【正文】 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書太陽能充放電控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄1 緒論 1 課題研究背景和意義 1 太陽能充放電控制器現(xiàn)狀 2 設(shè)計(jì)主要任務(wù) 32 太陽能充電控制器的總體設(shè)計(jì)方案 4 太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 4 充電控制器的控制策略 6 控制器的整體設(shè)計(jì)方案 83 太陽能充電控制器的硬件電路設(shè)計(jì) 10 系統(tǒng)層次原理圖 10 單片機(jī)最小系統(tǒng) 11 STC89C52的簡介 11 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路 13 充放電電路 15 16 A/D轉(zhuǎn)換電路 16 ADC0804的簡介 17 ADC0804外圍接線電路 18 LCD顯示電路 20 E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 21 串口通信電路 224 太陽能充電控制器的軟件設(shè)計(jì) 26 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 26 電壓采集轉(zhuǎn)換模塊 27 顯示模塊 28 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 31 軟件調(diào)試和仿真 335 總結(jié)與展望 36 設(shè)計(jì)總結(jié) 36 展望 37參考文獻(xiàn) 38致 謝 39附錄Ⅰ 源程序 40附錄Ⅱ 硬件電路圖 54601 緒論 課題研究背景和意義能源資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，隨著人民生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，能源的缺口增大，能源問題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素?cái)[在了人們面前。伴隨著世界能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，石油價(jià)格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經(jīng)不能適應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)快速增長的需要，如何解決能源問題，是每個(gè)國家都必須面臨的問題。同時(shí)，以煤、石油作為燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)已經(jīng)開始造成全球變暖，即“溫室效應(yīng)，人類的生活將會(huì)由此受到很大的威脅。這些難題迫使政府和社會(huì)在發(fā)展常規(guī)能源的同時(shí)必須加大對(duì)新能源的開發(fā)和利用。新能源包括水能、風(fēng)能、太陽能等。雖然風(fēng)能或水能等更加便宜，但是大多數(shù)的自家用戶卻都不可能找到適當(dāng)場合進(jìn)行架設(shè)，架設(shè)成本較高。而太陽能則不同，任何自家用戶只要找到一個(gè)有陽光照射到的窗戶都可以裝置太陽能極板作輔助能源，幾百元投資便可以架設(shè)。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專家也認(rèn)為，太陽能將成為21世紀(jì)最重要也最有前景的能源之一。而且太陽輻射能與煤炭、石油等常規(guī)能源相比較，更有如下的優(yōu)點(diǎn)：（1）普遍性。地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運(yùn)輸，容易獲取。（2）無害性。利用太陽能作為能源，沒有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒有噪聲，不會(huì)污染環(huán)境，沒有公害，清潔干凈。（3）長久性。 只要有太陽，就有太陽能，因此太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。（4）巨大性。一年內(nèi)到達(dá)地面的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽輻射總量3340．8400MJ／m2，中值為5852MJ／m2。年日照時(shí)數(shù)在2200小時(shí)以上的地區(qū)約占國土面積的2／3以上。我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等省，年日照時(shí)間長，這些地區(qū)面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區(qū)傳統(tǒng)的供電設(shè)施建設(shè)成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當(dāng)?shù)卣浞掷锰柲馨l(fā)電解決無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。為了更高效的利用太陽能，白天可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將電能儲(chǔ)存起來，需要用電時(shí)即可由蓄電池供電?？傮w看來我國太陽能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽能資源，采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，可以節(jié)約能源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。 太陽能充放電控制器現(xiàn)狀（1）太陽能光伏發(fā)電太陽能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢，所以世界各國都在努力研發(fā)新技術(shù)進(jìn)行獲取，比較成熟的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認(rèn)為是當(dāng)前世界最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個(gè)方面。在進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電時(shí)，由于一般太陽能極板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接將太陽能極板應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯?chǔ)到一定的儲(chǔ)能設(shè)備中，如鉛酸蓄電池。