【正文】 電池狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電， 達(dá)到延長(zhǎng) 蓄電池的使用壽命。 PWM pulse width modulation。 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(kāi)發(fā)和利用。所以綜合考慮，太陽(yáng)能無(wú)疑是符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專(zhuān)家也認(rèn)為，太陽(yáng)能將成為 21 世紀(jì)最重要 也 最有前景 的能源之一。 利用太陽(yáng)能作為能源，沒(méi)有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒(méi)有噪聲，不會(huì)污染環(huán)境，沒(méi)有公害 ，清潔干凈 。 一年內(nèi)到達(dá)地面 的太陽(yáng)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(wàn)倍。 我國(guó)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(zhǎng)，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?yáng)能發(fā)電解決 無(wú)電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。太陽(yáng)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)。 （ 2）充電控制器的作用及現(xiàn)狀 太陽(yáng)能充 電控制器具備充電控制、過(guò)充保護(hù)、過(guò)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(guò)程中起著樞紐作用，它控制太陽(yáng)能極板對(duì)蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 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 。 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。 （ 5） 當(dāng)用戶(hù)將太陽(yáng)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(hù)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。太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖21 所示。 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。 太陽(yáng)能充電控制器最主要的功能是控制太陽(yáng)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(guò)程做一個(gè)分析。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(lái)衡量電池充放電的程度。蓄電池的存在，可以解決太陽(yáng)能產(chǎn)生電能和負(fù)載用電時(shí)間不一致不同步的問(wèn)題 ，太陽(yáng)能極板和負(fù)載兩者之間電壓不匹配的問(wèn)題等 。 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。 恒流充電法是通過(guò)保持充電電流強(qiáng)度不變 進(jìn)行充電的方法。二階段充電山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 5 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(kāi)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。這種充電方法在充電初期電流過(guò)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。 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)。實(shí)際也就是以一直流電壓經(jīng)過(guò)以一定頻率打開(kāi)與閉合開(kāi)關(guān)的控制來(lái)改變電壓。 本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機(jī)為 主控芯片 ，利用分壓電路對(duì)蓄電池的電壓、進(jìn)行采樣 ,然后 經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換 將檢測(cè) 電壓 數(shù)據(jù) 輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理 ， 通過(guò)液晶芯片把電壓值顯示出來(lái) 方便調(diào)整。 太 陽(yáng) 能電 池 板鉛 酸蓄 電 池主 控 芯 片S T C 8 9 C 5 2 單 片 機(jī)充 電 電 路放 電 電 路負(fù) 載A / D 轉(zhuǎn) 換電 路液 晶 1 6 0 2電 壓顯 示 電 路A T 2 4 C 0 2數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)電 路R S 2 3 2串 口 通 信電 路光 耦驅(qū) 動(dòng) 電 路光 耦驅(qū) 動(dòng) 電 路 圖 24 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 以上通過(guò)對(duì)控制器、被控對(duì)象蓄電池的分析，結(jié)合硬件資源和軟件控制策略，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)，最終確定整體設(shè)計(jì)方案。各個(gè)部分的控制功能通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng) 層次 原理圖 系統(tǒng) 層次 原理圖 如圖 31 所示，電路設(shè)計(jì)以 STC89C52 單片機(jī) 作為 主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對(duì)整個(gè)電路 控制。 串口通信 模塊 采用 MAX232 芯片進(jìn)行 TTL電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使 控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，供工作人員查看。 在 芯片 內(nèi)部 ，擁有 很高頻率 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 有效的解決方案 ?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 STC89C52 常見(jiàn)的是 PDIP 封裝， 是一個(gè)有 40 個(gè)引腳的芯片，引腳如圖 32 所示。 RST、 PSEN 、 ALE/PROG 、 EA /VPP。 晶振工作 時(shí)， RST 引 腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 （ 2） ALE/PROG ：地址鎖存控制信號(hào) (ALE)是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 9 地址的輸出脈沖。這一位置“ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時(shí)有效。 當(dāng) STC89C52 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， PSEN 在 每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， PSEN 將不被激活。在 flash 編 程期間， EA 也接收 12 伏 Vpp 電壓。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在 ~12MHz 之間選取。其主要功能是把 PC初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。按鈕復(fù)位是當(dāng)按鈕按下后，電源通過(guò)電阻 R14 施加到復(fù)位端上，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。 （ 3） 工作狀態(tài)指示燈 電路 本設(shè)計(jì) 可以時(shí)刻檢測(cè)蓄電池電壓，為了更好 的進(jìn)行監(jiān)控，要對(duì) 整個(gè) 電路的工作狀態(tài)進(jìn)行指示 ， 這是很有必要的。 330R23LED1LED2LED3330R24330R25VCCLED1LED2LED3 LS1BellVCCQ5NPN85501KR26beep 圖 35 工作狀態(tài)指示燈電路 圖 36 蜂鳴器報(bào)警電路 （ 4） 蜂鳴器報(bào)警電路 報(bào)警電路采用蜂鳴器來(lái)發(fā)出報(bào)警聲音，由于 STC89C52 輸出引腳 的驅(qū)動(dòng)能力較弱，所以蜂鳴器要加三極管 進(jìn)行 驅(qū)動(dòng) 。