【正文】 最后，感謝各位專家學(xué)者對論文的評閱。 時光飛逝，四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，在此畢業(yè)來臨之際，感謝在大學(xué)給過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)們。在畢業(yè)設(shè)計過程中，于老師給我提供了很多的幫助，在實驗儀器的使用和指導(dǎo)方面給予我很大的方便。在此，再次對方老師表示最衷心的感謝和最崇高的敬意。老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、對工作一絲不茍的態(tài)度，以及寬厚質(zhì)樸、平易近人的師長風(fēng)范，令我敬佩不已。本文是在方老師的精心指導(dǎo)下完成的。以上提到的和還沒有提到的東西，都應(yīng)該是以后的繼續(xù)研究中要解決的問題。其次，對于軟件的編程，雖說另一位同學(xué)能夠編譯成功，但是同樣存在上述的問題，應(yīng)該以同樣的方法解決。下面是進一步的工作設(shè)想：首先，對于硬件設(shè)計電路，雖說已經(jīng)做出了實物電路板，并且硬件的設(shè)計在理論上沒有問題，但是不進行實物測試還是顯得不完整。但是由于時間關(guān)系未能進行實物的實驗測試。整個系統(tǒng)采用單片機AT89S52作為控制中心，用ADC0809實現(xiàn)對蓄電池端電壓的A/D轉(zhuǎn)換，通過計算蓄電池的荷電狀態(tài)來確定繼電器的動作時間，確保蓄電池在充電前期可以直接充電，而在充電后期不會因為持續(xù)的電流導(dǎo)致過充，達(dá)到保護蓄電池的目的。本文對常用的鉛酸蓄電池原理及工作情況作了詳細(xì)介紹，在此基礎(chǔ)上介紹常用的蓄電池充電方法。文中給出了太陽能電池的物理數(shù)學(xué)模型，并對不同環(huán)境和不同日照強度下的太陽能電池板的輸出進行了模擬仿真，驗證了它的非線性。本文主要從以下幾個方面作了分析和研究：首先，本文介紹了太陽能電池的結(jié)構(gòu)原理。其中，太陽能電池是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)提供能量。本文在此基礎(chǔ)之上主要研究了基于AT89S52的太陽能充電控制器的實現(xiàn)。另外，本文也比較詳細(xì)的介紹了單片機的抗干擾技術(shù)。由于整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計才是論文要描述的重點，所以在本章的介紹中主要是從硬件電路的各個部分著手，詳細(xì)介紹每一部分的工作原理和工作工程。本文主要是對系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行描述和探討，軟件部分由另一位同學(xué)來完成，下圖是本系統(tǒng)的工作流程圖。圖415 地線連接圖416 上拉電阻的使用 系統(tǒng)的軟件設(shè)計概述正如人體的一舉一動是由大腦控制一樣，單片機要工作就必須有相應(yīng)的控制指令，這些指令集合在一起共同指揮系統(tǒng)的工作。② 切斷干擾傳播途徑。這里常用的措施有：繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾；適當(dāng)增加電路板上各個集成塊的濾波電路，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，會影響濾波效果；布線時避免90度折現(xiàn)，減少高頻噪聲發(fā)射。下面是一些常用的抗干擾措施，并且在本文的硬件設(shè)計中也用到了其中的一些措施。某些干擾，如靜電可能會使得芯片上加上一個較大的電壓，這樣一個芯片的某些部件將很快的燒毀。這個嚴(yán)重的后果表現(xiàn)為程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后進入死循環(huán)，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。就是在進行數(shù)據(jù)的讀/寫操作時，由于一些錯誤的信號使得數(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行狀態(tài)。若這些輸入的信號受到干擾，引入虛假的狀態(tài)信號，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。一般計算機輸出的控制信號較大，不易受到外界的干擾。干擾侵入計算機系統(tǒng)測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號上，會使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是對于比較微弱的信號，干擾更加嚴(yán)重。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，還有開關(guān)電源引起的高頻振蕩干擾。ADC0809的START和ALE輸入信號，以及OE的輸入信號都是通過這種方法實現(xiàn)的。實現(xiàn)的方法也很簡單，就是先把兩路輸出的信號先各自經(jīng)過上面實現(xiàn)非門的方法變成各自的反相輸出，然后把兩路反相輸出作為下一個與非門的兩路輸入，這樣既可實現(xiàn)或非門的輸出。為了不再增加芯片，這時候用74LS74來實現(xiàn)這個非門，就是將EOC輸出的信號輸入上圖的1A，然后給1B一直加高電平，這樣或非門的輸出就取決于1A的輸入了，即實現(xiàn)了非門。實現(xiàn)這個功能的方法是：在ADC0809的EOC輸出端加上一個非門。這里先來認(rèn)識一下這個芯片，見圖413。START、ALE和ENABLE分別由單片機的WR，(或非門)后接入，這種安排主要是為了滿足ADC0809的信號電平與時序的要求。模擬通道地址A，B，、。ALE信號頻率： (41)ADC0809時鐘頻率： (42)ADC0809與AT89S52單片機的電路連接情況如圖412所示。在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行指令，產(chǎn)生信號使OE端有效，8位數(shù)據(jù)就讀到CPU當(dāng)中。