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正文內(nèi)容

太陽(yáng)能充、放電控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-25 13:51 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以充/放電最大電流10A、額定電壓12V控制系統(tǒng)為例,其主要實(shí)現(xiàn)功能如下:要能自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓是否高于蓄電池電壓,若高于蓄電池電壓則開(kāi)始充電:若低于蓄電池電壓,則不能開(kāi)啟充電,否則蓄電池電流會(huì)反向流向太陽(yáng)能電池板而造成電量損耗。負(fù)載放電電流達(dá)到12A時(shí)控制器通過(guò)蜂鳴器報(bào)警,提示用戶負(fù)載已經(jīng)過(guò)載請(qǐng)降低負(fù)載功率運(yùn)行:當(dāng)放電電流達(dá)到15A時(shí)控制器會(huì)自動(dòng)切斷負(fù)載輸出,以保護(hù)控制器不被燒壞。切斷負(fù)載輸出后,控制器要能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載功率,當(dāng)負(fù)載功率降低到額定功率一下時(shí),控制器又可自動(dòng)開(kāi)啟負(fù)載。,自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載(欠壓關(guān)斷),同時(shí)有報(bào)警提示;(欠壓恢復(fù))。,自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載(欠壓關(guān)斷),同時(shí)有報(bào)警提示;(過(guò)壓恢復(fù))。當(dāng)用戶將太陽(yáng)能電池板反接至控制器時(shí),要有報(bào)警功能,并且具有保護(hù)控制器不被損壞的功能。當(dāng)用戶將蓄電池反接至控制器時(shí),要有報(bào)警功能,并且具有保護(hù)控制器不被損壞的功能。當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí),控制器要具有自我保護(hù)能力,同時(shí)能檢驗(yàn)出短路狀態(tài)并給予報(bào)警提示;當(dāng)短路解除時(shí)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。不同的溫度對(duì)于蓄電池的浮充電壓點(diǎn)是不同的,要有自動(dòng)檢測(cè)溫度功能,并且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)蓄電池的各個(gè)電壓點(diǎn)。最后,以上設(shè)計(jì)中的所有參考點(diǎn)都可手動(dòng)調(diào)節(jié),同時(shí)可手動(dòng)微調(diào)以校準(zhǔn)單片機(jī)的A∕D參考電壓,使所有控制器的參考點(diǎn)統(tǒng)一。 主控芯片的設(shè)計(jì)單片機(jī)是整個(gè)路燈制器的智能核心模塊,在此選用STC12C5412AD單片機(jī),如圖41所示,該芯片具有4路PWM輸出,這里使用其中一路PWM控制充電MOS管的開(kāi)關(guān),自帶8路10位A/D,用來(lái)采集系統(tǒng)中所有需要處理的模擬信號(hào), R1和R2采用精密電阻,主要用來(lái)分壓蓄電池電壓后,讓單片機(jī)采集,通過(guò)R1和R2大小關(guān)系計(jì)算出蓄電池實(shí)際電壓,然后根據(jù)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行相應(yīng)的控制。其中RR2一定要使用精密電阻,其他電阻可選用普通電阻。所謂精密電阻是指誤差小于1%的電阻,普通電阻的精度為5%~0%。圖41主控芯片主控芯片采用STC12C5412AD單片機(jī),該單片機(jī)具有以下特性:增強(qiáng)型8051CPU,指令代碼完全兼容8051內(nèi)核1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期高速運(yùn)行SOP28超小封裝4路PWM/PCA/CCU/捕獲/比較單元8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換12KBFlash程序存儲(chǔ)器片上集成512字節(jié)RAM內(nèi)置E178。PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部中斷9路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷內(nèi)置硬件看門狗兩個(gè)定時(shí)器全雙工異步串行口(UART)高速硬件SPI通信端口,主模式/從模式片內(nèi)R/C振蕩器~低功耗設(shè)計(jì),包含空閑模式和掉電模式工作頻率為0~35MHz,相當(dāng)于普通8051的0~420MHz加密性強(qiáng),無(wú)法解密超強(qiáng)抗干擾工作溫度范圍:40~+85℃(工業(yè)級(jí))/0~75℃(商業(yè)級(jí))6個(gè)16位定時(shí)器其中兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1,沒(méi)有定時(shí)器T2,PCA模塊可實(shí)現(xiàn)4個(gè)16位定時(shí)器 串口通信設(shè)計(jì)如圖42所示,串口通信部分采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平和RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232CSE—TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換芯片,4路轉(zhuǎn)換,外圍接5個(gè)104電容。