【正文】 設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 33 頁 單片機(jī) STC89C52 的外圍電路和 AD 采集模塊電路圖如圖 6 圖 6 單片機(jī)外圍電路及 AD采集模塊 CN3717 應(yīng)用 電路設(shè)計(jì) 簡介 CN3717是 PWM降壓模式鉛酸電池充電管理集成電路，獨(dú)立對鉛酸電池充電進(jìn)行自動管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。 不應(yīng)將“ 1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復(fù)位后這些單元數(shù)值總是“ 0”。 特殊功能寄存器 在 STC89C52RC 片內(nèi)存儲器中， 80H～ FFH 共 128 個(gè)單元位特殊功能寄存器（ SFR）， SFR 的地址空間如 下表 1 所示。否則， ALE 將被微弱拉高。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 在對 Flash ROM 編程或程序校驗(yàn)時(shí)， P3 還接收一些控制信號。 P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳）： P3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2 作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個(gè)電流（ ）。 此外， 和 還可以作為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部技術(shù)輸入（ ）和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體參見 下表 ： 在對 Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 接收低 8 位地址。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳）： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， P0 口也可以提供低 8位地 址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。 主要特性如下： 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)） 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz 用戶應(yīng)用程序空間為 8K字節(jié) 片上集成 512 字節(jié) RAM 通用 I/O 口（ 32 個(gè)），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。兩個(gè)蓄電池的 輪流充放電充分地利用了太陽能源 ,提高 了光伏系統(tǒng)的效率 .但要具體實(shí)現(xiàn)上述方案并不容易 ,還需要克服許多理論和技術(shù)問題 .如一個(gè)蓄電池 的端壓穩(wěn)定時(shí)間與蓄電池本身的性能有關(guān) , 該實(shí)驗(yàn)中使用的為鉛酸免維護(hù)蓄電池 12V, 12AH, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得斷電后得蓄電池端壓的變化曲線 。 PV（光伏） 陣列發(fā)電時(shí)的等效電路圖 圖 4 PV陣列發(fā)電時(shí)的等效簡化電路 鉛酸蓄電池的特點(diǎn)及選型 目前光伏系統(tǒng)大多采用蓄電池作為貯能元件 .而能夠與光伏電池配套使用的蓄電池種類有很多 ,目 前廣泛使用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池 ,普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池等 .目前常使用的 是鉛酸免維護(hù) 蓄電池 , 因其維護(hù)方便 , 性能可靠 , 且對環(huán)境污染較小 , 特別是用于無人值守的光伏電站時(shí)如圖 1, 有著其他蓄電池所無法比擬的優(yōu)越性 . 本文以光伏系統(tǒng)中的鉛酸免維護(hù)蓄電池 12V,12AH 為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較不同的充電檢測方法 . 1 關(guān)于蓄電池的充放電 蓄電池充放電是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的 ,即電池主要組件的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生連續(xù)和深度的變化 . 所以與一般電子零部件相比 ,蓄電池對溫度變化更為敏感 .此外 ,反應(yīng)速率 ,即充電電流或放電電流 , 影響反應(yīng)參數(shù)并由此影響蓄電池第 6 頁 共 33 頁 基于單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì) 的性能 . 光伏系統(tǒng) 中的蓄電池的工作條件與蓄電池在其他場合的工作條件不同 ,其充電率和放電率都非常 小 ,且充電時(shí)間受到限制 ,即只有在日照時(shí)才能充電 ,所以不能按一固定的充電規(guī)律對其進(jìn)行充電 .由 于蓄電池應(yīng)用在這個(gè)特殊的環(huán)境下 ,致使其壽命比所預(yù)定的短 ,成為整個(gè)光伏系統(tǒng)中最易損壞的部分 , 其損壞的原因主要為 過充 與 過放 . 