【正文】 頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。 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(diào)制），就可以控制輸出電壓。 充放電電路 充放電 電路 如圖 37 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 D MOSFET 管 Q1 和 Q2 等構(gòu)成。 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(dāng) 電壓 超過 程序 設(shè)定的最高 值 或最低 值 時， 單片機(jī)的 引腳 (beep 端 )輸出低電平， 三極管 隨之 導(dǎo)通， 驅(qū)動 蜂鳴器發(fā)出報警信號。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。工作狀態(tài)指示燈電路如圖 35 所示。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 (瞬時的 )，還可以通過改變復(fù)位電路 電阻和電 容值進(jìn)行實驗。 復(fù)位電路雖然簡單，但其作用非常重要。 本系統(tǒng)采用的是上電 +電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。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(fù)位鍵重新啟動。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 圖 33 時鐘電路 圖 34 復(fù)位電路 山東科技大學(xué)課程設(shè)計 10 （ 2）復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。 時鐘電路如圖 33 所示。 （ 1）時鐘電路 單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(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 上外接時鐘源即可構(gòu)成時鐘電路， CPU的所有操作均在 時鐘脈沖同步下進(jìn)行。 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。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。 （ 4） EA /VPP： 訪問外部程序存儲器控制信號。 （ 3） PSEN ：外部程序存儲器選通信號 (PSEN )是外部程序存儲器選通信號。否則， ALE 將被微弱拉高。 如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “ 1” ， ALE 操作將無效。在 flash 編程時，此引腳 (PROG )也用作編程輸入脈沖。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。看門狗計時完成后， RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。 EA/VP31XTAL119XTAL218RESET9P37/RD17P36/WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P10/T21P11/T2 EX2P123P134P145P15/MOSI6P16/MISO7P17/SCK8P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P20(A8)21P21(A9)22P22(A1023P23(A11)24P24(A12)25P25(A13)26P26(A14)27P27(A15)28PSEN29ALE/P30P31/TXD11P30/RXD10 圖 32 STC89C52 引腳圖 這里僅詳細(xì)介紹編程引腳 ： （ 1） RST：復(fù)位輸入。 （ 3） I/O 口引腳。 （ 2） 編程控制引腳。 按其功能類別將它們分為三類： （ 1）電源和時鐘引腳 。 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) 。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，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。另外， STC89C52 具有低功耗設(shè)計， 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。 。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 存儲器技術(shù)制造 ， 與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 。數(shù)據(jù)存儲電路 模塊 ，使得當(dāng)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。 VCCGNDPWMFUZAI充放電模塊充放電電路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和顯示模塊STC 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模塊AD 轉(zhuǎn)換 .SchDocVCCGNDSCKSDA數(shù)據(jù)保存模塊E2PROM 存儲電路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口調(diào)試模塊RS232 串口通信 .SchDoc圖 31 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。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(zhuǎn)換 器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(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 送到充放電模塊中， 經(jīng)光耦 驅(qū)動電路 來 控制 MOSFET。 下面先從系統(tǒng) 層次原理圖入手，對系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對 具體 電路 地進(jìn)行一一介紹。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計 7 3 太陽能充電控制器的 硬件電路設(shè)計 在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計的常見思路，本論文從硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面入手，運(yùn)用模塊化的設(shè)計方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計。同時提出了時刻在線檢測蓄電池電壓的放電控制方法，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護(hù)蓄電池。整體方案設(shè)計，講述了光伏發(fā)電技術(shù)中最重要部分控制器和蓄電池的作用，控制器主要負(fù)責(zé)控制太陽能極板對蓄電池的充電以及控制蓄電池對負(fù)載的供電 。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 24 所示。單片機(jī) 在軟件程序的控制下 輸出 PWM 控制信號， 經(jīng)光耦驅(qū)動 MOSFET 管 開啟 與 關(guān)閉 來控制 充放電 電路。 控制器的 整體設(shè)計方案 通過對 應(yīng)用實例的分析，更加明確太陽能充電控制器的在系統(tǒng)中重要性和作用，同時山東科技大學(xué)課程設(shè)計 6 依照其功能要求和改進(jìn)的控制策略，最后確定了整體設(shè)計方案。 輸出電壓波形如圖 23 所示。脈寬調(diào)制方式是指在固定時鐘頻率下，通過調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷時間來控制信號的占空比，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。充電脈沖使 蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間 重新化合而被吸收掉，從而 減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，這也是蓄電池充電理論的進(jìn)一步發(fā)展。 （ 2） 改進(jìn)的充放電方式 針對目前市場上控制器的主要問題是由于對于 蓄電池的保護(hù)不夠充分，不合適的充電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，同時 通過對蓄電池的工作原理和對影響蓄電池使用壽命因素的 分析，本論文提出了 PWM (Pulse Width Modulation)脈寬調(diào)制充電方法。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少。階段充電法這種方法雖然可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法 使用，實際應(yīng)用中受到一定的限制。 這種充電方法包括二階段充電法和三階段充電法。這種充電控制方法簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過多，影響蓄電池的使用壽命。 （ 1） 蓄電池常規(guī)充放電方式 目前，控制器常規(guī) 的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。根據(jù)蓄電池的工作原理，結(jié)合實際應(yīng)用情況，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影響鉛酸蓄電池壽命的主要因素有：充電電壓的設(shè)置、過放控制點的設(shè)置、溫度、運(yùn)行環(huán)境等?？刂破魍瑫r負(fù)責(zé)蓄電池是否對負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池的電壓在正常范圍內(nèi)時，控制器控制開關(guān)接通，蓄電池給負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池的電壓處于欠壓或是過放狀態(tài)時，控制器控制開關(guān)截止，蓄電池停止對負(fù)載的供電，在這個過程中控制器起著至關(guān)重要的作 用，保護(hù)負(fù)載和蓄電池。 （ 3） 充電控制器 一般太陽 能極板輸出電壓的不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯Φ絻δ茉O(shè)備如蓄電池中，而控制器在這個過程中起著樞紐作用 ， 其性能的好壞將會直接影響實際應(yīng)用的使用效果。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用有：儲存能量、對太陽能極板的工作電壓的進(jìn)行鉗位、 給負(fù)載 提供啟動電流等。 工作原理搞懂了之后，接著看蓄電池在整個系統(tǒng)中的 作用 。分析可知，蓄電池的充電過程和放電過程是可逆的。 一般鉛酸蓄電池是由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成，極板 主要有鉛制成 ，電解液是硫酸溶液。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計 4 圖 22 太陽能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng) （ 2） 蓄電池 這里首 先介紹 蓄電池工作原理 。光照在半導(dǎo)體 P/N 結(jié)上， 就會在其兩端產(chǎn)生光生電壓， 當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。 （ 1） 太陽能 電池板 如圖 22 所示，太陽能電池板 是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的，能夠直接將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的器件。 太 陽 能 電 池 板 蓄 電 池 照 明 電 路充 電 控 制 器 圖 21 太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 從圖 21 中可以看出，太陽能極板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并將電能存儲到蓄電池中，蓄電池再將存儲的電能輸出給照明電路供電，完成能量的傳遞。 太陽 能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)主要針對直流 照明 路燈進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，所以構(gòu)成太陽能路燈系統(tǒng)主要有四大部分組成，即太陽能極板、蓄電池、充電控制器、照明電路。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計 3 2 太陽能充電控制器的總體設(shè)計方案 在確定 設(shè)計 方案之前， 需要結(jié)合 應(yīng)用實例，進(jìn)行 一定的綜合分析， 更加 明確 控制器的作用 ，最后 來 確定 整體方案。 （ 4）當(dāng)蓄電池處于浮充充電狀態(tài) 時電壓值控制在 左右。 （ 1） 要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池 電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成點亮損耗。 設(shè)計主要任務(wù) 本設(shè)計研究確定了一種基于 STC 單片機(jī)的太陽能充放電控制器的方案，在太陽能對蓄電池的充電方式、控制器的功能要求和 電路保護(hù) 方面做了分析，完成了 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計和 軟件編程 ，實現(xiàn)了對蓄電池的科學(xué)管理，并將充 放 電控制器應(yīng)用于太陽能路燈 或其他負(fù)載，實現(xiàn)了控制 功能。 另一方面， 當(dāng)蓄電池給負(fù)載供電時， 由于控制器不能 時刻檢測蓄電池 的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過放電，將會導(dǎo)致蓄電池的深度放電， 嚴(yán)重影響其壽命。 目前，控制器常用的蓄電池 充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。同時太陽能充放電控制器還控制蓄電池對負(fù)載的供電，保護(hù)蓄電池和負(fù)載電路，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，由此可見，控制器具有舉足輕重的作用。但只有當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中保持蓄電池沒有過充電，也 沒有過放電，才能使蓄電池的使用壽命延長，效率也得以提高，因此 必須 對工作過程加以研究 分析 而予以控制，這種情況下太陽能充電控制器應(yīng)運(yùn)而生。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣山東科技大學(xué)課程設(shè)計 2 泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個方面。 太陽能充放電控制器現(xiàn)狀 （ 1） 太陽能光伏發(fā)電 太陽能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢，所以世界各國都在努力研發(fā)新技術(shù)進(jìn)行獲取，比較成熟的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。為了更高效的利用太陽能，白天 可 將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將電能儲存起來，需要用電時即可由蓄電池供電。年日照時數(shù)在 2200 小時以上的地區(qū)約占國土面積的 2／ 3 以上。 我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。 （ 4） 巨大性。 （ 3） 長久性。 （ 2） 無害性。 而且太陽輻射能與煤炭、石油等常規(guī)能源 相比較， 更有 如下的優(yōu)點： （ 1） 普遍性。而太陽能則 不同，任何自家用戶只要找到一個有陽光照射到的窗戶都可以裝置太陽能極板作輔助能源，幾百元投資便可以架設(shè)。 新 能源包括水能、風(fēng)能、太陽能等。 同時，以煤、石油作為燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)已經(jīng)開始造成全球變暖，即“溫室效應(yīng) ，人類的生活將會由此受到很大的威脅。山東科技大學(xué)課程設(shè)計 III 目 錄 1 緒論 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