加入串口的目的主要有三個(gè):一是給單片機(jī)下載程序;二是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能;三是將控制器每天采集到得數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄在其內(nèi)部的E178。PROM中,當(dāng)工作人員需要查看數(shù)據(jù)時(shí),可直接通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)。最后,還需要與上位機(jī)軟件配合使用。圖42 串口通信 液晶接口的設(shè)計(jì)控制器板上預(yù)留有1602液晶接口,如圖43所示,可根據(jù)用戶需要選擇安裝1602液晶。1602液晶—可顯示兩行,每行16個(gè)字母,~,帶背光,并口操作方式。特點(diǎn):?jiǎn)?V電源電壓,低功耗,長(zhǎng)壽命,高可靠性。內(nèi)置192種字符。具有64個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM,可自定義8個(gè)58點(diǎn)陣字符或四個(gè)511點(diǎn)陣字符。圖43 1602液晶接口 發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)圖44為控制器發(fā)光二極管指示燈,它有6個(gè)狀態(tài)指示:①蓄電池接入指示燈;②系統(tǒng)正常工作狀態(tài)指示燈;③蓄電池欠壓指示燈;④蓄電池過(guò)壓指示燈;⑤充電狀態(tài)指示燈;⑥負(fù)載工作狀態(tài)指示燈。 圖44發(fā)光二極管指示燈 蜂鳴器的設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器,采用直流電壓供電,廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器用于系統(tǒng)出現(xiàn)異常是報(bào)警,如圖45所示,其中使用了4個(gè)二極管,其作用是當(dāng)用戶不小心將蓄電池反接至控制器時(shí),蜂鳴器會(huì)以長(zhǎng)響報(bào)警,用戶提示接入有異常,同時(shí)還保證在蓄電池正確接入系統(tǒng)的條件下 當(dāng)BEEP端為單片機(jī)輸出高電平時(shí),蜂鳴器也可發(fā)聲報(bào)警。圖45 蜂鳴器 按鍵設(shè)計(jì)圖46 中按鍵用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)及狀態(tài)。圖46 按鍵 電源接口設(shè)計(jì)圖47為電源接口,控制器采用太陽(yáng)能電池板、蓄電池和負(fù)載共用正極的方式接入,通過(guò)蓄電池負(fù)極與太陽(yáng)能電池板負(fù)極之間的MOS管控制充電的開(kāi)/關(guān),通過(guò)蓄電池負(fù)極與負(fù)載負(fù)極之間的MOS管控制負(fù)載放電的開(kāi)/關(guān),圖7中各個(gè)電氣符號(hào)意義如下:PV+ — 太陽(yáng)能電池板正極PV — 太陽(yáng)能電池板負(fù)極VCC(12V)—蓄電池正極BAT—蓄電池負(fù)極FU+—負(fù)載正極FU—負(fù)載負(fù)極圖47 電源接口其中,PV+、VCC(12V)、FU+連接在一起。 晶振設(shè)計(jì)圖48為單片機(jī)晶振電路,晶振頻率采用12MHz。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振,在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大,全程叫晶體振蕩器,他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率,單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高,那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快,單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下,普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十,高級(jí)的精度更高。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作,以提供穩(wěn)定,精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振,便于各部分保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用,以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。圖48 晶振電路 電源部分和控制部分電路設(shè)計(jì)圖49為電源轉(zhuǎn)換及控制器部分電路,蓄電池正極從二極管DD6的陽(yáng)極接入,DD6為防電源反接構(gòu)成反向回路設(shè)計(jì)。