【正文】 口 32 74LS00 33 單片機(jī)的防干擾技術(shù) 35 干擾分析 35 硬件抗干擾方法 36 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概述 37 本章小結(jié) 395 結(jié)論 40 全文工作總結(jié) 40 進(jìn)一步工作設(shè)想 40致 謝 42參考文獻(xiàn) 43翻譯部分 45中文譯文 45英文原文 53 1 緒論 課題研究背景 當(dāng)前面臨的能源和環(huán)境問題[1,2,3,4]能源猶如人體的血液。國家1999年政府白皮書估計(jì)，目前我國石油可供開采20年；天然氣可供開采60年；煤炭剩余量稍顯富裕，但可供開采不足百年。因此，無論是從確保長期的能源供應(yīng)，還是從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，開發(fā)利用取之不竭而又沒有公害的新能源己是勢在必行。在未來的一段時(shí)間內(nèi)，可再生能源將能夠與礦物燃料相抗衡，從而結(jié)束礦物燃料一統(tǒng)天下的局面。特別是近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。 光伏發(fā)電的特點(diǎn)[10,17,40,43]太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式——電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢。 蓄電池充電系統(tǒng)[27~31]充電方式的選擇直接影響著電池的使用效率和使用壽命，充電技術(shù)近年來發(fā)展非常迅速。自適應(yīng)充電器遵循各類電池的充、放電規(guī)律進(jìn)行充、放電。因此，太陽能充電器有著很大的發(fā)展前景。當(dāng)太陽光照射時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過。當(dāng)用適當(dāng)波長的太陽光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子電子和空穴。全世界應(yīng)用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵晶體材料以及非晶硅等薄膜材料。 太陽能電池的等效電路[17,20,45]光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。圖22 實(shí)際光伏電池等效電路 (23)此式叫做光伏電池的超越方程式。⑤ 最大輸出功率()：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。圖24可表示太陽能電池的PV曲線。雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結(jié)果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖26中虛線與各實(shí)線的交點(diǎn)所示。圖29 本系統(tǒng)所采用的蓄電池的IV曲線 本章小結(jié)本章內(nèi)容主要介紹太陽能電池板的相關(guān)知識(shí)。二次電池可分為：鎳鎘電池、氫鎳電池、鋰電池和鉛酸蓄電池等。因此，電池的總能量等于容量乘以電池電壓，單位為瓦時(shí)。 (32)式中為放電電流，為放電時(shí)間。荷電狀態(tài)是描述蓄電池實(shí)際工作狀態(tài)的重要參數(shù)。它的充放電特性如下：1 充電特性 (36)式中為蓄電池充電時(shí)端電壓，為蓄電池電動(dòng)勢，為蓄電池充電電流，為蓄電池內(nèi)阻。當(dāng)充電達(dá)到達(dá)曲線的段時(shí)，如再繼續(xù)充電，端電壓也不再升高，只是無謂地消耗電能進(jìn)行水的電解。當(dāng)以穩(wěn)定的電流放電時(shí)，蓄電池端電壓的變化如圖所示。如果停止放電，則鉛蓄電池的端電壓立即回升，如圖中曲線的虛線部分段所示。可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖34所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢。在1 區(qū)域時(shí)，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐?，硫酸的濃度已?jīng)很低，電解液擴(kuò)散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動(dòng)勢急劇降低，造成電池端電壓的下降，至此應(yīng)停止放電，否則會(huì)造成電池的過度放電。(3) 電化學(xué)極化電極反應(yīng)由好幾個(gè)基本步驟構(gòu)成，其中有一個(gè)步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進(jìn)行必須外加電源來增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。具體充電電流的大小、充電時(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。③ 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。 本章小結(jié)介紹了蓄電池的相關(guān)知識(shí)。通常是+5V，但是應(yīng)用中很難精確到5V電壓，有一個(gè)電壓的范圍。采用外部振蕩信號(hào)源時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器取指令(或常數(shù))時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次(即輸出2個(gè)脈沖)。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址(低8位線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。(3) P2端口()P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。對端口鎖存器寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。圖45 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖② ADC0809引腳ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳，如圖46所示。