【正文】 燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。而光伏發(fā)電技術是太陽能利用技術中最具有發(fā)展前景的方式之一。 風是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射造成地球表面受熱不均引起的，引起大氣層壓力分布不均，以致空氣流動所形成的動能稱為風能。 風光發(fā)電的發(fā)展概況 光伏發(fā)電技術 1839 年，法國物理學家 EdmondBecquerel 意外 的發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬浸入溶液結構的付打電池在 光照下會產(chǎn)生額外的電勢 ，他將這種現(xiàn)象稱為 “ 光生付打效應（ Photovoltaic Effect） ” 。 1954 年，貝爾實驗室的科學家們第一次用晶體硅材料制成了 光伏電池，光電轉換效率高達 4%。全世界風力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要有一下幾個：第一，風力發(fā)電技術比較成熟?，F(xiàn)代風力機技術是現(xiàn)代高科技的完善組合。第三，全球有豐富的風能資源。美國政府為風力機行業(yè)提供 40%的信貸；德國政府也給風力機投資者提供資助，資助金額最高達單臺風力機投資的 60%；丹麥政府對風力機投資者提供資助， 20 世紀80 年代初期為 30%，以后逐年減少，到 1990 年資助完全取消。據(jù)專家預測，煤炭還可以開采221 年，石油還可以開采 39 年，天然氣只能用 60 年。丹麥的 和 Kllenbach（ 1981 年）提出了太陽能和風能混合利用技術問題；美國的 （ 1981）研究太陽能 —— 風能混合轉換系統(tǒng)的氣象問題；前蘇聯(lián)的 等根據(jù)概率原理，統(tǒng)計出近似的太陽能風能潛力的估計值；余華楊等（ 1987）也提出了太陽能、風能發(fā)電機的能量轉換裝置。我國屬季風氣候區(qū)，一般冬季風大，太陽輻射強度 ?。幌募撅L小，太陽輻射強度大。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 8 2 風光互補發(fā)電 系統(tǒng)整體結構 系統(tǒng)結構圖如圖 1 所示。采用 12V/150W 風力發(fā)電機，當風力 ≥3m/s 工作， 10m/s 風速時達到額定 150W 功率 。其次，還有些特殊要求如低溫時能大電流放電、維護簡單或無需維護、自放電（析氫）特別慢等。所以無論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對系統(tǒng)有保護作用。 太陽能電池 風力發(fā)電機 微機控制系統(tǒng) 逆變器 蓄電池 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 9 3 光伏發(fā)電介紹 太陽能光伏電池的原理 太陽能光伏電池 (簡稱光伏電池 )用于把太陽的光能直接轉化為電能。另外，還有其它類型的太陽電池。S） c：光速（ 3108m/s） λ：光子波長 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 10 圖 31 PN結二極管 IV特性圖 但并非所有光子都能順利地通過太陽能電池將光能轉換為電能，因為在不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣。 如果把太陽電池短路，即回路負載電阻為零，則所有 PN 結附近的電子與空穴，由結的一邊，流經(jīng)外電路到達結的另一邊，產(chǎn)生了最大可能的電流，即短路電流記作 ISC。 由負載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯(lián)個數(shù)及蓄電池浮充電壓 VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓 VT(v)及反充二極管 PN 結的壓降 VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓 VP(V)，由太陽電池陣列工作電源 IP(A)與工作電壓 VP(V)，便可決定平板式太陽能板 發(fā)電功率 WP，從而設計出太陽能板容量，由設計出的容量 WP 與太陽能電池陣列工作電壓 VP，確定硅電池平板的串聯(lián)塊數(shù)與并聯(lián)組數(shù)。 IP=P(1+Q)/T （４） Q——按陰雨期富余系數(shù)， Q=～ 確定蓄電池浮充電壓 VF。 VP=VF+VD+VT （６） 其中 VD=～ ，約等于 VF 太陽電池陣列輸出功率ＷＰ平板式太陽能電板。太陽電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的 ：當日射 S=l000W／㎡；太陽電池溫度T=25；大氣質量 AM= 時，太陽電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。計算出每天消耗的瓦時數(shù) (包括逆變器的損耗 )： 逆變器的轉換效率為 90％，則當輸出功率為 100W 時，則實際需要輸出功率應為 100W/90％ =111W；若按每天使用 8 小時，則耗電量為 111W*8 小時 =888Wh。 硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅動電路、A/D 轉換電路、 LCD 顯示電路、 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲電路、串口通信電路等。控制 MOSFET管導通的方式是脈沖寬度調制 (PWM)，根據(jù) 載荷 變化來調制 MOSFET 管柵的偏置，達到實現(xiàn)開關功能。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 14 單片機最小系統(tǒng) STC89C52 的簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 。 STC89C52 具有以下標準功能 ： 8k字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時 器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 （ 1）時鐘電路 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入 端 和輸出端分別是引腳 XTAL1 和 XTAL2，在 XTAL1 和 XTAL2 上外接時鐘源即可構成時鐘電路，CPU 的所有操作均在時鐘脈沖同步下進行。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 42 時鐘電路 圖 43 復位電路 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 15 （ 2）復位電路 復位是單片機的初始化操作。本系統(tǒng)采用的是上電 +電平按鈕復位，上電復位是 通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視 RST 引腳，按下復位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出 (瞬時的 )，還可以通過改變復位電路 電阻和電 容值進行實驗。