Q3,R16,DW2為一級(jí)降壓電路。DW2為10V穩(wěn)壓管,當(dāng)蓄電池電壓高于10V時(shí)。然后通過(guò)二級(jí)降壓電路R17,Q4和DW3將輸出電壓鉗位到5V,這5V電壓用來(lái)給單片機(jī)系統(tǒng)提供電源,兩級(jí)降壓電路中使用三極管的作用是為了擴(kuò)流,單純用穩(wěn)壓管同樣可以穩(wěn)壓到期望的電壓值,可是輸出的電流會(huì)非常小,以至根本無(wú)法帶負(fù)載。電阻R25,R26和二極管DD8用來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓值,標(biāo)號(hào)“PV”為太陽(yáng)能電池板負(fù)極,“JCPV”接單片機(jī)A/D輸入口。當(dāng)“PV”電壓等于或大于“BAT”電壓時(shí),說(shuō)明太陽(yáng)能電池板電壓等于或小于蓄電池電壓,這時(shí)不能開(kāi)啟充電控制。R12,R13,R14,R15,DW1,Q2,T1為控制負(fù)載開(kāi)關(guān)電路。DW1用來(lái)保證MOS管與GS之間電壓最大不得超過(guò)10V,否則會(huì)損壞MOS管,三極管Q3導(dǎo)通時(shí),MOS管T1關(guān)閉;Q2不導(dǎo)通時(shí),MOS管T1開(kāi)啟。標(biāo)號(hào)“ADC1”有三個(gè)作用,一用于單片機(jī)控制負(fù)載通斷;二用于采集MOS管在開(kāi)啟狀態(tài)下的DS壓降,從而檢測(cè)負(fù)載消耗電流大?。蝗?dāng)負(fù)載過(guò)度或短路時(shí),“ADC1”由硬件自動(dòng)時(shí)MOS關(guān)閉,從而保護(hù)MOS管及負(fù)載的進(jìn)一步損壞。R21,R20用來(lái)啟動(dòng)硬件自動(dòng)關(guān)閉充電,當(dāng)太陽(yáng)能電池板低于蓄電池電壓時(shí),可由“PV”直接控制Q5三極管,Q6的控制將失效。 T2,T3兩個(gè)MOS管對(duì)接才可有效控制充電回路,因?yàn)镸OS管內(nèi)部自身會(huì)有一個(gè)二極管,N溝道為S指向D,P溝道為D指向S,DW4為T2和T3MOS管穩(wěn)壓。T2和T3MOS管的開(kāi)/關(guān)由Q3和Q6兩個(gè)三極管的狀態(tài)共同決定。其中三極管9012—PNP型,低頻放大,50V,,150MHz。9013—NPN型,低頻放大,50V,,150MHz。BC337—NPN型,低頻放大,45V,,100MHz。而二極管IN4148—電流150mA,反向最大電壓75V,截止頻率100MHz。MOS管IRL2703—N溝道功率MOS管, =30V, =, =24A,最高運(yùn)行溫度175℃。圖49 電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路 生成并設(shè)計(jì)PCB電路圖設(shè)計(jì)完畢之后進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì),首先進(jìn)行驗(yàn)證,程序?qū)Ⅱ?yàn)證結(jié)果顯示在Check字段,如圖410所示,在進(jìn)行數(shù)據(jù)更新,程序?qū)?shù)據(jù)更新結(jié)果顯示在Done字段,如圖411所示。再對(duì)其進(jìn)行布局布線,結(jié)果如圖412所示。 410 數(shù)據(jù)驗(yàn)證 411 數(shù)據(jù)更新 412 PCB圖 單片機(jī)的防干擾技術(shù) 干擾分析干擾產(chǎn)生的原因總的來(lái)說(shuō),干擾信號(hào)的產(chǎn)生主要有三類:(1) 放電干擾:主要是雷電、靜電、大功率開(kāi)關(guān)觸電斷開(kāi)等放電產(chǎn)生的干擾;(2) 高頻振蕩干擾:主要指感應(yīng)電爐、中頻電弧、開(kāi)關(guān)電源、直流交流變換器產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)形成的;(3) 浪涌干擾:主要是交流系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電流、開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器等設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的。這些干擾可能通過(guò)各種形式作用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng),對(duì)它們的性能有嚴(yán)重的影響,其中以各類開(kāi)關(guān)分?jǐn)嚯姼行载?fù)載所產(chǎn)生的干擾最難以抑制與消除。本系統(tǒng)最有可能產(chǎn)生干擾的就是靜電引起的放電干擾,還有開(kāi)關(guān)電源引起的高頻振蕩干擾。干擾的危害干擾對(duì)于不同設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的影響范圍和影響程度不一樣,基本上干擾產(chǎn)生的后果有以下五個(gè)方面:(1) 數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)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(duì)于比較微弱的信號(hào),干擾更加嚴(yán)重。(2) 控制狀態(tài)失靈。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。