啟動ADC0809的工作過程：先送通道號地址到ADDA，ADDB，ADDC端，由ALE信號鎖存通道號地址，然后讓START有效啟動A/D轉(zhuǎn)換，即執(zhí)行一條指令產(chǎn)生信號，使ALE，START有效鎖存通道號地址并啟動A/D轉(zhuǎn)換。特點：在A/D轉(zhuǎn)換過程中不占用CPU的時間，且實時性強。特點：占用CPU時間，但設(shè)計程序比較簡單。查詢方式采用查詢法就是將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接到I/O接口的某一位，或經(jīng)過三態(tài)門接到單片機數(shù)據(jù)總線上。等時間一到，轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，就可以從“三態(tài)輸出鎖存器”讀取數(shù)據(jù)。如ADC0809的轉(zhuǎn)換時間為120 μs。圖411 外接顯示電路 ADC0809與AT89S52接口AT89S52和ADC接口通?？梢圆捎枚〞r、查詢和中斷三種方式。這里采用很簡單的發(fā)光二極管來顯示各個狀態(tài)，各個發(fā)光二極管在不同時刻點亮或熄滅，其所表示的意義見框圖417。（a）蓄電池的充、放電電路（b）單片機對過程的控制圖410 系統(tǒng)的充、放電電路如圖所示，繼而VT4導(dǎo)通，KF1閉合，系統(tǒng)給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池兩端電壓達(dá)到某一設(shè)定值時蓄電池開始為負(fù)載供電，繼而VT5導(dǎo)通，KF2閉合，蓄電池開始放電。圖49 D觸發(fā)器設(shè)計的二分頻器 外圍電路的設(shè)計① 系統(tǒng)的充、放電電路整個設(shè)計都是圍繞著蓄電池展開，所以就把放電電路和充電電路設(shè)計在一起，很直觀的就看清楚蓄電池在其中扮演的角色。這里用D觸發(fā)器設(shè)計了一個二分頻器，它將單片機AT89S52的ALE端口進行分頻，然后供給A/D轉(zhuǎn)換器使用，其原理見式（41）和（42）。這里采用三斷集成穩(wěn)壓器件7805設(shè)計電路的電源模塊，如圖48所示。圖47 蓄電池電壓采樣電路 電源模塊的設(shè)計本系統(tǒng)所采用的電器元件需要外部供電，如果接上外加電源，則使得電路復(fù)雜化，并且破壞了系統(tǒng)的獨立性。轉(zhuǎn)換電路的簡圖如圖47所示。③ 被選模擬量的選通關(guān)系A(chǔ)DDA、ADDB和ADDC對的選擇如表41所列。一般為。CLK：時鐘信號，要求頻率范圍在，典型的值為500KHz或者640KHz。也可以直接用作中斷請求信號。轉(zhuǎn)換開始后，EOC信號變低；轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC返回高電平。ALE：地址鎖存信號，由低電平到高電平時把三位地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。：8位數(shù)字量輸出端。圖45 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖② ADC0809引腳ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳，如圖46所示。圖44 晶振電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0809簡介A/D轉(zhuǎn)換電路中采用了通用的ADC0809模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，它是一種8位數(shù)字輸出的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)換時間約為120 μs。本方案采用內(nèi)部時鐘方式，如圖44所示。在AT89S52中，P3還用于一些特殊的功能(替代功能)，這些特殊功能定義如下：端口引腳 特殊功能 (串行口輸入) (串行口輸出) (外部中斷0) (外部中斷1) (定時器0的外部輸入) (定時器1的外部輸入) (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)③ 復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位電路的目的是產(chǎn)生一個復(fù)位信號給單片機，使單片機正常復(fù)位(開機復(fù)位)，使AT89S52復(fù)位的有效信號是高電平。對端口鎖存器寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。(4) P3端口()P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行指令)時，P2口送出高8位地址。對端口鎖存器寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。(3) P2端口()P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（）。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。驗證時，要求外接上拉電阻。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址(低8位線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。4 輸入/輸出引腳、和(1) P0端口()P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存EA端的狀態(tài)。(4) ：內(nèi)部和外部程序存儲器訪問允許端。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲器取指令(或常數(shù))時，在每個機器周期被激活兩次(即輸出2個脈沖)。