但只有當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中保持蓄電池沒有過充電，也沒有過放電，才能使蓄電池的使用壽命延長，效率也得以提高，因此必須對(duì)工作過程加以研究分析而予以控制，這種情況下太陽能充電控制器應(yīng)運(yùn)而生。（2）充電控制器的作用及現(xiàn)狀太陽能充電控制器具備充電控制、過充保護(hù)、過放保護(hù)、防反接保護(hù)及短路保護(hù)等一系列功能，解決了這一難題，這樣控制器在這個(gè)過程中起著樞紐作用，它控制太陽能極板對(duì)蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長蓄電池的使用壽命。同時(shí)太陽能充放電控制器還控制蓄電池對(duì)負(fù)載的供電，保護(hù)蓄電池和負(fù)載電路，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，由此可見，控制器具有舉足輕重的作用。市目前場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對(duì)于蓄電池的保護(hù)不夠充分，不合適的充放電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。目前，控制器常用的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。但是這些方法由于充電方式單一加上控制策略不夠完善，都存在一定的局限性。另一方面，當(dāng)蓄電池給負(fù)載供電時(shí)，由于控制器不能時(shí)刻檢測蓄電池的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過放電，將會(huì)導(dǎo)致蓄電池的深度放電，嚴(yán)重影響其壽命。所以，如何改善太陽充控制器的充放電方式，開發(fā)性能優(yōu)良的充放電控制器，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的效率，成為了一個(gè)重要的研究方面。 設(shè)計(jì)主要任務(wù)本設(shè)計(jì)研究確定了一種基于STC單片機(jī)的太陽能充放電控制器的方案，在太陽能對(duì)蓄電池的充電方式、控制器的功能要求和電路保護(hù)方面做了分析，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的科學(xué)管理，并將充放電控制器應(yīng)用于太陽能路燈或其他負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了控制功能。這里以充/放電最大電流10A，額定電壓12V控制器系統(tǒng)為例，其實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。（1）要能自動(dòng)檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池 電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會(huì)反向流向太陽能電池板而造成點(diǎn)亮損耗。（2），自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時(shí)有報(bào)警功能；（3），自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（過壓關(guān)斷）和充電電路，同時(shí)有報(bào)警功能。（4）。（5）當(dāng)用戶將太陽能電池板接反至控制器時(shí)，具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能；（6）當(dāng)用戶將蓄電池接反至控制器時(shí)，要有報(bào)警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能。2 太陽能充電控制器的總體設(shè)計(jì)方案在確定設(shè)計(jì)方案之前，需要結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)行一定的綜合分析，更加明確控制器的作用，最后來確定整體方案。這里以太陽能充電控制器應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電路燈系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的主要功能做詳細(xì)的分析說明。 太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要針對(duì)直流照明路燈進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以構(gòu)成太陽能路燈系統(tǒng)主要有四大部分組成，即太陽能極板、蓄電池、充電控制器、照明電路。太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖 21 太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)從圖21中可以看出，太陽能極板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并將電能存儲(chǔ)到蓄電池中，蓄電池再將存儲(chǔ)的電能輸出給照明電路供電，完成能量的傳遞。系統(tǒng)各個(gè)部分的控制功能全由充電控制器來完成。（1）太陽能電池板如圖22所示，太陽能電池板是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的，能夠直接將太陽輻射轉(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)電的載流子電子和空穴分布和濃度發(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)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。在這個(gè)過程中，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，因此使用太陽能電池的過程中沒有噪聲，沒有環(huán)境污染，這是其他方式發(fā)電所不能比擬的。圖22 太陽能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng)（2）蓄電池這里首先介紹蓄電池工作原理。