串聯(lián)的電阻的目的是為了限制通過發(fā)光二極管的電流太大而將其燒毀。 充放電電路 充放電 電路 如圖 4=6 所示，電路 由防反充二極管 D濾波電容 C4 和 C 穩(wěn)壓管蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 16 D 續(xù)流二極管 D MOSFET 管 Q1 和 Q2 等構成。而且 MOSFET 只有多數(shù)載流子參與導電，不存在少數(shù)載流子的復合時間，因而開關頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關。電容 C5 是對蓄電池輸出電壓進行濾波，以保證負載供電電路的穩(wěn)定性。當檢測到蓄電池的電壓低于 ， Q2關閉停止放電 ，關斷負載來實現(xiàn)欠壓關斷。 這就是充電電路原蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 17 理。一般逐次比較型 A/D 轉換器用到較多，本 設計采用 8 位并 行 A/D 轉換器芯片 ADC0804。 ADC0804 就是這類集成 A/D轉換器。 RD 為 1 時， DB0~DB7 處理高阻抗：RD 為 0 時，數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出。輸入單端正電壓時 , VIN()接地 :而差動輸入時 , 直接加入 VIN(+) VIN(). AGND,DGND—— 模擬信號以及數(shù)字信號的接地 . VREF/2— 參考電平輸入，決定量化單位。單片機的 引腳，用來實現(xiàn)片選； RD 、 WR 分別接單片機的 和 引腳，進行讀寫控制； CLK、 CLKR、 GND 之間用電阻和電容構成 RC 振蕩電路，用來給 ADC0804提供工作所需的脈沖。在使用 1602 之前，我們首先查閱其使用手冊，對其進行一定的了解。 表 42 1602 引腳功能表 引腳 符 號 名 稱 功 能 1 Vss 接地 0V 2 VDD 電路電源 5V177。數(shù)據(jù)輸入端 D0D7 接單片機的 P0 口用于電壓數(shù)據(jù)的傳送。 AT24C02 可有效解決掉電數(shù)據(jù)保存問題，可對所存在數(shù)據(jù)保存 100 年，并可多次擦寫，擦寫次數(shù)可達10 萬次以上。 為了更好的使用AT24C02，首先來介紹其 各個引腳功能，如表 43 所示。 WP7A11A22A33GND4SDA5VCC8SCLK624C02SDASCKVCC 圖 412 數(shù)據(jù)存儲電路 串口通信電路 隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網(wǎng)路技術的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。 管腳名稱 功能 A0 A1 A2 可編程地址輸入端 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時鐘 WP 寫保護 Vcc 電源端， +～ 工作電壓 GND 地 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 23 本設計中加入串行通信電路的目的主要有三個：一是方便給單片機下載程序；二是使控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控的功能；三是將控制器每天采集到數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時的數(shù)據(jù)記錄下來，供用戶查看。 其 主要特點： （ 1）符合所有的 RS232C 技術標準 （ 2）只需要單一 +5V 電源供電 （ 3） 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V 電壓 V+、V （ 4）功耗低，典型供電電流 5mA （ 5）內部集成 2 個 RS232C 驅動器 （ 6）內部集成兩個 RS232C 接收器 （ 7） 高集成度，片外最低只需 4 個電容即可工作。由 6 腳和 4 只電容構成。 其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +5v） 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 24 圖 413 MAX232 的引腳圖 按照串行通信原理，根據(jù) RS232 串口協(xié)議和 MAX 232 芯片的引腳功能，結合STC89C52 單片機串行中斷方式，本設計采用串口方式 1（ 10 位數(shù)據(jù)的異步通信）來構建串口通信電路。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 25 CAP 1+1RRIN28CAP6CAP 25CAP 13CAP +2CAP 2+4RTOUT27ROUT29TIN210TIN111ROUT112RRIN113RTOUT114GND15VCC16U6MAX232C12CapC11CapC14CapC13CapVCC(+5v)TXDRXD162738495J1DB9C10Cap 圖 414 串口通信電路 本章對充放電控制器的原理以及具體的硬件實現(xiàn)電路進行了詳細的介紹，并對電路中使用到的芯片也予以描述，使讀者通過閱讀可以清晰的明白控制器的設計思路和實現(xiàn)過程。 包括以下幾部分： 系統(tǒng) 主程序設計， 電壓采集轉換模塊， 顯示模塊和異常數(shù)據(jù)存儲模塊。 軟件調試和仿真 為了檢驗自己設計的單片機系統(tǒng)是否可以正常工作以及設計合理性，很有必要對系統(tǒng)進行模擬仿真。程序編寫后，進行編譯，一開始發(fā)現(xiàn)了很多錯誤，一下子把自己卡住了；后來通過查看相關資料，同時咨詢指導老師和同學的經(jīng)驗，在軟件的提示下，慢慢地修改，最終把出現(xiàn)的錯誤都改正過來了。 和自己當初預料的一樣，在剛開始仿真時，遇到了許多的問題，如 1602 液晶不顯示 ，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈指示狀態(tài)不正確等等，調試很久才找到問題所在，經(jīng)修改才得以調試成功 。 由于利用 C 語言開發(fā)單片機與匯編語言相比，具有易于操作、規(guī)范性好、適合模塊化處理且容易移植的優(yōu)點，所以本設計采用 C 語言作為編程語言。 如圖 51 所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調制技術，即通過對一 系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值 )。其內含 192 字節(jié)的 RAM ， 4K 程序存儲器、 5 路 A/D 轉換及 2 路 PWM 波發(fā)生器，應用時外圍電路極其簡單，是理想的單相 逆變電源數(shù)字控制器。另外，PIC16F73 只有兩路 PWM 輸出，因此需要采用時序電路，得到四路 PWM 輸出，如圖 53 所示： 圖 53 時序死區(qū)電路 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 32 光耦隔離電路 后 級輸出 驅動開關管時同樣需要進行光耦隔離，為了簡化電路，采用 4 個TLP250 光藕， 如圖 54 所示。 圖 56 電壓反饋檢測電路 控制電路系統(tǒng)圖 根據(jù)以上模塊