然而要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率(此頻率為震蕩器頻率的1/6)周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。當(dāng)震蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。采用外部振蕩信號源時，此引腳應(yīng)懸浮不連接。(2) XTAL2：接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。(2) GND：接地端。通常是+5V，但是應(yīng)用中很難精確到5V電壓，有一個電壓的范圍。圖41 AT89S52結(jié)構(gòu)圖② AT89S52引腳AT89S52引腳采用雙列直插式封裝（DIP）或方形封裝，雙列直插式封裝的如圖42所示，共有40個引腳，下面將對這些引腳進行說明。 主控芯片的設(shè)計單片機是整個路燈制器的智能核心模塊，在此選用ATMEL公司的AT89S52，PLCC44腳封裝的單片機，此芯片是一個低成本、低功耗和高性能的CMOS8位的微處理器，帶有8K字節(jié)的系統(tǒng)存儲器，此芯片和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)芯片80C51是兼容的，是一個具有很強功能的微處理器，對很多嵌入式的應(yīng)用系統(tǒng)能提供靈活的有效地解決方法。4 太陽能充電控制器的研究及設(shè)計[40~45]太陽能充電器和其他所有的充電器都一樣，其充電原理在前面的章節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)的介紹，這里將不再重復(fù)。 本章小結(jié)介紹了蓄電池的相關(guān)知識。但是在光伏系統(tǒng)中因為充電電源本身并不是真正意義上的“無限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個“有限電源”，對蓄電池充電的同時還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。這種充電方法的研究在上一章鉛酸蓄電池的部分有詳細(xì)的說明，故不再重復(fù)。 智能充電（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時間。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結(jié)合方法。在某些場合需要縮短充電時間，但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快，對蓄電池有損害，且電流利用率也下降。這就是在兩階段基礎(chǔ)上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。這樣蓄電池在初期充電不會出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。 兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結(jié)合的一種充電策略。這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統(tǒng)來說，肯定是不實用的，因為串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能。 恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時初始電流過大而進行改進的一種方式。③ 蓄電池端電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。此法也有其不足之處：① 在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調(diào)整電流。 圖41恒流充電曲線 圖42恒壓充電曲線 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進行充電。具體充電電流的大小、充電時間以及何時轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護使用說明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。 太陽能蓄電池充電技術(shù)研究對蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進行電流調(diào)整使之恒定不變。如果濃差極化和電化學(xué)極化不消除，當(dāng)充電達(dá)到一定程度時，蓄電池的端電壓就會迅速增長，這樣即使堅持充電也只會產(chǎn)生析氣和發(fā)熱，而實際充進蓄電池的電量卻寥寥無幾。(3) 電化學(xué)極化電極反應(yīng)由好幾個基本步驟構(gòu)成，其中有一個步驟，其活化能最高，而為了使得反應(yīng)的順利進行必須外加電源來增加一定的電壓去克服反應(yīng)的活化能，這種現(xiàn)象就叫做電化學(xué)極化。(1) 歐姆極化在充電過程中，離子遷移不可避免地遇到一定的阻力，外加電壓就必須額外的施加一定的電壓以克服這種阻力，這種現(xiàn)象就稱為歐姆極化。開路時正負(fù)極板與電解液處于暫時的相對平衡狀態(tài)，當(dāng)電池充電或放電時，平衡狀態(tài)遭到破壞，正、負(fù)極之間的工作電壓值偏離其電動勢，產(chǎn)生“極化現(xiàn)象”。圖36 鉛酸電池端電壓與放電時間的關(guān)系 鉛酸電池的極化問題鉛酸電池快速充電時很容易出現(xiàn)蓄電池的極化問題。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，此時電池端電壓急劇下降，這是因為電解液中，硫酸的濃度已經(jīng)很低，電解液擴散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動勢急劇降低，造成電池端電壓的下降，至此應(yīng)停止放電，否則會造成電池的過度放電。圖35充電可接受電流曲