池的电压采集信号ADIN从6脚引入，在内部采集转换后，从数字输出端输出到

单片机的P1口，通过读P1口数据，便可以得到蓄电池的电压，实现实时在线检测。

3.6LCD显示电路

液晶具有体积小、功耗低，显示清晰的优点，所以比较适合作显示使用。为了更好的

显示电压值，同时扩展自己学习芯片的能力，本设计用液晶1602来显示蓄电池的电压值。

在使用1602之前，我们首先查阅其使用手册，对其进行一定的了解。从芯片手册中，可以

得到1602液晶的主要技术资料-，如表3-1所东，通过此表我们可以知道1602工作电压和

显示容量，可以验证设计选择的是否合适。

表3-11602的主要技术参数

显示容量16x2个字符

芯片工作电压4.5~5.5V

工作电流2.0mA(5.0V)

模块最佳工作电压5.0V

字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm

显然，1602液晶可以满足要求，接下来介绍其各个引脚的功能，为后面设计电压显示

电路做准备。1602引脚功能如表3-2所示。

表3-21602引脚功能表

引脚符号名称功能

1Vss接地0V

2VDD电路电源5V±10%

液晶显示对比度调节

3VO用于调节对比度

端

H:数据寄存器L:指令寄存

4RS寄存器选择信号

器

5R/W读/写信号H:读L:写

6E片选信号下降沿触发，锁存数据

7-14DB0-DB7数据线数据传输

VCC三LCD1602

1

2

3

-ww4

R21

RSr—5

10k

R/W—6

ENDO7

D?8

D29

D310

D411

D512

D613

D714

R2215

vcc|-----LZ1

io6

图3-12电压显示电路

根据1602的技术参数和引脚功能，1602与单片机连接构成的电压显示电路如图3-12

所示。EN使能端接单片机的P2.2引脚，用来实现片选；RS接单片机P2.0引脚，进行数

据和命令选择；R/W接单片机P2.1弓|脚，进行读写控制；为防止直接加5V电压烧坏背

光灯，在15脚串接一个10的电阻用于限流。液晶3端通过接一个10K电位器接地来调

节显示对比度。数据输入端D0-D7接单片机的P0口用于电压数据的传送。

3.7E2PROM数据存储电路

为了把电路发生异常时的蓄电池电压记录卜来，需要用存储芯片进行数据保存。若采

用普通存储器，在掉电时需要备用电池供电，并需要在硬件上增加掉电检测电路，但存在

电池不可靠及扩展芯片占用单片机过多口线的缺点。为了解决这一难题，本设计采用具有

12c总线接口的串行E2PR0M器件，这里选择AT24C02芯片。AT24C02可有效解决掉电数

据保存问题，可对所存在数据保存100年，并可多次擦写，擦写次数可达10万次以上。

AT24C02是•个2K位串行CMOSE