【正文】 2210VCCRSR/WEND0D1D2D3D4D5D6D7 圖 411 電壓顯示電路 根據(jù) 1602 的技術(shù)參數(shù)和引腳功能， 1602 與單片機(jī)連接構(gòu)成的 電壓顯示電路如圖411 所示。 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 為了把電路發(fā)生異常時(shí)的蓄電池電壓記錄下來(lái)，需要用存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。 AT24C02 是一個(gè) 2K 位串行 CMOS E2PROM， 內(nèi)部含有 256 個(gè)字節(jié)， 采用 先進(jìn)CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 222kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 表 43 AT24C02 管腳描述 I2C 串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線 SDA，另一根是時(shí)鐘線 SCL。單片機(jī)通信是指單片機(jī)與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)與單片機(jī)之間的信息交換，不過通常使用的是單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。由于單片機(jī)的電平和計(jì)算機(jī)電平不兼容，設(shè)計(jì)中采用 MAX232 芯片進(jìn)行 TTL 電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換。 了解芯片的主要特點(diǎn)之后，接下來(lái)我們來(lái)認(rèn)識(shí) MAX232 它的各個(gè)引腳的功能，即有什么作用，以更好地 設(shè)計(jì)串口通信電路。功能是產(chǎn)生 +12v和 12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。電路如下圖 414 所示。 太陽(yáng)能充電控制器的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，受 C 語(yǔ) 言模塊化編程設(shè)計(jì)思想的啟發(fā)， 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的 子 程序 （子函數(shù)） 模塊組成，它們之間通過 函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn) 連接。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 262kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 主程序流程圖如圖 415 所示 。通過仿真可以看出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的不合理部分，以方便改善使得系統(tǒng)更加合理；同時(shí)更重要的是驗(yàn)證自己編寫的軟件程序是否 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其功能，完成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)任務(wù)。 程序調(diào)試成功后，下一步就是軟 件仿真，是檢驗(yàn)程序運(yùn)行是否正確的關(guān)鍵所在，更是優(yōu)化系統(tǒng)所必須的。 系統(tǒng)共三種狀態(tài)：正常充電、過充、過放。按蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 292kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 照 C 語(yǔ)言模塊化程序設(shè)計(jì)方法，論文編制了系統(tǒng)主程序和各個(gè)子程序模塊來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制控制策略和各種保護(hù)，完成了軟件設(shè)計(jì)任務(wù) 。對(duì)輸入的直流電進(jìn)行 PWM 調(diào)制，經(jīng)過 LC 濾波輸出。 控制芯片 控制芯片為 Microchip 公司的 PIC16F73 單片機(jī)。單片機(jī)通蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 312kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 過內(nèi)部軟件產(chǎn)生兩路 PWM 控制信號(hào)，然后經(jīng)過邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動(dòng)信號(hào)，再經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)芯片 TLP250 隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€(gè) IGBT 的柵極，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。 PIC16F73 最高時(shí)鐘頻率為 20MHZ，每條指令執(zhí)行周期 200ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)周期，因此速度相當(dāng)快。 圖 51 逆變電路的拓?fù)鋱D 控制方法 對(duì)于光伏逆變電源的逆變部分，在這里 采用脈寬調(diào)制方式，得到修正正弦波。 單相逆變電路最常用的結(jié)構(gòu)有半橋和全橋兩種，半橋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出電壓低；全橋電路相對(duì)復(fù)雜，但控制靈 活，且輸出電壓是半橋電路的兩倍，因此逆變主電路采用單相全橋電壓型。 正常工作時(shí)的狀態(tài)： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 282kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 圖 416 正常工作狀態(tài)仿真 其工作原理如下，單片機(jī)在軟件程序控制下，控制著各個(gè)部分硬件電路有序工作，把從模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的蓄電池的電壓值，用 1602 液晶去顯示，同時(shí)綠燈亮起表示系統(tǒng)正在充電。 使用 protues 進(jìn)行仿真，首先要畫電路圖， 電路 圖 由以上介紹的幾部分組成 ，但因?yàn)榇税姹局袥]有 STC89C52 單片機(jī)，所以用 AT89C52 代替 ，畫好的電路圖如圖 416 所示 。當(dāng)然在編寫程序進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)過程中，遇到的第一個(gè)問題就是：程序的調(diào)試。 蓄電池電壓的采集、轉(zhuǎn)換顯示 和 異常數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 都在測(cè)控子程序中進(jìn)行 ，系統(tǒng) 應(yīng)用 主 程序采用模塊化結(jié)構(gòu) ，首先完成初始化，然后就開始按順序調(diào)用各個(gè)模塊子程序，通過系統(tǒng)自檢和控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和電路控制，有效的控制蓄電池充放電。系統(tǒng)軟件主要完成 蓄電池電壓 采集 轉(zhuǎn)換 ， PWM 脈沖充電控制、 實(shí)時(shí) LCD 顯示， 異常 報(bào)警 等。當(dāng)然單片機(jī)和 DB9 要共地，這是實(shí)現(xiàn)串行通信的前提條件。 第三部分是供電。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 第一部分是電荷泵電路。 MAX232 芯片是專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ,使用+5v 單電源供電。由于并行通信存在使用傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送成本高且收、發(fā)方的各位同時(shí)接受存在困難等諸多問題，所以在現(xiàn)代 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，信息的交換多采用串行通信方式。 根據(jù)各引腳的 功能，依據(jù) CI2 總線系統(tǒng)的典型硬件連接圖，AT24C02 與單片機(jī)連接構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖 412 所示。