【導(dǎo)讀】源問題日益嚴(yán)重。人類需要解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，而太陽能和風(fēng)能被看做是最具有代表性的。新能源和可再生能源，由于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)均受到外部條件的影響，光靠獨(dú)立的風(fēng)力或太陽能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)難以保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此，在采用風(fēng)光互補(bǔ)的混合發(fā)電系統(tǒng)來進(jìn)行相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定地供電。設(shè)計(jì)針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充放電。了一種基于單片機(jī)的太陽能充電控制器的方案。件編制并通過proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了對蓄電池的高效率管理。節(jié)采用PWM調(diào)制方式，控制芯片為PIC16F73，簡化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。構(gòu)架，給出了程序代碼。最后,利用單片機(jī)仿真軟件proteus對系統(tǒng)進(jìn)行仿真并給出。仿真原理圖及仿真波形。

　　

【正文】 M， 內(nèi)部含有 256 個(gè)字節(jié)， 采用 先進(jìn)CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。 AT24C02 內(nèi)部 有一個(gè) 8 字節(jié)頁寫 入數(shù)據(jù) 緩沖器。該器件通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。 為了更好的使用AT24C02，首先來介紹其 各個(gè)引腳功能，如表 43 所示。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 222kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 表 43 AT24C02 管腳描述 I2C 串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線 SDA，另一根是時(shí)鐘線 SCL。所有接到 I2C 總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù) SDA 都接到總線的 SDA 上，各設(shè)備的時(shí)鐘線 SCL接到總線的 SCL 上。 根據(jù)各引腳的 功能，依據(jù) CI2 總線系統(tǒng)的典型硬件連接圖，AT24C02 與單片機(jī)連接構(gòu)成的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖 412 所示。 WP7A11A22A33GND4SDA5VCC8SCLK624C02SDASCKVCC 圖 412 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 串口通信電路 隨著單片機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)的普及，單片機(jī)的通信功能愈來愈顯得重要。單片機(jī)通信是指單片機(jī)與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)與單片機(jī)之間的信息交換，不過通常使用的是單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。通信有并行和串行兩種方式。由于并行通信存在使用傳輸線較多，長距離傳送成本高且收、發(fā)方的各位同時(shí)接受存在困難等諸多問題，所以在現(xiàn)代 單片機(jī)測控系統(tǒng)中，信息的交換多采用串行通信方式。 管腳名稱 功能 A0 A1 A2 可編程地址輸入端 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時(shí)鐘 WP 寫保護(hù) Vcc 電源端， +～ 工作電壓 GND 地 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 232kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 本設(shè)計(jì)中加入串行通信電路的目的主要有三個(gè)：一是方便給單片機(jī)下載程序；二是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能；三是將控制器每天采集到數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄下來，供用戶查看。由于單片機(jī)的電平和計(jì)算機(jī)電平不兼容，設(shè)計(jì)中采用 MAX232 芯片進(jìn)行 TTL 電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換。而且系統(tǒng)采用易于實(shí)現(xiàn)的異步串行通信方式，用最簡單也最實(shí)用的奇偶校驗(yàn)作為串行通信錯(cuò)誤校驗(yàn)方式。 MAX232 芯片是專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 ,使用+5v 單電源供電。 其 主要特點(diǎn)： （ 1）符合所有的 RS232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) （ 2）只需要單一 +5V 電源供電 （ 3） 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V 電壓 V+、V （ 4）功耗低，典型供電電流 5mA （ 5）內(nèi)部集成 2 個(gè) RS232C 驅(qū)動(dòng)器 （ 6）內(nèi)部集成兩個(gè) RS232C 接收器 （ 7） 高集成度，片外最低只需 4 個(gè)電容即可工作。 了解芯片的主要特點(diǎn)之后，接下來我們來認(rèn)識 MAX232 它的各個(gè)引腳的功能，即有什么作用，以更好地 設(shè)計(jì)串口通信電路。其引腳圖如圖 413 所示。 