【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖33 太陽(yáng)電池陣列的伏安特性曲線溫度和日照強(qiáng)度的變化對(duì)太陽(yáng)電池的伏安特性都有影響，在僅改變?nèi)照諒?qiáng)度而保持其它條件(如太陽(yáng)電池溫度和大氣質(zhì)量等)不變的情況下。計(jì)算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù)(包括逆變器的損耗)： 逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90％，則當(dāng)輸出功率為100W時(shí)，則實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為100W/90％=111W；若按每天使用8小時(shí)，則耗電量為111W*8小時(shí)=888Wh。按每日有效日照時(shí)間為6小時(shí)計(jì)算，再考慮到充電效率和充電過(guò)程中的損耗，太陽(yáng)能電池板的輸出功率應(yīng)為888Wh/6h/70%=210W。其中70％是充電過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板的實(shí)際使用功率。4 蓄電池充電控制器的設(shè)計(jì)在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計(jì)的常見(jiàn)思路，本論文從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。硬件電路主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、串口通信電路等。下面先從系統(tǒng)層次原理圖入手，對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對(duì)具體電路地進(jìn)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(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。首先采用并聯(lián)分壓方式對(duì)蓄電池電壓采集后，送到AD模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字信號(hào)的電壓值，再將此信號(hào)送入到控制模塊中單片機(jī)進(jìn)行處理；然后在軟件程序控制下，單片機(jī)輸出控制信號(hào)送到充放電模塊中，經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制MOSFET?？刂芃OSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，根據(jù)載荷變化來(lái)調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。圖 41 系統(tǒng)原理圖最后通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。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。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路模塊，使得當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時(shí)，讓蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)把異常電壓值通過(guò)I2C總線存放在E2PROM中，作為以后分析使用。 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52的簡(jiǎn)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(chǔ)器。使用STC公司高密度非易失性高加密性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52具有低功耗設(shè)計(jì)，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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)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(qiáng)抗干擾性，加密性強(qiáng)。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路單片機(jī)是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個(gè)電路得到很好的控制，首先必須構(gòu)建最小系統(tǒng)是單片機(jī)可以工作起來(lái)。本設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)擴(kuò)展電路包括上電復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，工作指示燈和蜂鳴器報(bào)警電路等。（1）時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)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(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路，CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，~12MHz之間選取。時(shí)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(shí)鐘電路 圖 43 復(fù)位電路（2）復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。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。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。單片機(jī)的復(fù)位電路如圖43所示。本系統(tǒng)采用的是上電+電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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。復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用非常重要。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視RST引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠幅度的波形輸出(瞬時(shí)的)，還可以通過(guò)改變復(fù)位電路電阻和電容值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（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。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(guò)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(guò)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(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)。在對(duì)蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動(dòng)自身報(bào)警電路，即當(dāng)電壓超過(guò)程序設(shè)定的最高值或最低值時(shí)，(beep端)輸出低電平，三極管隨之導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。蜂鳴器報(bào)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(gòu)成。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)能電池板。分析可知，通過(guò)控制MOSFET管閉合和斷開(kāi)的時(shí)間（即PWM—脈沖寬度調(diào)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開(kāi)關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)中采用IRL2703 N溝道MOSFET管，N溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth0。當(dāng)光耦U2斷開(kāi)時(shí)，由于Q1的G極電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs0，當(dāng)G極電壓達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。電容C4是太陽(yáng)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(duì)蓄電池輸出電壓進(jìn)行濾波，以保證負(fù)載供電電路的穩(wěn)定性。圖中穩(wěn)壓管D2用來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行穩(wěn)壓作用。當(dāng)用戶將蓄電池反接至控制器時(shí)，續(xù)流二極管D3可以進(jìn)行續(xù)流，從而保護(hù)控制器不被毀壞。圖 46 充放電電路按程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導(dǎo)通狀態(tài)，也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；，充電模式為浮充，Q1導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小，；當(dāng)檢測(cè)到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充電停止，同時(shí)Q2也關(guān)閉來(lái)關(guān)斷負(fù)載。，Q2關(guān)閉停止放電，關(guān)斷負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓關(guān)斷。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。光耦驅(qū)動(dòng)電路如圖47所示。M0S管Q1控制著充電電路，當(dāng)充電控制信號(hào)PWM為低電平時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側(cè)三極管不導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側(cè)被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V左右，MOSEFT的Vgs0，MOS管Q1開(kāi)啟，太陽(yáng)能極板開(kāi)始對(duì)蓄電池充電；當(dāng)充電控制器信號(hào)為高電平時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”，此時(shí)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(guān)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(qū)動(dòng)電路 A/D轉(zhuǎn)換電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的STC89C52單片機(jī)沒(méi)有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此需要先采集蓄電池的電壓，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。市場(chǎng)中集成的A/D轉(zhuǎn)換器品種很多，選用時(shí)需要綜合考慮各種因素進(jìn)行選取。一般逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器用到較多，本設(shè)計(jì)采用8位并行A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804。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的簡(jiǎn)介AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。AD轉(zhuǎn)換器最主要的技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，由于逐次比較型兼有并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高和雙積分型轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點(diǎn)，所以得到普遍應(yīng)用。ADC0804就是這類集成A/D轉(zhuǎn)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(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。ADC0804引腳圖如圖48所示，其各個(gè)引腳的功能：— 芯片片選信號(hào)輸入端，低電平有效，一旦有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器別選中，可啟動(dòng)工作?！獠孔x取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號(hào)。為 1 時(shí)，DB0~DB7 處理高阻抗： 為 0 時(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會(huì)輸出?！脕?lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于 ADC 的轉(zhuǎn)換開(kāi)始（=0 時(shí)），當(dāng) 由 1變?yōu)?0時(shí)，轉(zhuǎn)換器被清除：當(dāng) 回到 1時(shí)，轉(zhuǎn)換正式開(kāi)始。 圖 48 ADC0804引腳圖CLK IN—時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK R：內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘脈沖，其振蕩頻率為 1/（