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基于at89s51單片機(jī)的太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文-文庫(kù)吧

2025-04-11 01:24 本頁(yè)面


【正文】 / A D 237P 0 .3 A D 336P 0 .4 / A D 435P 0 .5 / A D 534P 0 .6 / A D 633P 0 .7 / A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45M O S I / P 1 .56M I S O / P 1 .67S C K / P 1 .78P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 / A 1 023P 2 .3 / A 1 124P 2 .4 / A 1 225P 2 .5 / A 1 326P 2 .6 / A 1 427P 2 .7 / A 1 528A L E / P R O G30T X D / P 3 .111W R / P 3 .616R D / P 3 .717P S E N29X T A L 218G N D20V C C40U1 A T 8 9 S 5 1R E F +1A I N2R E F 3G N D4CS5DO6C L K7V C C8U2T L C 5 4 9R E F +1A I N2R E F 3G N D4CS5DO6C L K7V C C8U3T L C 5 4 9C24 7 0 u FR15 0 kR25kR45kR35 0 k12 B2A D 1 A D 2U4 圖 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖 蓄電池充電方式 作為太陽(yáng)能儲(chǔ)能用的蓄電池由于存在過(guò)放、過(guò)充、使用壽命短等問(wèn)題,要選擇合適的充放電方式。所有的蓄電池充電過(guò)程都有快充、過(guò)充和浮充 3 個(gè)階段,每個(gè)階段都有不同的充電要求。現(xiàn)行的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、間隙式充電法等,這些充電方法各有利弊。本設(shè)計(jì)采用最容易實(shí)現(xiàn)的恒壓充電。 蓄電池的電壓在 之間為快充;蓄電池的電壓在 之間為浮充;蓄電池的電壓為 時(shí)停止充電。 充放電電路 電路由防反充二極管 D濾波電容 C續(xù)流二極管 D MOSFET 管 Q濾波電容 C MOSFET 管 Q1 等構(gòu)成。二極管 D1 是為了防反充,當(dāng)陰天或晚上 蓄電池的電壓高于太陽(yáng)能電池的電壓時(shí), D1 就生效。通過(guò)控制開關(guān)閉合跟斷開的時(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(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 IRF9540N P 溝道 MOSFET 管, P 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電壓 Vth0,由下圖可以實(shí)現(xiàn) MOSFET 的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)光耦 U5 導(dǎo)通時(shí),由于 Q1 的 G 極電壓很小, G 極近似接地, Vgs0,當(dāng) S 極電壓達(dá)到一定值時(shí), Q1 導(dǎo)通。 Q2 的原理類似。電路如圖 3。 D1 C1 1 0 0 u FD2 Q2 K1K2V i nRL 12B1 Q1 R15 0 kR25kR45kR35 0 k12 B2A D 1 A D 2U4 圖 3 充放電電路 電壓采集電路 如圖 4 所示,電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻,大小比例為 10:1,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 VR1R21/11,當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為 ,計(jì)算出采集到的電壓為 ,符合 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的 TLC549 的輸入值。 圖 4 電壓采集電路 光耦開關(guān)電路 當(dāng)輸入信號(hào) C1 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,輸 出端兩管腳間的電阻很大,相當(dāng)于開關(guān) “斷開 ”;當(dāng) C1 為高電平時(shí),光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光,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 U5 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,當(dāng) S 極電壓達(dá)到一定值時(shí), Q1 導(dǎo)通。 R5 5 kR75 k U5 U4 K1R6 R8 C2C1K2U4V i n 圖 5 光耦開關(guān)電路 單片機(jī)及其外圍電路 本設(shè)計(jì)使用 AT89S51 單片機(jī),單片機(jī)及其外圍電路包括上電復(fù)位電路,晶振, LED指示燈如圖 6 所示 ,其中 D D4 為高電平有效,用來(lái)顯示工作狀態(tài)。 R9 10 kX1X2V C CC5 10 uFR S TR S TC L K 2C L K 1D O 1D O 2C S 1C S 2C1C2V C C1234J1C O N 4D3 R 1 0 20 0D4 R 1 1 20 0V C CR S T9R X D / P 10I N T 0/ P 12I N T 1/ P 13T 0 / P 14T 1 / P 15E A / V P P31X T A L 119P 0 .0/ A D 039P 0 .1/ A D 138P 0 .2/ A D 237P 0 .3A D 336P 0 .4/ A D 435P 0 .5/ A D 534P 0 .6/ A D 633P 0 .7/ A D 732P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45M O S I / P 6M I S O / P 7S C K / P 1 .78P 2 .0/ A 821P 2 .1/ A 922P 2 .2/ A 1023P 2 .3/ A 1124P 2 .4/ A 1225P 2 .5/ A 1326P 2 .6/ A 1427P 2 .7/ A 1528A L E / P R O G30T X D / P 3 .111W R / P 3 .616R D / P 3. 717P S E N29X T A L 218G N D20V C C40U1 A T 89S 51 圖 6 單片機(jī)及其外圍電路 AT89S51 單片機(jī)沒有內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊,因此采集的電壓 需 要經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。此設(shè)計(jì)采用 8 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片 TLC549(如圖 7) 。需要采集的信號(hào)從 2 管腳 AIN 輸入, 1 管腳的基準(zhǔn)電壓使用 5V, 7 三管腳連單片機(jī)。 V C CV C CR EF +1A I N2R EF 3G N D4CS5DO6C LK7V C C8U2T LC 5 4 9A D 1 圖 7 A/D 轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)電源電路 單片機(jī)對(duì)電源質(zhì)量要求嚴(yán)格,只有波形穩(wěn)定清晰的電源才能使單片機(jī)上電復(fù)位,否則無(wú)法上電復(fù)位,晶振不能起振,單片機(jī)就不工作。