【正文】 設計 第 11 頁 共 33 頁 單片機 STC89C52 的外圍電路和 AD 采集模塊電路圖如圖 6 圖 6 單片機外圍電路及 AD采集模塊 CN3717 應用 電路設計 簡介 CN3717是 PWM降壓模式鉛酸電池充電管理集成電路，獨立對鉛酸電池充電進行自動管理，具有封裝外形小，外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點。 不應將“ 1”寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數值總是“ 0”。 特殊功能寄存器 在 STC89C52RC 片內存儲器中， 80H～ FFH 共 128 個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器或時鐘使用。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 編程或程序校驗時， P3 還接收一些控制信號。 P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳）： P3 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2 作為輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ ）。 此外， 和 還可以作為定時器 /計數器 2 的外部技術輸入（ ）和定時器 /計數器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體參見 下表 ： 在對 Flash ROM 編程和程序校驗時， P1 接收低 8 位地址。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳）： P1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部程序和數據存儲器時， P0 口也可以提供低 8位地 址和 8 位數據的復用總線。 主要特性如下： 增強型 8051 單片機， 6時鐘 /機器周期和 12時鐘 /機器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達 48MHz 用戶應用程序空間為 8K字節(jié) 片上集成 512 字節(jié) RAM 通用 I/O 口（ 32 個），復位后為： P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉， P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O口用時，需加上拉電阻。兩個蓄電池的 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 .但要具體實現上述方案并不容易 ,還需要克服許多理論和技術問題 .如一個蓄電池 的端壓穩(wěn)定時間與蓄電池本身的性能有關 , 該實驗中使用的為鉛酸免維護蓄電池 12V, 12AH, 根據實驗所測得斷電后得蓄電池端壓的變化曲線 。 PV（光伏） 陣列發(fā)電時的等效電路圖 圖 4 PV陣列發(fā)電時的等效簡化電路 鉛酸蓄電池的特點及選型 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 蓄電池 , 因其維護方便 , 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)中的鉛酸免維護蓄電池 12V,12AH 為例進行實驗比較不同的充電檢測方法 . 1 關于蓄電池的充放電 蓄電池充放電是根據化學反應進行的 ,即電池主要組件的結構和化學成分發(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 ,反應速率 ,即充電電流或放電電流 , 影響反應參數并由此影響蓄電池第 6 頁 共 33 頁 基于單片機的太陽能控制器設計 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 ,且充電時間受到限制 ,即只有在日照時才能充電 ,所以不能按一固定的充電規(guī)律對其進行充電 .由 于蓄電池應用在這個特殊的環(huán)境下 ,致使其壽命比所預定的短 ,成為整個光伏系統(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 ～ ,此時蓄 電池無法使產生的氧氣充分再化合 .充電電壓過高 ,在負極上生成的氫很難在電池內部被吸收 ,在電池中因積累而產生壓力并且導致水 份損失 .嚴重過充時 ,水分解 ,產生氫氣和氧氣 ,使得蓄電池底部濃度 比其他地方高出許多 ,導致負極板底部硫酸鹽化 ,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 ,兩個電極對過放都是敏感的 .在溶解再沉積機理中 ,當鉛 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 , 活性物質發(fā)生了徹底的轉變并 且失去原有的結構 .負電極由于有反極的危險 ,對過放也是敏感的 .活性物質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枝晶增長的危險會大大增加 . 在設計光伏系統(tǒng)時需要對蓄電池的容量進行檢測以判斷是否應繼續(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行監(jiān)測 ,當蓄電池的端電壓大于某個限定 值時 ,就視為已充滿 ,停止太陽電池向蓄電池充電 . 由于這種電路結構簡單 ,價格低廉 .目前應用最為廣泛 .它的電路結構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 分別經分壓后輸入比較器 :當 VD8V時 ,比較器被觸發(fā) ,太陽電池經防反二極 管向蓄電池充電 。