過充是指蓄電池單格電壓超過某一水平一般為 ～ ,此時(shí)蓄 電池?zé)o法使產(chǎn)生的氧氣充分再化合 .充電電壓過高 ,在負(fù)極上生成的氫很難在電池內(nèi)部被吸收 ,在電池中因積累而產(chǎn)生壓力并且導(dǎo)致水 份損失 .嚴(yán)重過充時(shí) ,水分解 ,產(chǎn)生氫氣和氧氣 ,使得蓄電池底部濃度 比其他地方高出許多 ,導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化 ,正極板腐蝕和膨脹 ,造成容量損失 . 過放是指蓄電池放電超過了規(guī)定的放電終止電壓如圖 2,蓄電池放出了過量的容量 .在鉛酸蓄 電池中 ,兩個(gè)電極對過放都是敏感的 .在溶解再沉積機(jī)理中 ,當(dāng)鉛 Pb 和二氧化鉛 PbO2 分 別溶解在電解液中并作為新的化合物硫酸鉛PbS04 沉淀出來時(shí) , 活性物質(zhì)發(fā)生了徹底的轉(zhuǎn)變并 且失去原有的結(jié)構(gòu) .負(fù)電極由于有反極的危險(xiǎn) ,對過放也是敏感的 .活性物質(zhì)中的膨脹劑可能會因氧化 而失去作用 ,而鉛酸蓄電池在隨后再充電時(shí)枝晶增長的危險(xiǎn)會大大增加 . 在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)需要對蓄電池的容量進(jìn)行檢測以判斷是否應(yīng)繼續(xù)充電或放電 . 目前大部分采用電 壓單環(huán)的在線式檢測方案 . 2 在線式檢測方案 在線式檢測 ,即在充電過程中不斷地對蓄電池的端電壓進(jìn)行監(jiān)測 ,當(dāng)蓄電池的端電壓大于某個(gè)限定 值時(shí) ,就視為已充滿 ,停止太陽電池向蓄電池充電 . 由于這種電路結(jié)構(gòu)簡單 ,價(jià)格低廉 .目前應(yīng)用最為廣泛 .它的電路結(jié)構(gòu)可以基于比較控制器建立蓄 電池檢測電路 . 此電路可以用比較器來控制電池組的充電電流 . 蓄電池電壓 VD 分別經(jīng)分壓后輸入比較器 :當(dāng) VD8V時(shí) ,比較器被觸發(fā) ,太陽電池經(jīng)防反二極 管向蓄電池充電 。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。 ⅠVPmVmImIs cV o c基于單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 33 頁 通過戶外測量太陽能電池組件的峰值功率是很困難的，因?yàn)樘柲茈姵亟M件所接受到的太陽光的實(shí)際光譜取決于大氣條件及太陽的位置；此外，在測量的過程中，太陽能電池的溫度也是不斷變化的。也就是說，如果太陽能電池溫度每升高 1?C，則最大功率減少 %。 I: 電流 Isc: 短路電流 Im: 最大工作電流 V: 電壓 Voc: 開路電壓 Vm: 最大工作電壓 圖 3 太陽能電池的電流－電壓特性曲線 當(dāng)太陽能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從 0 開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將躍過最大點(diǎn)，并逐漸減 少至零，即電壓達(dá)到開路電壓 Voc。Ⅴ－Ⅰ特性曲線可根據(jù)圖 1－ 3 所示的電路裝置進(jìn)行測量。合金薄片的主要功能是防潮、防污。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對并不能全部被 PN 結(jié)電場所分離，因?yàn)殡姾蓪υ诰w與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅太陽能電池的效率一般要比單晶硅太陽能電池低。 圖 2 太陽能電池單體、組件和方陣 將一個(gè)負(fù)載連接在太陽能電池的上下兩表面間時(shí)，將有電流流過該負(fù)載，于是太陽能電池就產(chǎn)生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。 PN結(jié)形成一個(gè)電場。太 陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率 (見圖 2)。 而硬件電路又可分為 PV陣列電氣連接部分，單片機(jī)的外圍電路， CN3717 的典型應(yīng)用電路圖。電池處于浮充電階段時(shí)電壓始終保持在 10． 8V，主要用于補(bǔ)充蓄電池自放電消耗的能量，浮充的開始標(biāo)志 著恒壓充電狀態(tài)的結(jié)束。為適應(yīng)不同場合和各種負(fù)載的應(yīng)用需要，本設(shè)計(jì)利用 STC89C52 單 片機(jī) A／ D 采樣獲得數(shù)據(jù)對蓄電池充電過程進(jìn)行監(jiān)控，由單片機(jī)內(nèi)部的 PWM 輸出控制恒流、恒壓和浮充三段式充電，并通過發(fā)光二極管顯示各狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的光伏蓄電池的充放電控制器，單片機(jī)采用 STC89C52，蓄電池采用鉛酸蓄電池?；趩纹瑱C(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 33 頁 基于 單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì) 作者： 朱慶豐 指導(dǎo)教師：馬德貴 （安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 09電 氣工程及其自動化專業(yè) 合肥 230036） 摘要： 傳統(tǒng)能源消耗殆盡，低碳的生活模式深入人心，開發(fā)新能源迫在眉睫，太陽能的研究與使用的重要性不說自明。