【正文】 ............................................................ 7 8051 單片機(jī) ......................................................................................................... 7 ADC0809 逐次逼近式 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ............................................................ 8 ADC0809 特性介紹 ...................................................................................... 8 與單片機(jī)的連接 ........................................................................... 9 顯示接口電路 ..................................................................................................... 9 分頻電路 ............................................................................................................ 10 模擬量輸入電路 ................................................................................................ 11 光電隔離器工作電路 ....................................................................................... 11 逆變電路 ............................................................................................................ 12 6 軟件設(shè)計(jì) .................................................................................................................. 14 7 抗干擾問題 .............................................................................................................. 14 結(jié)論 .............................................................................................................................. 15 致謝 .............................................................................................................................. 15 參考資料 ...................................................................................................................... 17 附錄 1........................................................................................................................... 18 附錄 2........................................................................................................................... 19 1 1 緒論 電力在現(xiàn)實(shí)生活中占主導(dǎo)地位，但是受客觀環(huán)境的限制，有些地區(qū)根本無法實(shí)現(xiàn)電業(yè)的發(fā)展和建設(shè)。在太陽光資源和風(fēng)資源豐富的地區(qū) ,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與單一風(fēng)電系統(tǒng)和光電系統(tǒng)相比具有供電的連續(xù)性好、穩(wěn)定性和可靠性高等特點(diǎn) ,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是相對較好的獨(dú)立電源系統(tǒng) ,已經(jīng)在我國的西部很多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用 ,解決了農(nóng)牧民的用電問題 。它既不消耗任何礦物燃料，又完成了對自然能源的合理利用。而且為了適應(yīng)偏遠(yuǎn)地區(qū)不便利的地理環(huán)境。尤其適合在內(nèi)蒙古風(fēng)力大的偏遠(yuǎn)山區(qū)。無論是怎樣的環(huán)境和用電要求，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)都可 做出 最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來滿足用戶的要求。這種合理性既表現(xiàn)在資源配置上，又體現(xiàn)在技術(shù)方案和性能價(jià)格上，正是這種合理性保證了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的 可靠性，從而為它的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽能及蓄電池等多種能源發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。具有機(jī)械、電子剎車裝置，可以確保在高風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在安全可靠的范圍內(nèi)，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓 [2]。 太陽能電池 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 微機(jī)控制系統(tǒng) 逆變器 蓄電池 2 太陽能光電池板：采用 100W/14V ， ㎡的硅光電池，它能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，屬于一種半導(dǎo)體元件，它的特點(diǎn)：它是轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 15%的單晶硅太陽能電池板。 鉛酸蓄電池：蓄電池的選擇要求：重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換率高、自放電慢、充放電循次數(shù)多（即使用壽命長）等。 微機(jī)控制系統(tǒng)：微機(jī)控制系統(tǒng)是整個設(shè)計(jì)的 核心內(nèi)容。另外本系統(tǒng)受應(yīng)用環(huán)境的要求，本身就要求實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。例如在本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中有蓄電池電壓控制，因?yàn)橹绷鞒潆姷男铍姵兀箅妷嚎刂圃?10～ 12～ 16V之間，才能安全使用，不至于被燒壞。而且一旦出錯就要有報(bào)警顯示。 逆變器 ： 逆變系統(tǒng)是把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的 220V 交流電，保證交流電在設(shè)備的正常使用。對一個風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器是一種電力電子設(shè)備，抗過載，抗沖擊的能力要相對弱一些，是最易出故障的單元。目前世界各國正在研究的太陽電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價(jià)格更便宜。 