但計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)常依據(jù)某些條件的狀態(tài)輸入信號(hào)和這些信號(hào)的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的信號(hào)受到干擾,引入虛假的狀態(tài)信號(hào),將導(dǎo)致輸出控制誤差加大,甚至控制失常。(3) 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。就是在進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)操作時(shí),由于一些錯(cuò)誤的信號(hào)使得數(shù)據(jù)發(fā)生異變,而這些數(shù)據(jù)的變化可能使得控制狀態(tài)失靈,也可能改變程序的運(yùn)行狀態(tài)。(4) 程序運(yùn)行失常。這個(gè)嚴(yán)重的后果表現(xiàn)為程序執(zhí)行一系列毫無(wú)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。(5) 器件損壞。某些干擾: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。 硬件抗干擾方法在上面的分析中已經(jīng)很清楚的闡述了干擾帶來(lái)的危害,所以必須采取措施抵抗干擾的出現(xiàn),或者把干擾帶來(lái)的危害降到最低。下面是一些常用的抗干擾措施,并且在本文的硬件設(shè)計(jì)中也用到了其中的一些措施。抑制干擾源。這里常用的措施有:繼電器線圈增加續(xù)流二極管,消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾;適當(dāng)增加電路板上各個(gè)集成塊的濾波電路,并且要注意高頻電容的布線,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,否則等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻,會(huì)影響濾波效果;布線時(shí)避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射。如下圖413所示。圖413抗干擾電路圖中主要采用了兩種電容來(lái)對(duì)抗可能的干擾,采用大容量的濾波電容可以有效地抑制電源上出現(xiàn)的紋波,即輕微的電壓波動(dòng),并且能夠構(gòu)成電壓快速變化分量的泄放電路,防止電壓的快速波動(dòng);而退藕電容是并接在芯片的電源和地線之間的,用于消除高速跳變的電流產(chǎn)生的阻抗噪聲。其中C5是退藕電容C6是濾波電容。切斷干擾傳播途徑。這里就有幾個(gè)需要注意的方面了:充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響;有可能的話抑制電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾,這個(gè)現(xiàn)在最常見(jiàn)的就是光耦器件,本系統(tǒng)并沒(méi)有采用;注意晶振布線,晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái),晶振外殼接地并固定;電路板合理分區(qū),盡可能把干擾源與敏感元件隔離;模擬地和數(shù)字地的隔離(如圖414);上拉電阻的使用(如圖415)。R1模擬地模擬電路1模擬電路2數(shù)字電路1數(shù)字電路1數(shù)字地電源地R3R2R4圖414 地線連接 ...AT89S52圖415上拉電阻的使用 本章小結(jié)本章首先介紹了太陽(yáng)能充/放電的原理,然后從硬件電路的各個(gè)部分著手,詳細(xì)介紹每一部分的工作原理和工作工程。對(duì)硬件電路的介紹中主要從系統(tǒng)的兩個(gè)核心部件STC12C5412AD和MAX232展開(kāi),并對(duì)其他部分做了一定的介紹,并且生成了PCB。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)。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) protues仿真使用protues進(jìn)行仿真,首先要畫(huà)電路圖,電路圖與前面的protel圖基本一樣,但因?yàn)榇税姹局袥](méi)有STC12C5412AD單片機(jī),所以用AT89C52代替。而MAX232因其電源內(nèi)置而沒(méi)有畫(huà)出。因?yàn)閜rotues中沒(méi)有太陽(yáng)能電池板所以沒(méi)有畫(huà)出。仿真電路圖如圖51所示,運(yùn)行后如圖52所示。圖51仿真圖圖52 仿真運(yùn)行圖 keil程序調(diào)試 使用keil編譯程序,在調(diào)試成功后與之前畫(huà)好的protues仿真圖相連,便可完成仿真,具體步驟如下:(1)打開(kāi)keil軟件,新建工程打開(kāi)keil軟件,選擇project——new project創(chuàng)建新工程,如圖53所示。(2)選擇單片機(jī)輸入功能項(xiàng)目名之后,因?yàn)橄到y(tǒng)中沒(méi)有STC12C5412AD所以在單片機(jī)窗口中選擇AT89C52單片機(jī)作為模擬單片機(jī),如圖54所示。(3)新建文件并導(dǎo)入工程通過(guò)菜單F
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