本文從研究 PV陣列在不同狀態(tài)下的發(fā)電功率入手，結(jié)合鉛酸蓄電池本身的充放電原理，意在使 PV 陣列最大效率轉(zhuǎn)化太陽能、使蓄電池安全合理地充放電、使負(fù)載穩(wěn)定可靠地工作。 恒流充電階段為大電流恒流充電，電流值 I 因蓄電池容量而異，一般為I=0． 1C(C 為蓄電池組的容量 )。 本 次設(shè)計(jì) 采用 STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對蓄電池的充放電控制，用到了上海如韻電子設(shè)計(jì)的一款針對鉛酸電池的光伏充放電控制芯片 CN3717，模塊化的芯片設(shè)計(jì)不僅簡化了開發(fā)的復(fù)雜程度，而且使得功能實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定。 該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如下圖 1所示： 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 PV 板特 性與等效電路 太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為 4cm2到 100cm2 不等。 （ 1）硅太陽能電池單體 常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。太陽能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將 使太陽能電池的效率下降。多晶硅太陽能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅 太陽能電池低。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電 池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。 太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能 力。太陽能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。Ⅴ－Ⅰ特性曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流 Im 與電壓 Vm 在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。太陽能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出 強(qiáng)烈的非線性。所以，太陽直射的夏天，盡管太陽輻射量比 較大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽電池溫升過高，也可能不會輸出很大功率。在戶外測量的誤差很容易達(dá)到10％或更大。為了防止太陽能電池由于熱班效應(yīng)而被破壞，需要 在太陽能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。當(dāng) VD15V 時(shí) ,停止充電 . 門限電壓可設(shè)定文中所用 8V 與 15V 為經(jīng)驗(yàn)所得值 . 此電路結(jié)構(gòu)簡單 ,成本低 ,且易于維護(hù) ,其在光伏應(yīng)用初期曾得到廣泛運(yùn)用 .但它不能實(shí)現(xiàn)涓流充 電 ,造成了能源的極大浪費(fèi) ,使得本來效率就不高的光伏系統(tǒng)性價(jià)比更低 . 隨著集成電路的廣泛使用 ,如今市場上的光伏產(chǎn)品中普遍采取基于專業(yè)芯片的檢測電路 ,而主控電 路采用 ΔV型 ,充電專用 IC中常用的類型 .鉛酸電池在充電時(shí) ,電壓隨充電時(shí)間的增長而上升 ,但充 足電 后端電壓開始下降 .設(shè)計(jì)主控電路時(shí) ,利用該特性監(jiān)測電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降 ,以控制 充電結(jié)束 ,達(dá)到自動充電的目的 ,這也稱為 — ΔV法 . 它能有效地防止蓄電池的 過充 與 過放 ,并能實(shí)現(xiàn)涓流充電 ,有利于光伏系統(tǒng)效率的提高 , 是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的蓄電池檢測電路 . 3 離線式檢測方案 蓄電池的電壓受很多因素的影響 ,例如溫度 ,濕度等 ,特別是在充電過程中 ,蓄電池的端電壓并不 能很好地反映其容量 . 上述在線式檢測方案中蓄電池都與太陽電池直接相連 ,其端電壓受太陽電池端電 壓制約 ,VD 并不能 準(zhǔn)確地反映蓄電池的容量 .這突出表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)所處溫度較高時(shí) ,由于太陽電池板 和蓄電池的端電壓均受溫度影響嚴(yán)重 , 太陽能板端電壓隨溫度升高而降低 , 而蓄電池端電壓則剛好相反 , 容易出現(xiàn)蓄電池容量未滿卻已不能充入的現(xiàn)象常稱之為 虛滿 .這在很大程度上影響了蓄電池容 量檢測的準(zhǔn)確性 ,進(jìn)而阻礙了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作 ,造成能源的極大浪費(fèi) . 針對這一問題 ,我們在這里提出一種新穎的蓄電池容量檢測方案 —— 離線式檢測 . 雖然蓄電池的電壓在充電過程中其端電基于單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 33 頁 壓并不能很好地反映其容量 ,但在斷開充電回路一段時(shí)間 后 ,其端壓會自動下降 ,下 降后的端壓能很好地引導(dǎo)我們對蓄電池充電