【正文】 導(dǎo)致蓄電池的深度放電這個(gè)問題，本論文提出時(shí)刻在線檢測蓄電池電壓來避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護(hù)蓄電池，提高其使用壽命。 控制器的整體設(shè)計(jì)方案通過對(duì)應(yīng)用實(shí)例的分析，更加明確太陽能充電控制器的在系統(tǒng)中重要性和作用，同時(shí)依照其功能要求和改進(jìn)的控制策略，最后確定了整體設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，利用分壓電路對(duì)蓄電池的電壓、進(jìn)行采樣,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將檢測電壓數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，通過液晶芯片把電壓值顯示出來方便調(diào)整。單片機(jī)在軟件程序的控制下輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)MOSFET管開啟與關(guān)閉來控制充放電電路。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電，有效的延長蓄電池的壽命。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。圖24 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖以上通過對(duì)控制器、被控對(duì)象蓄電池的分析，結(jié)合硬件資源和軟件控制策略，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)，最終確定整體設(shè)計(jì)方案。整體方案設(shè)計(jì)，講述了光伏發(fā)電技術(shù)中最重要部分控制器和蓄電池的作用，控制器主要負(fù)責(zé)控制太陽能極板對(duì)蓄電池的充電以及控制蓄電池對(duì)負(fù)載的供電。由于不合適的充放電方式會(huì)導(dǎo)致蓄電池的損壞，縮短蓄電池的使用壽命，本論文提出了PWM脈寬調(diào)制充電方法，這種充電方法能夠使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，與以前的充電方式相比，提高了蓄電池的充電效率。同時(shí)提出了時(shí)刻在線檢測蓄電池電壓的放電控制方法，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護(hù)蓄電池。各個(gè)部分的控制功能通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程來實(shí)現(xiàn)。3 太陽能充電控制器的硬件電路設(shè)計(jì)在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的常見思路，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)。硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機(jī)最小系統(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。 系統(tǒng)層次原理圖系統(tǒng)層次原理圖如圖31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)電路來控制MOSFET?？刂芃OSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，根據(jù)載荷變化來調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。圖 31 系統(tǒng)原理圖最后通過通信模塊實(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RS232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，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I2C總線存放在E2PROM中，作為以后分析使用。 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52的簡介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。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，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)。STC89C52常見的是PDIP封裝，是一個(gè)有40個(gè)引腳的芯片，引腳如圖32所示。按其功能類別將它們分為三類：（1）電源和時(shí)鐘引腳。如VCC、GND、XTALXTAL2。（2）編程控制引腳。RST、ALE/、/VPP。（3）I/O口引腳。如P0、PPP3。圖 32 STC89C52引腳圖這里僅詳細(xì)介紹編程引腳：（1）RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST引腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST腳輸出96個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 （2） ALE/：地址鎖存控制信號(hào)(ALE)是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳()也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的振蕩頻率輸出脈沖，可作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位(地址為8EH的SFR的第0位)的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。（3）：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)()是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)STC89C52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。（4）/VPP：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器指令，必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編 程期間，也接收12伏Vpp電壓。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路單片機(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。本設(shè)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。（1）時(shí)鐘電路單片機(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)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，~12MHz之間選取。時(shí)鐘電路如圖33所示。電路中CC7是反饋電容，其值在5pF~30pF之間選取，本電路選用的電容為30pF。 圖 33 時(shí)鐘電路 圖 34 復(fù)位電路（2）復(fù)位電路復(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)。單片機(jī)的復(fù)位電路如圖34所示。本系統(tǒng)采用的是上電+電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。按鈕復(fù)位是當(dāng)按鈕按下后，電源通過電阻R14施加到復(fù)位端上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位電路雖然簡單，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)，還可以通過改變復(fù)位電路電阻和電容值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）工作狀態(tài)指示燈電路本設(shè)計(jì)可以時(shí)刻檢測蓄電池電壓，為了更好的進(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35所示。其中LED1為正常充電指示燈，LED2為過壓指示燈，LED3為欠壓指示燈。串聯(lián)的電阻的目的是為了限制通過發(fā)光二極管的電流太大而將其燒毀。 圖 35工作狀態(tài)指示燈電路 圖 36 蜂鳴器報(bào)警電路（4）蜂鳴器報(bào)警電路報(bào)警電路采用蜂鳴器來發(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)。在對(duì)蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測電壓值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路，即當(dāng)電壓超過程序設(shè)定的最高值或最低值時(shí)，(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36所示。 充放電電路充放電電路如圖37所示，電路由防反充二極管D濾波電容C4和C穩(wěn)壓管D續(xù)流二極管DMOSFET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能電池板。分析可知，通過控制MOSFET管閉合和斷開的時(shí)間（即PWM—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，因而開關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。設(shè)計(jì)中采用IRL2703 N溝道MOSFET管，N溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth0。當(dāng)光耦U2斷開時(shí)，由于Q1的G極電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs0，當(dāng)G極電壓達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。電容C4是太陽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。圖 37 充放電電路按程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導(dǎo)通狀態(tài)，也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；，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)閉來關(guān)斷負(fù)載。，Q2關(guān)閉停止放電，關(guān)斷負(fù)載來實(shí)現(xiàn)欠壓關(guān)斷。為了增加系統(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38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)于開關(guān)“斷開”，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Vgs0，MOS管Q1開啟，太陽能極板開始對(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Vgs0，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。 圖 38 光耦驅(qū)動(dòng)電路 A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的STC89C52單片機(jī)沒有內(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。 ADC0804的簡介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。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， 其規(guī)格如下： (1) 高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出，分辨率：8 位(0~255)(2) 存取時(shí)間：135 us ；轉(zhuǎn)換時(shí)間：100 us(3) 總誤差：正負(fù)1LSB (4) 工作溫度：0度~70度； (5) 模擬輸入電壓范圍：0V~5V (6) 參考電壓：；工作電壓：5V (7) 輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。ADC0804引腳圖如圖39所示，其各個(gè)引腳的功能：— 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)工作?！獠孔x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。—用來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于 ADC 的轉(zhuǎn)換開始（=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)換正式開始。 圖 39 ADC0804引腳圖CLK IN—時(shí)鐘信號(hào)輸入端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