太陽能充電控制器最主要的功能是控制太陽能極板對(duì)蓄電池的充電，蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，所以在設(shè)計(jì)控制器之前需要對(duì)蓄電池的原理、充放電過程做一個(gè)分析。一般鉛酸蓄電池是由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成，極板主要有鉛制成，電解液是硫酸溶液。依據(jù)化學(xué)基礎(chǔ)理論：鉛酸蓄電池釋放化學(xué)能的過程(放電過程)是負(fù)極進(jìn)行氧化，正極進(jìn)行還原的過程；電池補(bǔ)充化學(xué)能的過程(充電過程)是負(fù)極進(jìn)行還原，正極進(jìn)行氧化的過程。分析可知，蓄電池的充電過程和放電過程是可逆的。實(shí)際上，蓄電池最重要的指標(biāo)就是電解液中硫酸根的濃度，因此可以用電池中硫酸溶液的密度(比重)來衡量電池充放電的程度。工作原理搞懂了之后，接著看蓄電池在整個(gè)系統(tǒng)中的作用。在獨(dú)立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能可靠性影響比較大的部分。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用有：儲(chǔ)存能量、對(duì)太陽能極板的工作電壓的進(jìn)行鉗位、給負(fù)載提供啟動(dòng)電流等。蓄電池的存在，可以解決太陽能產(chǎn)生電能和負(fù)載用電時(shí)間不一致不同步的問題，太陽能極板和負(fù)載兩者之間電壓不匹配的問題等。（3）充電控制器一般太陽能極板輸出電壓的不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯?chǔ)到儲(chǔ)能設(shè)備如蓄電池中，而控制器在這個(gè)過程中起著樞紐作用，其性能的好壞將會(huì)直接影響實(shí)際應(yīng)用的使用效果?？刂破骺刂铺柲軜O板對(duì)蓄電池的充電，為了延長蓄電池的使用壽命，必須對(duì)它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電?？刂破魍瑫r(shí)負(fù)責(zé)蓄電池是否對(duì)負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池的電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，控制器控制開關(guān)接通，蓄電池給負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池的電壓處于欠壓或是過放狀態(tài)時(shí)，控制器控制開關(guān)截止，蓄電池停止對(duì)負(fù)載的供電，在這個(gè)過程中控制器起著至關(guān)重要的作用，保護(hù)負(fù)載和蓄電池。 充電控制器的控制策略作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，蓄電池的壽命短是阻礙整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)性能和推廣的主要原因之一。根據(jù)蓄電池的工作原理，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素有：充電電壓的設(shè)置、過放控制點(diǎn)的設(shè)置、溫度、運(yùn)行環(huán)境等。依據(jù)這些影響因素，分析蓄電池常見充放電方式局限性，對(duì)充放電方式進(jìn)行了一定的改進(jìn)。（1）蓄電池常規(guī)充放電方式目前，控制器常規(guī)的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。恒流充電法是通過保持充電電流強(qiáng)度不變進(jìn)行充電的方法。這種充電控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過多，影響蓄電池的使用壽命。第二種是階段充電法。這種充電方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段充電法是先用恒定電流充電至預(yù)定的電壓值，然后改為恒定電壓完成剩余的充電，一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓；三階段充電法是指在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒定的電流充電，中間用恒定的電壓進(jìn)行充電。階段充電法這種方法雖然可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。恒壓充電時(shí)要嚴(yán)格掌握充電電壓，電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，充電電壓過低，蓄電池會(huì)充不滿，過高則會(huì)造成過量充電。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少。這種充電方法在充電初期電流過大，對(duì)蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，將會(huì)影響蓄電池的使用。（2）改進(jìn)的充放電方式針對(duì)目前市場上控制器的主要問題是由于對(duì)于蓄電池的保護(hù)不夠充分，不合適的充電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，同時(shí)通過對(duì)蓄電池的工作原理和對(duì)影響蓄電池使用壽命因素的分析，本論文提出了PWM (Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制充電方法。 PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，這也是蓄電池充電理論的進(jìn)一步發(fā)展。PWM脈沖調(diào)制充電方式首先對(duì)電池充電一段時(shí)間，然后讓電池停止充電一段時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。脈寬調(diào)制方式是指在固定時(shí)鐘頻率下，通過調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷時(shí)間來控制信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整。實(shí)際也就是以一直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合開關(guān)的控制來改變電壓。輸出電壓波形如圖23所示。圖23 輸出電壓波形針對(duì)目前市場上的太陽能充電控制器當(dāng)蓄電池給負(fù)載供電時(shí)，沒有時(shí)刻檢測蓄電池的電壓，很容易