【文章內容簡介】 間 重新化合而被吸收掉，從而 減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 PWM 調制充電方式使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。脈寬調制方式是指在固定時鐘頻率下，通過調節(jié)開關的通斷時間來控制信號的占空比，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調整。實際也就是以一直流電壓經過以一定頻率打開與閉合開關的控制來改變電壓。 輸出電壓波形如圖 23 所示。 時 間電 壓U0tT 圖 23 輸出電壓波形 針對目前市場上的太陽能充電控制器當蓄電池給負載供電時，沒有 時刻檢測蓄電池的電壓，很容易導致蓄電池的深度放電這個問題，本論文提出時刻在線檢測蓄電池電壓來避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護蓄電池，提高其使用壽命。 控制器的 整體設計方案 通過對 應用實例的分析，更加明確太陽能充電控制器的在系統(tǒng)中重要性和作用，同時山東科技大學課程設計 6 依照其功能要求和改進的控制策略，最后確定了整體設計方案。 本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為 主控芯片 ，利用分壓電路對蓄電池的電壓、進行采樣 ,然后 經過 A/D 轉換 將檢測 電壓 數(shù)據(jù) 輸入到單片機中進行處理 ， 通過液晶芯片把電壓值顯示出來 方便調整。單片機 在軟件程序的控制下 輸出 PWM 控制信號， 經光耦驅動 MOSFET 管 開啟 與 關閉 來控制 充放電 電路。 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電 ，有效的延長蓄電池的壽命。系統(tǒng)整體結構框圖如圖 24 所示。 太 陽 能電 池 板鉛 酸蓄 電 池主 控 芯 片S T C 8 9 C 5 2 單 片 機充 電 電 路放 電 電 路負 載A / D 轉 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 儲電 路R S 2 3 2串 口 通 信電 路光 耦驅 動 電 路光 耦驅 動 電 路 圖 24 系統(tǒng)整體結構框圖 以上通過對控制器、被控對象蓄電池的分析，結合硬件資源和軟件控制策略，進行了硬件電路設計和軟件編程設計，最終確定整體設計方案。整體方案設計，講述了光伏發(fā)電技術中最重要部分控制器和蓄電池的作用，控制器主要負責控制太陽能極板對蓄電池的充電以及控制蓄電池對負載的供電 。由于不合適的充放電方式會導致蓄電池的損壞，縮短蓄電池的使用壽命，本論文提出了 PWM 脈寬調制充電方法，這種充電方法能夠使蓄電池有較充分的反應時間，與以前的充電方式相比，提高了蓄電池的充電效率。同時提出了時刻在線檢測蓄電池電壓的放電控制方法，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護蓄電池。各個部分的控制功能通過對單片機進行軟件編程來實現(xiàn)。 山東科技大學課程設計 7 3 太陽能充電控制器的 硬件電路設計 在整體方案的指導下，依據(jù)工程設計的常見思路，本論文從硬件電路設計和軟件設計兩個方面入手，運用模塊化的設計方法去進行控制器的設計。 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。 下面先從系統(tǒng) 層次原理圖入手，對系統(tǒng)原理進行詳細的分析，然后再對 具體 電路 地進行一一介紹。 系統(tǒng) 層次 原理圖 系統(tǒng) 層次 原理圖 如圖 31 所示，電路設計以 STC89C52 單片機 作為 主控芯片構成控制電路模塊對整個電路 控制。首先 采用并聯(lián)分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到 AD 模塊中的 A/D 轉換 器進行轉換 得到一個數(shù)字信號的電壓值，再將 此 信號 送入到 控制模塊中 單片機進行處理 ； 然后 在軟件程序 控制下， 單片機輸出 控制信號 送到充放電模塊中， 經光耦 驅動電路 來 控制 MOSFET?？刂?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。 VCCGNDPWMFUZAI充放電模塊充放電電路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和顯示模塊STC 單片機最小系統(tǒng)設計 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模塊AD 轉換 .SchDocVCCGNDSCKSDA數(shù)據(jù)保存模塊E2PROM 存儲電路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口調試模塊RS232 串口通信 .SchDoc圖 31 系統(tǒng) 原理圖 最后通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。 串口通信 模塊 采用 MAX232 芯片進行 TTL電平和 RS232 電平之間的轉換，加入串口的目的主要是使 控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控功能，同時方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來，供工作人員查看。數(shù)據(jù)存儲電路 模塊 ，使得當電壓出現(xiàn)異常時，讓蜂鳴器報警，同時把異常電壓 值通過 I2C 總線存放在 E2PROM中，作為以后分析使用。 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山東科技大學課程設計 8 存儲器 。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 存儲器技術制造 ， 與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容 。 在 芯片 內部 ，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用系統(tǒng)提供高靈活、 有效的解決方案 。 。 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。另外， STC89C52 具有低功耗設計， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 而且 STC89C52 的工作頻率很寬，可以在 0~35MHz 之間選擇，芯片具有超強抗干擾性，加密性強 。 STC89C52 常見的是 PDIP 封裝， 是一個有 40 個引腳的芯片，引腳如圖 32 所示。 