二極管 D1 是為了 防止 反充，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽(yáng)能電池 板 的電壓時(shí)， D1 就生效 ，可以防止蓄電池電流流向太陽(yáng)能山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 11 電池板 。設(shè)計(jì)中采用 IRL2703 N 溝道 MOSFET 管， N 溝道 MOSFET 的導(dǎo)通電壓 Vth0。圖中 穩(wěn)壓管 D2 用來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行穩(wěn)壓作用。 光耦 驅(qū)動(dòng) 電路 為了增加系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計(jì)用光電耦合器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制電路和充放電電路的隔離。 M0S 管 Q2 控制著放電電路， 其 原理與 Q1 相似。因?yàn)樾铍姵仉妷旱牟杉D(zhuǎn)換在系統(tǒng)中極為重要，所以下面對(duì)所選 ADC0804 芯片及在本系統(tǒng)中是典型連接電路予以介紹。 ADC0804 為一只具有 20引腳 并行 8位 CMOS工 藝 逐次比較型 的 集成 A/D 轉(zhuǎn)換器， 其規(guī)格如下： (1) 高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出 ， 分辨率： 8 位 (0~255) (2) 存取時(shí)間： 135 us ； 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 100 us (3) 總誤差： 正負(fù) 1LSB (4) 工作溫度： 0 度 ~70 度； (5) 模擬輸入電壓范圍： 0V~5V (6) 參考電壓： ； 工作電壓： 5V (7) 輸出為 三態(tài)結(jié)構(gòu)，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。 WR — 用來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于 ADC 的轉(zhuǎn)換開(kāi)始（ CS =0 時(shí)），當(dāng) WR 由 1 變?yōu)? 0 時(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除：當(dāng) WR 回到 1 時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開(kāi)始。 DB0~DB7— 三態(tài)特性 數(shù)字 信號(hào) 輸出 端 . VCC: 電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓 . ADC0804 外圍接線電路 （ 1） 電壓采集電路 如 圖 310 所示，電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻，大小比例為 2:1，然后并聯(lián)在需山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 14 要檢測(cè)的電壓兩端，從兩個(gè)電阻中間采集電壓。 蓄電池的電壓采集信號(hào) ADIN 從 6 腳引入， 在內(nèi)部采集轉(zhuǎn)換后， 從 數(shù)字輸出端輸出到單片機(jī)的 P1 口，通過(guò)讀 P1 口數(shù)據(jù)，便可以得到蓄電池的電壓，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。從芯片手冊(cè)中，可以得到 1602 液晶的 主要技術(shù)資料，如表 31 所示，通過(guò)此表我們可以知道 1602 工作電壓和顯示容量，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)選擇的是否合適。10% 3 VO 液晶 顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端 用于調(diào)節(jié)對(duì)比度 4 RS 寄存器選擇信號(hào) H:數(shù)據(jù)寄存器 L:指令寄存器 5 R/W 讀 /寫(xiě)信號(hào) H:讀 L:寫(xiě) 6 E 片選信號(hào) 下降沿觸發(fā) ,鎖存數(shù)據(jù) 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 數(shù)據(jù)傳輸 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 16 123456789101112131415161602LCDVCCR2110kR2210VCCRSR/WEND0D1D2D3D4D5D6D7 圖 312 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 312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。 表 33 AT24C02 管腳描述 管腳名稱(chēng) 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(shí)鐘 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 17 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(guò)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 315 所示。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 20 4 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(guò) 函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn) 連接。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 主程序流程圖如圖 41 所示 。 時(shí)序圖如圖 42 所示。 芯片的時(shí)序圖是對(duì)芯片的操作的關(guān)鍵依據(jù)。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 22 開(kāi) 始C S 置 低片 選 芯 片W R 置 低啟 動(dòng) A D 轉(zhuǎn) 換NN轉(zhuǎn) 換 完 成 ？Y延 時(shí) 等 待N結(jié) 束R D 置 低 電 平讀 使 能讀 取 A D轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果轉(zhuǎn) 換 成實(shí) 際 電 壓 值 圖 43 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 顯示模塊 通過(guò)電壓采集轉(zhuǎn)換子程序， 通過(guò)單片機(jī)處理 就可以得到蓄電池的實(shí)際電壓值，本 設(shè)計(jì)用液晶 1602 作顯示器來(lái)進(jìn)行顯示。首先關(guān)閉使能，防止開(kāi)始時(shí)顯示亂碼，同時(shí)為以后高脈沖寫(xiě)入數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。//寫(xiě)一個(gè)字符后地址指針加 1 write_(0x01)。寫(xiě)數(shù)據(jù)是指要顯示什么內(nèi)容。 關(guān)于時(shí)序圖中的各個(gè)延時(shí)，不同廠家生產(chǎn)的液晶延時(shí)不同，不過(guò)大多數(shù) 基本 為納秒級(jí) ，而單片機(jī)操作最小單位為微秒級(jí)，因此在寫(xiě)程序是可不做延時(shí)，不過(guò)為了使液晶運(yùn)行穩(wěn)定，最好做簡(jiǎn)短延時(shí)即可。本設(shè)計(jì)用常見(jiàn) E2PROM 器件 AT24C02 作為存儲(chǔ)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存記錄。 S C LS D A啟 動(dòng) 信 號(hào) S 4 u s 4 . 7 u sS C LS D A 4 u s 4 . 7 u s終 止 信 號(hào) P4 u sS C LS D A應(yīng) 答 信 號(hào)S C LS D A初 始 化 信 號(hào) 圖 46 CI2 總線模擬時(shí)序圖 按照時(shí)序圖， 設(shè)計(jì)中為了模擬 CI2 總線通信，寫(xiě)出了幾個(gè)關(guān)鍵部分的程序 ：總線初始化、啟動(dòng)信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)、停止信號(hào)等。 delay1()。 delay1(