有光照的電池所產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基于單片機的太陽能控制器設計 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，因為太陽能電池組件所接受到的太陽光的實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 當太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦從 0 開始增加；當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減 少至零，即電壓達到開路電壓 Voc。Ⅴ－Ⅰ特性曲線可根據圖 1－ 3 所示的電路裝置進行測量。合金薄片的主要功能是防潮、防污。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。為了滿足實際應用的需要，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，意味著正負電荷對并不能全部被 PN 結電場所分離，因為電荷對在晶體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 將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負載，于是太陽能電池就產生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產生的電流也就越大。 PN結形成一個電場。太 陽能電池組件再經過串并聯組合安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足負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，單片機的外圍電路， CN3717 的典型應用電路圖。電池處于浮充電階段時電壓始終保持在 10． 8V，主要用于補充蓄電池自放電消耗的能量，浮充的開始標志 著恒壓充電狀態(tài)的結束。為適應不同場合和各種負載的應用需要，本設計利用 STC89C52 單 片機 A／ D 采樣獲得數據對蓄電池充電過程進行監(jiān)控，由單片機內部的 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)。本文設計的是基于單片機的光伏蓄電池的充放電控制器，單片機采用 STC89C52，蓄電池采用鉛酸蓄電池?；趩纹瑱C的太陽能控制器設計 第 1 頁 共 33 頁 基于 單片機的太陽能控制器設計 作者： 朱慶豐 指導教師：馬德貴 （安徽農業(yè)大學工學院 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 陣列最大效率轉化太陽能、使蓄電池安全合理地充放電、使負載穩(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 次設計 采用 STC89C52單片機實現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計的一款針對鉛酸電池的光伏充放電控制芯片 CN3717，模塊化的芯片設計不僅簡化了開發(fā)的復雜程度，而且使得功能實現更加穩(wěn)定。 該設計的系統(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生自由電子，一個高于基能能量的光子將僅產生一個自由電子，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，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量的太陽能電 池，這些太陽能電池通過導線連接。 太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風、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系。太陽能電池的內阻呈現出 強烈的非線性。所以，太陽直射的夏天，盡管太陽輻射量比 較大，如果通風不好，導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到10％或更大。為了防止太陽能電池由于熱班效應而被破壞，需要 在太陽能電池組件的正負極間并聯一個旁通二極管，以避免光照組件所產生的能量被遮蔽的組件所消耗。當 VD15V 時 ,停止充電 . 門限電壓可設定文中所用 8V 與 15V 為經驗所得值 . 此電路結構簡單 ,成本低 ,且易于維護 ,其在光伏應用初期曾得到廣泛運用 .但它不能實現涓流充 電 ,造成了能源的極大浪費 ,使得本來效率就不高的光伏系統(tǒng)性價比更低 . 隨著集成電路的廣泛使用 ,如今市場上的光伏產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 ,電壓隨充電時間的增長而上升 ,但充 足電 后端電壓開始下降 .設計主控電路時 ,利用該特性監(jiān)測電池電壓出現峰值之后的微量下降 ,以控制 充電結束 ,達到自動充電的目的 ,這也稱為 — ΔV法 . 它能有效地防止蓄電池的 過充 與 過放 ,并能實現涓流充電 ,有利于光伏系統(tǒng)效率的提高 , 是當前運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 準確地反映蓄電池的容量 .這突出表現為當系統(tǒng)所處溫度較高時 ,由于太陽電池板 和蓄電池的端電壓均受溫度影響嚴重 , 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 , 容易出現蓄電池容量未滿卻已不能充入的現象常稱之為 虛滿 .這在很大程度上影響了蓄電池容 量檢測的準確性 ,進而阻礙了整個系統(tǒng)的正常工作 ,造成能源的極大浪費 . 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的太陽能控制器設計 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間 后 ,其端壓會自動下降 ,下 降后的端壓能很好地引導我們對蓄電池充電