該器件通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。為了解決這一難題，本設(shè)計(jì)采用具有 I2C 總線接口的串行 E2PROM 器件，這里選擇 AT24C02 芯片。液晶 3 端通過接一個(gè) 10K 電位器接地來(lái)調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度。 1602 引腳功能 如表 32 所示。為了更好的顯示電壓值，同時(shí)擴(kuò)展自己學(xué)習(xí)芯片的能力，本設(shè)計(jì)用液晶 1602 來(lái)顯示蓄電池的電壓值。 BT1Battery20KR310KR5ADINBAT+BAT 圖 49 電壓采集電路 （ 2） ADC0804 構(gòu)成的典型 A/D 轉(zhuǎn)換電路 CS1RD2WR3CLOCK4INTR5IN6IN7AGND8VREF/29DGND10D711D612D513D414D315D216D117D018CLKR19VCC20U5AD0804VCC10kR1710KR1910KR20VCCCSADRDWRC9CapP10P11P12P13P14P15P16P17ADIN 圖 410 A/D 轉(zhuǎn)換電路 按照芯片手冊(cè)中 ADC0804 的典型接法，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的 A/D 轉(zhuǎn)換電路如 410 所示。 VIN(+) VIN() —— 差動(dòng)模擬電壓輸入。 RD — 外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(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。 市場(chǎng)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。 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(yáng)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 。 圖 46 充放電電路 按程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測(cè)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；當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓在 ，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(cè)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(lái)關(guān)斷負(fù)載 。 電容 C4 是太陽(yáng)能電池板輸出電壓濾波，使得更穩(wěn)定地給蓄電池充電。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。 蜂鳴器報(bào)警 電路圖如圖45 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。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。 單片機(jī)的復(fù)位電路如圖 43 所示。 電路中 C C7 是反饋電容，其值在 5pF~30pF 之間選取 ， 本電路選用的電容為 30pF，晶振頻率為 。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。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。 。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。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(lái) 控制 MOSFET。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 132kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 4 蓄電池 充電控制器的 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)。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 122kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 圖 33 太陽(yáng)電池陣列的伏安特性曲線 溫度和日照強(qiáng)度的變化對(duì)太陽(yáng)電池的伏安特性都有影響，在僅改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其它條件 (如太陽(yáng)電池溫度和大氣質(zhì)量等 )不變的情況下。由圖可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。 VT=(T25)VF （５） 計(jì)算太陽(yáng)能電池陣列工作電壓 VP。 計(jì)算太陽(yáng)能陣列工作電流。太陽(yáng)能發(fā)電功率量值取決蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 112kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 于負(fù)載 24h 所能消 耗的電力 H(WH)，由負(fù)載額定電源與負(fù)載 24h 所消耗的電力，決定了負(fù)載 24h 消耗的容量 P(AH)，再考慮到平均每天日照時(shí)數(shù)及陰雨天造成的影響，計(jì)算出太陽(yáng)能電池陣列工作電流 IP(A)。 如果位太陽(yáng)電池開路，即組成電池回路中，負(fù)載電阻為無(wú)窮大，則被 PN 結(jié)分開的電子和空穴，就會(huì)全部積累在 PN 結(jié)附近，于是出現(xiàn)了最大光生電動(dòng) 勢(shì)，它的數(shù)值即為開路電壓，記作 Voc。如圖 31 所示，為一理想的 PN 結(jié)二極管的電流 電壓（ IV）特性圖，其對(duì)應(yīng)的方程式如下： ???????? ?????????????????? ???????? ?? 1e xp1e xpTpnspnspn nVVInk TqVII （ 1） Ipn， Vpn： PN 結(jié)二極管的電流及電壓 k：波爾茲曼常數(shù)（ Boltzmann Constant： 1023J/K） q：電子電荷量（ 1019 庫(kù)侖） T：絕對(duì)溫度（凱氏溫度 K＝攝氏溫度＋ 273 度） Is：等效二極管的逆向飽和電流 VT：熱電壓（ Thermal Voltage： ） 太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能是依賴自然光中的的量子 光子（ Photons），而每個(gè)光子所攜帶的能量為 Eph： ? ? ?? hcEph ? （ 2） h：普郎克常數(shù)（ Planck Constant： 1015eV多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價(jià)格更便宜。對(duì)一個(gè)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器是一種電力電子設(shè)備，抗過載，抗沖擊的能力要相對(duì)弱一些，是最易出故障的單元。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。 鉛酸蓄電池：蓄電池的選擇要求：重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換率高、自放電慢、充放電循次數(shù)多（即使用壽命長(zhǎng)）等。具有機(jī)械、電子剎車裝置，可以確保在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。因而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)正在得到廣泛地應(yīng)用 。采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)后，可以有效解決單一發(fā)電不連續(xù)問題，保證基本穩(wěn)定的供電。 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電 上世紀(jì)八十年代許多人開始了風(fēng)能、太陽(yáng)能的綜合利用的研究。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。第四，政府的優(yōu)惠政策。目前據(jù)美國(guó)能源部