【文章內容簡介】 圖33 太陽電池陣列的伏安特性曲線溫度和日照強度的變化對太陽電池的伏安特性都有影響，在僅改變日照強度而保持其它條件(如太陽電池溫度和大氣質量等)不變的情況下。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。按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為888Wh/6h/70%=210W。其中70％是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。4 蓄電池充電控制器的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41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(jīng)光耦驅動電路來控制MOSFET?？刂芃OSFET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。圖 41 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(chǎn)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(chǎn)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。 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，~12MHz之間選取。時鐘電路如圖42所示。電路中CC7是反饋電容，其值在5pF~30pF之間選取，本電路選用的電容為30pF。 圖 42 時鐘電路 圖 43 復位電路（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43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44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。 圖 44工作狀態(tài)指示燈電路 圖 45 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，(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45所示。 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D續(xù)流二極管DMOSFET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電池板。分析可知，通過控制MOSFET管閉合和斷開的時間（即PWM—脈沖寬度調制），就可以控制輸出電壓。所使用的MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導體場效應晶體管，所需驅動功率較小。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。設計中采用IRL2703 N溝道MOSFET管，N溝道MOSFET的導通電壓Vth0。當光耦U2斷開時，由于Q1的G極電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs0，當G極電壓達到一定值時，Q1導通。電容C4是太陽能電池板輸出電壓濾波，使得更穩(wěn)定地給蓄電池充電。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。圖中穩(wěn)壓管D2用來對蓄電池進行穩(wěn)壓作用。當用戶將蓄電池反接至控制器時，續(xù)流二極管D3可以進行續(xù)流，從而保護控制器不被毀壞。圖 46 充放電電路按程序設計當檢測到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導通狀態(tài)，也就是導通的脈沖占空比最大；，充電模式為浮充，Q1導通與不導通的占空比例變小，；當檢測到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充電停止，同時Q2也關閉來關斷負載。，Q2關閉停止放電，關斷負載來實現(xiàn)欠壓關斷。為了增加系統(tǒng)的可靠性，本設計用光電耦合器實現(xiàn)單片機控制電路和充放電電路的隔離。光耦驅動電路如圖47所示。M0S管Q1控制著充電電路，當充電控制信號PWM為低電平時，光耦內部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側三極管不導通，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當于開關“斷開”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V左右，MOSEFT的Vgs0，MOS管Q1開啟，太陽能極板開始對蓄電池充電；當充電控制器信號為高電平時，光耦內部的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導通，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當于開關“接通”，此時從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，充電電路關斷。這就是充電電路原理。M0S管Q2控制著放電電路，其原理與Q1相似。 圖47 光耦驅動電路 A/D轉換電路本系統(tǒng)設計的STC89C52單片機沒有內置的A/D轉換模塊，因此需要先采集蓄電池的電壓，然后經(jīng)A/D轉換才可接入單片機。市場中集成的A/D轉換器品種很多，選用時需要綜合考慮各種因素進行選取。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。因為蓄電池電壓的采集轉換在系統(tǒng)中極為重要，所以下面對所選ADC0804芯片及在本系統(tǒng)中是典型連接電路予以介紹。 ADC0804的簡介AD轉換就是模數(shù)轉換，顧名思義，就是把模擬信號轉換成數(shù)字信號。AD轉換器最主要的技術參數(shù)是轉換速度和轉換精度，由于逐次比較型兼有并行A/D轉換器轉換速度高和雙積分型轉換精度高的優(yōu)點，所以得到普遍應用。ADC0804就是這類集成A/D轉換器。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 轉換器， 其規(guī)格如下： (1) 高阻抗狀態(tài)輸出，分辨率：8 位(0~255)(2) 存取時間：135 us ；轉換時間：100 us(3) 總誤差：正負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)結構，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。ADC0804引腳圖如圖48所示，其各個引腳的功能：— 芯片片選信號輸入端，低電平有效，一旦有效，表明A/D轉換器別選中，可啟動工作?！獠孔x取轉換結果的控制輸出信號。為 1 時，DB0~DB7 處理高阻抗： 為 0 時，數(shù)字數(shù)據(jù)才會輸出?！脕韱愚D換的控制輸入，相當于 ADC 的轉換開始（=0 時），當 由 1變?yōu)?0時，轉換器被清除：當 回到 1時，轉換正式開始。 圖 48 ADC0804引腳圖CLK IN—時鐘信號輸入端CLK R：內部時鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK配合可有芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其振蕩頻率為 1/（