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v和 12v 兩個(gè)電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 電平從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 電平從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 GND、 16 腳 VCC（ +5v） 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 242kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 圖 413 MAX232 的引腳圖 按照串行通信原理，根據(jù) RS232 串口協(xié)議和 MAX 232 芯片的引腳功能，結(jié)合STC89C52 單片機(jī)串行中斷方式，本設(shè)計(jì)采用串口方式 1（ 10 位數(shù)據(jù)的異步通信）來構(gòu)建串口通信電路。電路如下圖 414 所示。 設(shè)計(jì)中 T1IN 連接 CMOS 電平的單片機(jī)的串行發(fā)送端； T1OUT 連接電腦的 RS232C串口的接收端 PCRXD；同理， R1IN 連接電腦的 RS232C 串口的發(fā)送端 PCTXD； R1OUT連接 CMOS 電平的單片機(jī)的串行接收端。當(dāng)然單片機(jī)和 DB9 要共地，這是實(shí)現(xiàn)串行通信的前提條件。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 252kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 CAP 1+1RRIN28CAP6CAP 25CAP 13CAP +2CAP 2+4RTOUT27ROUT29TIN210TIN111ROUT112RRIN113RTOUT114GND15VCC16U6MAX232C12CapC11CapC14CapC13CapVCC(+5v)TXDRXD162738495J1DB9C10Cap 圖 414 串口通信電路 本章對充放電控制器的原理以及具體的硬件實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對電路中使用到的芯片也予以描述，使讀者通過閱讀可以清晰的明白控制器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過程。 太陽能充電控制器的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用 C 語言來實(shí)現(xiàn)，受 C 語 言模塊化編程設(shè)計(jì)思想的啟發(fā)， 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的 子 程序 （子函數(shù)） 模塊組成，它們之間通過 函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn) 連接。既便于調(diào)試，連接，又便于移植、修改。系統(tǒng)軟件主要完成 蓄電池電壓 采集 轉(zhuǎn)換 ， PWM 脈沖充電控制、 實(shí)時(shí) LCD 顯示， 異常 報(bào)警 等。 包括以下幾部分： 系統(tǒng) 主程序設(shè)計(jì)， 電壓采集轉(zhuǎn)換模塊， 顯示模塊和異常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 262kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 主程序流程圖如圖 415 所示 。 開 始初 始 化主 函 數(shù) 和 子 函 數(shù)蓄 電 池 電 壓采 集 轉(zhuǎn) 換V b a t 0V b a t 1 4 . 5 V蓄 電 池 反 接關(guān) 閉 充 放 電 電 路停 止 充 電關(guān) 斷 負(fù) 載P W M 浮 充 充 電直 充 充 電NYYYYNNNN關(guān) 斷 負(fù) 載開 啟 充 電結(jié) 束NV b a t 1 2 VV b a t 1 0 . 8 V 圖 415 系統(tǒng) 主程序流程圖 系統(tǒng) 主程 序是整個(gè) 電壓 測控系統(tǒng)中最重要的程序，是一個(gè)順序執(zhí)行的無限循環(huán)程序。 蓄電池電壓的采集、轉(zhuǎn)換顯示 和 異常數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 都在測控子程序中進(jìn)行 ，系統(tǒng) 應(yīng)用 主 程序采用模塊化結(jié)構(gòu) ，首先完成初始化，然后就開始按順序調(diào)用各個(gè)模塊子程序，通過系統(tǒng)自檢和控制指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和電路控制，有效的控制蓄電池充放電。 軟件調(diào)試和仿真 為了檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)是否可以正常工作以及設(shè)計(jì)合理性，很有必要對系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。通過仿真可以看出系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的不合理部分，以方便改善使得系統(tǒng)更加合理；同時(shí)更重要的是驗(yàn)證自己編寫的軟件程序是否 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)其功能，完成了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)任務(wù)。 軟件調(diào)試的過程：首先根據(jù)太陽能充電控制器軟件設(shè)計(jì)要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 272kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 然后按照 C 語言模塊化設(shè)計(jì)的編程方法，設(shè)計(jì)出各個(gè)子模塊和主程序的算法流程圖，最后在 KEIL C51 中去編寫相應(yīng)的程序去實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在編寫程序進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)過程中，遇到的第一個(gè)問題就是：程序的調(diào)試。程序編寫后，進(jìn)行編譯，一開始發(fā)現(xiàn)了很多錯(cuò)誤，一下子把自己卡住了；后來通過查看相關(guān)資料，同時(shí)咨詢指導(dǎo)老師和同學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，在軟件的提示下，慢慢地修改，最終把出現(xiàn)的錯(cuò)誤都改正過來了。 程序調(diào)試成功后，下一步就是軟 件仿真，是檢驗(yàn)程序運(yùn)行是否正確的關(guān)鍵所在，更是優(yōu)化系統(tǒng)所必須的。 