按其功能類別將它們分為三類： （ 1）電源和時鐘引腳 。如 VCC、 GND、 XTAL XTAL2。 （ 2） 編程控制引腳。 RST、 PSEN 、 ALE/PROG 、 EA /VPP。 （ 3） I/O 口引腳。如 P0、 P P P3。 EA/VP31XTAL119XTAL218RESET9P37/RD17P36/WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P10/T21P11/T2 EX2P123P134P145P15/MOSI6P16/MISO7P17/SCK8P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P20(A8)21P21(A9)22P22(A1023P23(A11)24P24(A12)25P25(A13)26P26(A14)27P27(A15)28PSEN29ALE/P30P31/TXD11P30/RXD10 圖 32 STC89C52 引腳圖 這里僅詳細介紹編程引腳 ： （ 1） RST：復位輸入。 晶振工作 時， RST 引 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 （ 2） ALE/PROG ：地址鎖存控制信號 (ALE)是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位山東科技大學課程設計 9 地址的輸出脈沖。在 flash 編程時，此引腳 (PROG )也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的 振蕩 頻率輸出脈沖，可 作為外部定時器或時鐘使用。 如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “ 1” ， ALE 操作將無效。這一位置“ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。否則， ALE 將被微弱拉高。這個 ALE使能標志位 (地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位 )的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 （ 3） PSEN ：外部程序存儲器選通信號 (PSEN )是外部程序存儲器選通信號。 當 STC89C52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在 每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 將不被激活。 （ 4） EA /VPP： 訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器指令 ， EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內部程序指令， EA 應該接 VCC。在 flash 編 程期間， EA 也接收 12 伏 Vpp 電壓。 單片機的 最小系統(tǒng) 及 擴展電路 單片機是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個電路得到很好的控制，首先必須構建最小系統(tǒng)是單片機可以工作起來。本設計 單片機 最小系統(tǒng)擴展 電路包括上電復位電路， 時鐘電路 ，工作 指示燈 和蜂鳴器報警電路 等 。 （ 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。片內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。 時鐘電路如圖 33 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 。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 33 時鐘電路 圖 34 復位電路 山東科技大學課程設計 10 （ 2）復位電路 復位是單片機的初始化操作。其主要功能是把 PC初始化為 0000H，使單片機從 0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為 擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。 單片機的復位電路如圖 34 所示。 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。按鈕復位是當按鈕按下后，電源通過電阻 R14 施加到復位端上，實現(xiàn)單片機復位。 復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統(tǒng)能否正常運行，首先要檢查是否能復位成功。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。 （ 3） 工作狀態(tài)指示燈 電路 本設計 可以時刻檢測蓄電池電壓，為了更好 的進行監(jiān)控，要對 整個 電路的工作狀態(tài)進行指示 ， 這是很有必要的。工作狀態(tài)指示燈電路如圖 35 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。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。 330R23LED1LED2LED3330R24330R25VCCLED1LED2LED3 LS1BellVCCQ5NPN85501KR26beep 圖 35 工作狀態(tài)指示燈電路 圖 36 蜂鳴器報警電路 （ 4） 蜂鳴器報警電路 報警電路采用蜂鳴器來發(fā)出報警聲音，由于 STC89C52 輸出引腳 的驅動能力較弱，所以蜂鳴器要加三極管 進行 驅動 。 在對蓄電池電壓 實時監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測 電壓 值連續(xù)超出閾值范圍，便 啟動自身報警電路，即當 電壓 超過 程序 設定的最高 值 或最低 值 時， 單片機的 引腳 (beep 端 )輸出低電平， 三極管 隨之 導通， 驅動 蜂鳴器發(fā)出報警信號。 蜂鳴器報警 電路 圖如圖 36 所示 。 充放電電路 充放電 電路 如圖 37 所示，電路 由防反充二極管 D濾波電容 C4 和 C 穩(wěn)壓管 D續(xù)流二極管 D MOSFET 管 Q1 和 Q2 等構成。二極管 D1 是為了 防止 反充，當陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池 板 的電壓時， D1 就生效 ，可以防止蓄電池電流流向太陽能山東科技大學課