太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換是應(yīng)用 PN 結(jié)的光伏效應(yīng) （ Photovoltaic Effect） 。如圖 2 所示，為一理想的 PN 結(jié)二極管的電流 電壓（ IV）特性圖，其對應(yīng)的方程式如下： ???????? ?????????????????? ???????? ?? 1e xp1e xpTpnspnspn nVVInk TqVII （ 1） 3 Ipn， Vpn： PN 結(jié)二極管的電流及電壓 k：波爾茲曼常數(shù)（ Boltzmann Constant： 1023J/K） q：電子電荷量（ 1019 庫侖） T：絕對溫度（凱氏溫度 K＝攝氏溫度＋ 273 度） Is：等效二極管的逆向飽和電流 VT：熱電壓（ Thermal Voltage： ） 太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能是依賴自然光中的的量子 光子（ Photons），而每個光子所攜帶的能量為 Eph： ? ? ?? hcEph ? （ 2） h：普郎克常數(shù)（ Planck Constant： 1015eV 當(dāng)光子所攜帶的能量大于禁帶（ Band Gap）能量時，電子由價(jià)電帶（ Valence Band）躍遷至導(dǎo)電帶（ Conduction Band）而產(chǎn)生所謂的“電流”，所以當(dāng)光子所攜帶的能量若大于禁帶能量時，便可以通過光電子轉(zhuǎn)換成電能 。 如果位太陽電池開路，即組成電池回路中，負(fù)載電阻為無窮大，則被 PN結(jié)分開的電子和空穴，就會全部積累在 PN 結(jié)附近，于是出現(xiàn)了最大光生電動 4 勢，它的數(shù)值即為開路電壓，記作 Voc。 太陽能電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄 PN結(jié)的大面積的等效二極管，因此可以假設(shè)太陽能電池為一個二極管與太陽光電流發(fā)生源所并聯(lián)的等效電路，如圖 3 所示。太陽能發(fā)電功率量值取決于負(fù)載 24h 所能消耗的電力 H(WH)，由負(fù)載額定電源與負(fù)載 24h 所消耗的電力，決定了負(fù)載 24h 消耗的容量 P(AH)，再考慮到平均每天日照時數(shù)及陰雨天造成的影響，計(jì)算出太陽能電池陣列工作電流 IP(A)。 太陽能電池陣列的具體設(shè)計(jì)步驟如下： 計(jì)算負(fù)載 24h 消耗容量 P。 計(jì)算太陽能陣列工作電流。 鎘鎳 (ＧＮ )和鉛酸 (ＣＳ )蓄電池的單體浮充電壓分別為 ～ 和 。 VT=(T25)VF （５） 計(jì)算太陽能電池陣列工作電壓 VP。 WP=IPUP （７） 根據(jù) VP、 WP 在硅電池平板組合系列表格， 確定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的串聯(lián)塊數(shù)和并聯(lián)組數(shù)。由圖可知，該伏安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性。太陽電池陣列額定功率的單位為 “峰瓦 ”，記以 “WP”。 圖 4 太陽電池陣列的伏安特性曲線 溫度和日照強(qiáng)度的變化對太陽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 (如太陽電池溫度和大氣質(zhì)量等 )不變的情況 下。按每日有效日照時間為 6 小時計(jì)算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應(yīng)為888Wh/6h/70%=210W。 4 蓄電池的工作特性 蓄電池的使用 ,最重要的是有效利用其充放電特性。目前，絕大多數(shù)的太陽能控制器采用的是在線檢測蓄電池的端電壓 ,并以此作為自動切換充電方法的依據(jù)。比如，當(dāng)系統(tǒng)所處溫度較高時，容易出現(xiàn)蓄電池容量未滿卻已不能充入的現(xiàn)象，即 “虛滿 ”，這樣就很難檢測出蓄電池的準(zhǔn)確荷電狀 態(tài)，影響整個系統(tǒng)的正常工作。在鉛酸蓄電池的理論中，蓄電池的電動勢可表示為： )( )(ln0 242 OH SOHnFRTEE ???? （ 8） 式中 :E——電池電動勢， (V) E0——所有反應(yīng)物的活度或壓力等于 1 時的電動勢，稱為標(biāo)準(zhǔn)電動勢 (V)。 從 (8)式可以看出，電動勢與硫酸濃度有關(guān)，也就是與荷電狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，蓄電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓與其荷電狀態(tài)有良好的線性關(guān)系。 蓄電池的容量計(jì)算 蓄電池的容量由下列因素決定： 蓄電池單獨(dú)工作天數(shù)。 蓄電池每天放電量。 蓄電池要有足夠的容量，以保證不會因過充電所造成的失水。 蓄電池自身漏掉的電能。對于新的電池自放電率通常小于容量的 5%，但對于舊的質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月 10%～ 15%。由于對同一個電池采用不同的放電參數(shù)所得出的 Ah 是不同的，為了便于對電池容量進(jìn)行描述、測量和比較，必須事先設(shè)定統(tǒng)一的條件。也可以說電池容量是：用設(shè) 定的電流把電池放電至設(shè)定的電壓所經(jīng)歷的時間和這個電流的乘積由于要一天工作 8 小時，陰雨天能連續(xù)工作 三 天，所以可得出太陽能蓄電池的容量。采用全密閉免維護(hù) 12V 鉛酸蓄電池 ,由于 蓄電池放電不能低于 10V 充電不高于 16V。此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板和蓄電池又共同為直流負(fù)載供電（風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過三相整流后便為直流）。為保護(hù)系統(tǒng) ,增加了二極管 Da 和 Db，它們的作用如下： Da 的作用是三相整流的二極管組。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的是三相交流電。 Db 的作用是防止在光電板內(nèi)產(chǎn)生倒向電流，使得光電板遭到破壞。 由于體積小，使得它在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備，過程及工業(yè)控制設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有很 8 好的可靠性。本設(shè)計(jì)主要采用 8051 單片機(jī)作為微機(jī)控制的核心。它的內(nèi)部只有 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 4K 存儲器 （ ROM） 。他們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成。采用了特殊功能寄存器（ SFR）的集中控制方法。 ADC0809 是 CMOS 單片型逐次逼近式 A／ D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 6 所示，它由 8 路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 8 位開關(guān)樹型 D／ A 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄 存器、三態(tài)輸出鎖存器等其它一些電路組成。輸入輸出與 TTL 兼容 [11]。轉(zhuǎn)換器以 8 個時鐘周期的時間完成一位轉(zhuǎn)換值，在 64 個脈沖后完成 8 位的轉(zhuǎn)換，時鐘由外電路提供，典型頻率為 640KHz， 8 路模擬開關(guān)由 3 位二進(jìn)制信息控制，以完成對某一路模擬信號轉(zhuǎn)換。 9 ADC 0809 通過引腳 IN0, IN1,…, IN 7可輸入 8 路單邊模擬輸入電壓。 首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。直到 A／ D 轉(zhuǎn)換完成， EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A／ D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。 與 單片機(jī) 的連接 8051 通過 74LS138 譯碼器的輸出端 5Y 和讀、寫控制線來控制轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道地址鎖存、啟動和輸出允許。