蓄電池提供的電壓是 12V,單片機(jī)電源使用 5V電壓,因此需要穩(wěn)壓后才能供單片機(jī)使用,本設(shè)計(jì)采用 LM7805 穩(wěn)壓后得到波形較好的電源才供單片機(jī)使用。 C4 10 4C3 10 0uFV C CV i nV i n1GND2V o ut3T1 L M 78 05C247 0uF 圖 8 單片機(jī)電源電路 圖 開始畫 PCB 圖是使用自動(dòng)布線加手工修改,但是設(shè)成以單層板的形式自動(dòng)布線,生成的 PCB 圖走線彎彎區(qū)區(qū)太不規(guī)則,后來(lái)使用以雙層面板的形式自動(dòng)布線,然后將TopLayer 層手工修改,得到的 PCB 圖走線才像塊板。 圖 9 系統(tǒng) PCB 圖 作品實(shí)物 圖 10 作品實(shí)物圖(正面) 圖 11 作品實(shí)物圖(背面) 3 主要器件介紹 AT89S51 單片機(jī) AT89S51 單片機(jī) 是 ATMEL 公司 生產(chǎn)的 低功耗 , 高性能 CMOS 8 位單片機(jī),片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造,兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元,功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案 [1]。 AT89S51 具有 以下 特點(diǎn): 40 個(gè)引腳, 4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器, 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器( RAM), 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出( I/O)口, 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷, 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串通信口,看門狗( WDT)電路,片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 圖 12 AT89S51 單片機(jī) 管腳 圖 圖 TLC549 TLC549 是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的 8 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片,可與通用微處理器、控制器通過(guò) CLK、 CS、 DATA OUT 三條口線進(jìn)行串行接口。具有 4MHz 片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路,轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng) 17μs, TLC548 允許的最高轉(zhuǎn)換速率為 45 500 次 /s,TLC549 為 40 000 次 /s??偸д{(diào)誤差最大 為 177。,典型功耗值為 6mW。采用差分參考電壓高阻輸入,抗干擾,可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍, VREF接地, VREF+-VREF≥1V,可用于較小信號(hào)的采樣 [2]。 TLC548/549 的極限參數(shù)如下: ●電源電壓: ; ●輸入電壓范圍: ~ VCC+ ; ●輸出電壓范圍: ~ VCC+ ; ●峰值輸入電流 (任一輸入端 ): 177。10mA; ●總峰值輸入電流 (所有輸入端 ): 177。30mA; ●工作溫度:- 55℃ ~ 125℃ MOSEFT 管 MOSEFT 管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的,由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成,由于場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被絕緣層 (例如 SiO2)隔離,因此其輸入電阻可達(dá) 109歐以上。 MOSEFT 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)。本設(shè)計(jì)采用 IRF9540N P溝道場(chǎng)效應(yīng)管,以下是 IRF9540N 的一些參數(shù) : VGS=0V,ID=250uA VGS=10V,ID=11A VDS=VGS,ID=250uA VDS=50V,ID=11A VDS=80V VGS=0V,IDSS=250uA VGS=20V,IGSS=100nA 光耦 光耦合器 是 以光為媒介傳輸電信號(hào)。光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的圖 13 TLC549 管腳 圖 圖 接收及信號(hào)放大。 光耦工作時(shí) 對(duì)輸入、輸出 的 電信號(hào)有 很好 的隔離作用,因此 被廣泛用在各種電路中。光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 14 所示, 在 2 極之間加正向電壓 ,內(nèi)部的 發(fā)光二極管( LED) 將會(huì) 發(fā)出一定波長(zhǎng)的光,被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流, 4 極之間導(dǎo)通。反之,光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近 似為零,輸出端兩管腳間的電阻很大,相當(dāng)于開關(guān)斷開。由于單片機(jī)輸出只有 5V 不足于驅(qū)動(dòng) MOSFET 管,因此驅(qū)動(dòng) MOSFET 管的電壓從 U3 出接出。 太陽(yáng)能電池 如右圖所示,太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的,能夠直接將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成電能的器件。具有很強(qiáng)的光伏效應(yīng)半導(dǎo)體材料,當(dāng)吸收一定能量的光子后其內(nèi)部導(dǎo)電的載流子分布和濃度發(fā)生變化。光照在半導(dǎo)體 P/N 結(jié)上, 就會(huì)在其兩端產(chǎn)生光生電壓, 當(dāng)外部接通電路時(shí),在該電壓的作用下,將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。 在這個(gè)過(guò)程中,光電池本身不發(fā)生 任何化學(xué)反應(yīng),也沒有轉(zhuǎn)動(dòng)磨損,因此使用太陽(yáng)能電池的過(guò)程中沒有噪聲,沒有環(huán)境污染,這是其他方式發(fā)電所不能比擬的。 蓄電池 國(guó)內(nèi)目前被廣泛使用的太陽(yáng)能蓄電池主要是鉛酸蓄電池,它的主要特點(diǎn):壽命長(zhǎng),免維護(hù)安全可靠,具有比較好的循環(huán)充放電能力,具有很好的過(guò)充和過(guò)放能力。電池的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛 ( PbO2 ),負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛 ( Pb),電解液是硫酸液(H2 SO4 )。本設(shè)計(jì)采用密封型鉛酸電池,設(shè)計(jì)的蓄電池電壓值為: 12V,充滿斷開電壓為: ~ ;恢復(fù)連接電壓為: 。 圖 14 光耦合器 圖 15 太陽(yáng)能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng) 4 軟件設(shè)計(jì)
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