也可以直接用作中斷請求信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路的簡圖如圖47所示。圖49 D觸發(fā)器設(shè)計(jì)的二分頻器 外圍電路的設(shè)計(jì)① 系統(tǒng)的充、放電電路整個(gè)設(shè)計(jì)都是圍繞著蓄電池展開，所以就把放電電路和充電電路設(shè)計(jì)在一起，很直觀的就看清楚蓄電池在其中扮演的角色。如ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)間為120 μs。特點(diǎn)：在A/D轉(zhuǎn)換過程中不占用CPU的時(shí)間，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。模擬通道地址A，B，、。為了不再增加芯片，這時(shí)候用74LS74來實(shí)現(xiàn)這個(gè)非門，就是將EOC輸出的信號(hào)輸入上圖的1A，然后給1B一直加高電平，這樣或非門的輸出就取決于1A的輸入了，即實(shí)現(xiàn)了非門。干擾侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測量單元模擬信號(hào)的輸入通道，疊加在有用信號(hào)上，會(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是對于比較微弱的信號(hào)，干擾更加嚴(yán)重。這個(gè)嚴(yán)重的后果表現(xiàn)為程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進(jìn)入死循環(huán)，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。② 切斷干擾傳播途徑。另外，本文也比較詳細(xì)的介紹了單片機(jī)的抗干擾技術(shù)。文中給出了太陽能電池的物理數(shù)學(xué)模型，并對不同環(huán)境和不同日照強(qiáng)度下的太陽能電池板的輸出進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證了它的非線性。下面是進(jìn)一步的工作設(shè)想：首先，對于硬件設(shè)計(jì)電路，雖說已經(jīng)做出了實(shí)物電路板，并且硬件的設(shè)計(jì)在理論上沒有問題，但是不進(jìn)行實(shí)物測試還是顯得不完整。老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、對工作一絲不茍的態(tài)度，以及寬厚質(zhì)樸、平易近人的師長風(fēng)范，令我敬佩不已。最后，感謝各位專家學(xué)者對論文的評閱。在此，再次對方老師表示最衷心的感謝和最崇高的敬意。其次，對于軟件的編程，雖說另一位同學(xué)能夠編譯成功，但是同樣存在上述的問題，應(yīng)該以同樣的方法解決。本文對常用的鉛酸蓄電池原理及工作情況作了詳細(xì)介紹，在此基礎(chǔ)上介紹常用的蓄電池充電方法。本文在此基礎(chǔ)之上主要研究了基于AT89S52的太陽能充電控制器的實(shí)現(xiàn)。圖415 地線連接圖416 上拉電阻的使用 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)概述正如人體的一舉一動(dòng)是由大腦控制一樣，單片機(jī)要工作就必須有相應(yīng)的控制指令，這些指令集合在一起共同指揮系統(tǒng)的工作。某些干擾，如靜電可能會(huì)使得芯片上加上一個(gè)較大的電壓，這樣一個(gè)芯片的某些部件將很快的燒毀。一般計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)較大，不易受到外界的干擾。實(shí)現(xiàn)的方法也很簡單，就是先把兩路輸出的信號(hào)先各自經(jīng)過上面實(shí)現(xiàn)非門的方法變成各自的反相輸出，然后把兩路反相輸出作為下一個(gè)與非門的兩路輸入，這樣既可實(shí)現(xiàn)或非門的輸出。START、ALE和ENABLE分別由單片機(jī)的WR，(或非門)后接入，這種安排主要是為了滿足ADC0809的信號(hào)電平與時(shí)序的要求。啟動(dòng)ADC0809的工作過程：先送通道號(hào)地址到ADDA，ADDB，ADDC端，由ALE信號(hào)鎖存通道號(hào)地址，然后讓START有效啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，即執(zhí)行一條指令產(chǎn)生信號(hào)，使ALE，START有效鎖存通道號(hào)地址并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。等時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，就可以從“三態(tài)輸出鎖存器”讀取數(shù)據(jù)。（a）蓄電池的充、放電電路（b）單片機(jī)對過程的控制圖410 系統(tǒng)的充、放電電路如圖所示，繼而VT4導(dǎo)通，KF1閉合，系統(tǒng)給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池兩端電壓達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)蓄電池開始為負(fù)載供電，繼而VT5導(dǎo)通，KF2閉合，蓄電池開始放電。圖47 蓄電池電壓采樣電路 電源模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所采用的電器元件需要外部供電，如果接上外加電源，則使得電路復(fù)雜化，并且破壞了系統(tǒng)的獨(dú)立性。CLK：時(shí)鐘信號(hào)，要求頻率范圍在，典型的值為500KHz或者640KHz。：8位數(shù)字量輸出端。在AT89S52中，P3還用于一些特殊的功能(替代功能)，這些特殊功能定義如下：端口引腳 特殊功能 (串行口輸入) (串行口輸出) (外部中斷0) (外部中斷1) (定時(shí)器0的外部輸入) (定時(shí)器1的外部輸入) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)③ 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路的目的是產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)，使單片機(jī)正常復(fù)位(開機(jī)復(fù)位)，使AT89S52復(fù)位的有效信號(hào)是高電平。