Proteus 軟件為單片機(jī)系統(tǒng)提供了良好的仿真環(huán)境，所以程序調(diào)試完成后，把在 KEIL 中生成的目標(biāo)文件 HEX 文件，下載在仿真系統(tǒng)的單片機(jī)中，進(jìn)行 KEIL 和 proteus 聯(lián)合調(diào)試，看系統(tǒng)是否能正常工作。 使用 protues 進(jìn)行仿真，首先要畫電路圖， 電路 圖 由以上介紹的幾部分組成 ，但因?yàn)榇税姹局袥]有 STC89C52 單片機(jī)，所以用 AT89C52 代替 ，畫好的電路圖如圖 416 所示 。 和自己當(dāng)初預(yù)料的一樣，在剛開始仿真時(shí)，遇到了許多的問題，如 1602 液晶不顯示 ，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈指示狀態(tài)不正確等等，調(diào)試很久才找到問題所在，經(jīng)修改才得以調(diào)試成功 。 系統(tǒng)共三種狀態(tài)：正常充電、過充、過放。這里僅列出系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的仿真圖，如下圖 416 所示，以便更形象的看出充電控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)功能。 正常工作時(shí)的狀態(tài)： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 282kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 圖 416 正常工作狀態(tài)仿真 其工作原理如下，單片機(jī)在軟件程序控制下，控制著各個(gè)部分硬件電路有序工作，把從模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到的蓄電池的電壓值，用 1602 液晶去顯示，同時(shí)綠燈亮起表示系統(tǒng)正在充電。 由于利用 C 語言開發(fā)單片機(jī)與匯編語言相比，具有易于操作、規(guī)范性好、適合模塊化處理且容易移植的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用 C 語言作為編程語言。按蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 292kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 照 C 語言模塊化程序設(shè)計(jì)方法，論文編制了系統(tǒng)主程序和各個(gè)子程序模塊來實(shí)現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制控制策略和各種保護(hù)，完成了軟件設(shè)計(jì)任務(wù) 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 302kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 5 逆變主電路的設(shè)計(jì) 獨(dú)立光伏發(fā)電 系統(tǒng)逆變電路的設(shè)計(jì)主要包括逆變主電路的設(shè)計(jì)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等的設(shè)計(jì)。 單相逆變電路最常用的結(jié)構(gòu)有半橋和全橋兩種，半橋電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電壓低；全橋電路相對復(fù)雜，但控制靈 活，且輸出電壓是半橋電路的兩倍，因此逆變主電路采用單相全橋電壓型。 如圖 51 所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。對輸入的直流電進(jìn)行 PWM 調(diào)制，經(jīng)過 LC 濾波輸出。采用電壓瞬時(shí)值反饋，對輸出電壓進(jìn)行采樣隔離，反饋信號送給控制芯片，通過 PWM 生成環(huán)節(jié)產(chǎn)生各功率管的開關(guān)信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤給定信號。 圖 51 逆變電路的拓?fù)鋱D 控制方法 對于光伏逆變電源的逆變部分，在這里 采用脈寬調(diào)制方式，得到修正正弦波。 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)，即通過對一 系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值 )。 控制芯片 控制芯片為 Microchip 公司的 PIC16F73 單片機(jī)。 PIC 單片機(jī)是采用 RISC結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比嵌入式控制器，采取數(shù)據(jù)總線和地址總線分離的 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。 PIC16F73 最高時(shí)鐘頻率為 20MHZ，每條指令執(zhí)行周期 200ns，由于大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)周期，因此速度相當(dāng)快。其內(nèi)含 192 字節(jié)的 RAM ， 4K 程序存儲(chǔ)器、 5 路 A/D 轉(zhuǎn)換及 2 路 PWM 波發(fā)生器，應(yīng)用時(shí)外圍電路極其簡單，是理想的單相 逆變電源數(shù)字控制器。單片機(jī)通蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 312kw 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光伏發(fā)電部分 過內(nèi)部軟件產(chǎn)生兩路 PWM 控制信號，然后經(jīng)過邏輯門變換電路變換成逆變?nèi)珮蛩璧乃穆夫?qū)動(dòng)信號，再經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)芯片 TLP250 隔離放大后，分別加到逆變?nèi)珮蛩膫€(gè) IGBT 的柵極，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。 控制電路 供電電源 由于本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)只有蓄電池提供的 12V 電壓，故此芯片的 5V供電電源需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，采用 78L05 三端集成穩(wěn)壓器 ，其電路接法如圖 52所示： 圖 52 78L05 電平轉(zhuǎn)換電路 時(shí)序和死區(qū)電路 在電路工作中 ,開關(guān)管的關(guān)斷時(shí) 間往往長于接通建立時(shí)間 ,會(huì)出現(xiàn)上下橋臂直通的危險(xiǎn) ,為