對端口鎖存器寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。(4) ：內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器訪問允許端。當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。(2) GND：接地端。4 太陽能充電控制器的研究及設(shè)計(jì)[40~45]太陽能充電器和其他所有的充電器都一樣，其充電原理在前面的章節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，這里將不再重復(fù)。 智能充電（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。這就是在兩階段基礎(chǔ)上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。 恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時(shí)初始電流過大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。 圖41恒流充電曲線 圖42恒壓充電曲線 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進(jìn)行充電。如果濃差極化和電化學(xué)極化不消除，當(dāng)充電達(dá)到一定程度時(shí)，蓄電池的端電壓就會(huì)迅速增長，這樣即使堅(jiān)持充電也只會(huì)產(chǎn)生析氣和發(fā)熱，而實(shí)際充進(jìn)蓄電池的電量卻寥寥無幾。圖36 鉛酸電池端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系 鉛酸電池的極化問題鉛酸電池快速充電時(shí)很容易出現(xiàn)蓄電池的極化問題。充電過程中，如果能使實(shí)際的充電電流始終靠近可接受充電電流曲線，就可使充電所需的時(shí)間縮短。但是，電池可接受充電電流是有限度的。一般由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成。）圖32蓄電池放電時(shí)端電壓的變化曲線由放電曲線可知，放電曲線基本由三部分組成：放電開始（曲線的段）短時(shí)間內(nèi)電壓快速下降，然后電壓緩慢下降（曲線的段）；最后端電壓在極短的時(shí)間內(nèi)迅速降低（曲線的段）。隨后端電壓慢慢地下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（曲線的段）。當(dāng)以穩(wěn)定的電流對蓄電池充電時(shí)，由于蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，從而蓄電池內(nèi)阻發(fā)生變化，引起蓄電池端電壓的變化如圖31所示。 (35)5 蓄電池壽命a) 浮動(dòng)充電壽命：蓄電池保持在浮動(dòng)充電條件下的使用壽命。b) 電解液的溫度當(dāng)電解液溫度在1035℃變化時(shí)，溫度每升高1℃。 主要參數(shù)指標(biāo)描述蓄電池特性的參數(shù)有很多，主要的有：蓄電池的充放電容量、蓄電池效率、荷電狀態(tài)、放電深度和蓄電池壽命等。原電池放電導(dǎo)致化學(xué)成分永久和不可逆的改變。3 蓄電池太陽能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。可以看出，溫度對太陽能電池陣列的輸出電流影響不大，但對它的輸出開路電壓影響較大。如果在一定光照下的IV特性曲線是理想的矩形，那么和乘積就等于和的乘積。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率η。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對其進(jìn)行討論。目前使用的光伏電池可看作PN結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在PN結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖21表示的等效電路來考慮。目前市場上的太陽能電池板繁多，根據(jù)太陽能電池板所用材料的不同可分為：① 硅太陽能電池；② 以無機(jī)鹽如砷化鎵IIIV化合物，硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽能電池；③ 功能高分子材料(有機(jī)半導(dǎo)體)制備的大陽能電池；④ 納米晶太陽能電池等。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏特電動(dòng)勢。這樣，光能就以產(chǎn)生電子——空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。圖11 單片機(jī)控制太陽能充電器的結(jié)構(gòu) 本課題研究的主要內(nèi)容① 分析太陽能電池板和蓄電池的特性。充電系統(tǒng)由具有特殊功能的單片機(jī)控制，不斷檢測系統(tǒng)參數(shù)，按模糊推理算法不斷調(diào)整充電參數(shù)，同一充電器可適應(yīng)不同種類電池的充電，充電器自適應(yīng)調(diào)整自己的輸出電流，無需人工選擇，避免操作失誤。這種充電模式的效果較差。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽光輻射，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流。太陽放射的總輻射能量大約是W，是極其巨大的。② 氫能源：利用自然界大量存在的水，由電解水產(chǎn)生氫，或者由太陽能光催化水分解氫。因此節(jié)約能源、發(fā)展清潔干凈的新能源和再生能源是勢在必行的。另一方面，成倍的能源供應(yīng)的背后蘊(yùn)藏著巨大的危害，并且其影響越來越大，這就是由此帶來的環(huán)境問題。人們總是盡可能把一次能源轉(zhuǎn)換為電能使用，電力在終端能源中的比例正在不斷提高。但是由于時(shí)間關(guān)系，沒能完成實(shí)物的實(shí)驗(yàn)測試。中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)姓 名： XXX 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 信息與電氣工