【正文】 ntrol strategy, programming the microcontroller output PWM control signal, by controlling the photocoupler onoff the control MOSFET opening and closing, to control battery charging and discharging purposes, and in accordance with the functional requirements implemented the battery over charge, over discharge protection and short circuit protection. Experiments show that the controller performance, high reliability, can always monitor the state of solar panels and batteries to achieve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life. Keywords: charge controller。 PWM pulse width modulation。 伴隨著世界能源危機的日益嚴重，石油價格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經(jīng) 不能適應(yīng)世界經(jīng)濟快速增長的需要，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的問題。 這些難題 迫使政府和社會在發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。雖然風能或水能等更加便宜，但是大多數(shù)的自家用戶卻都不可能找到適當場合進行架設(shè)， 架設(shè)成本較高。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源專家也認為，太陽能將成為 21 世紀最重要 也 最有前景 的能源之一。 地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運輸 ，容易獲取 。 利用太陽能作為能源，沒有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒有噪聲，不會污染環(huán)境，沒有公害 ，清潔干凈 。 只要有太陽，就有太陽能 ，因此太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。 一年內(nèi)到達地面 的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。全國各地的年太陽輻射總量 3340． 8400MJ／ m2，中值為 5852MJ／ m2。 我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等省 ， 年日照時間長，這些地區(qū)面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區(qū)傳統(tǒng)的供電設(shè)施建設(shè)成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當?shù)卣浞掷锰柲馨l(fā)電解決 無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。 總體看來我國太陽能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽能資源，采用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，可以節(jié)約能源，發(fā)展經(jīng)濟，提高人民生活水平。太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認為是當前世界最有發(fā)展前 景的新能源技術(shù)。 在進行太陽能光伏發(fā)電時，由于一般太陽能極板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接將太陽能極板應(yīng)用于負載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯Φ揭欢ǖ膬δ茉O(shè)備中，如鉛酸蓄電池。 （ 2）充電控制器的作用及現(xiàn)狀 太陽能充 電控制器具備充電控制、過充保護、過放保護、防反 接保護及短路保護等一系列功能，解決了這一難題，這樣控制器在這個過程中起著樞紐作用，它控制太陽能極板對蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長蓄電池的使用壽命。 市 目前 場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對于蓄電池的保護不夠充分，不合適的充放電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。 但是這些方法由于 充電方式單一加上控制策略不夠完善 ，都存在一定的局限性 。 所以，如何改善太陽充控制器的充放電方式，開發(fā)性能優(yōu)良的 充放電 控制器，提高其在實際應(yīng)用中的效率， 成為了一個重要的研究方面 。 這里以充 /放電最大電流 10A，額定電壓 12V 控制器系統(tǒng)為例， 其實現(xiàn)的主要功能如下。 （ 2） 當蓄電池電壓低于 時，自動關(guān)斷負載（欠壓關(guān)斷），同時有報警功能； （ 3） 當蓄電池電壓高于 ，自 動關(guān)斷負載（過壓 關(guān)斷）和充電電路 ，同時有報警功能 。 （ 5） 當用戶將太陽能電池板接反至控制器時， 具有保護控制器不被毀壞 的功能 ； （ 6） 當用戶將蓄電池接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被毀壞的功能。 這里以太陽能充電控制器應(yīng)用于太陽能 光伏發(fā)電路 燈系統(tǒng)為例，對 系統(tǒng) 各個組成部分的主要功能做詳細的分析說明。太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖21 所示。系統(tǒng)各個部分的控制功能全由充電控制器來完成。 具有很強的光伏效應(yīng)半導(dǎo)體材料，當吸收一定能量的光子后其內(nèi)部導(dǎo)電的載流子 電子和空穴 分布和濃度發(fā)生變化。 在這個過程中，光電池本身不發(fā)生任何化學反應(yīng)，也沒有轉(zhuǎn)動磨損，因此使用太陽能電池的過程中沒有噪聲，沒有環(huán)境污染，這是其他方式發(fā)電所不能比擬的。 太陽能充電控制器最主要的功能是控制太陽能極板對蓄電池的充電，蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，所以在設(shè)計控制器之前需要對蓄電池的原理、充放電過程做一個分析。依據(jù)化學基礎(chǔ)理論：鉛酸蓄電池釋放化學能的過程 (放電過程 )是負極進行氧化，正極進行還原的過程；電池補充化學能的過程 (充電過程 )是負極進行還原，正極進行氧化的過程。實際上 ，蓄電池最重要的指標就是電解液中硫酸根的濃度，因此可以用電池中硫酸溶液的密度 (比重 )來衡量電池充放電的程度。 在獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng) 中，蓄電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分，是對整個系統(tǒng)性能可靠性影響比較 大的部分。蓄電池的存在，可以解決太陽能產(chǎn)生電能和負載用電時間不一致不同步的問題 ，太陽能極板和負載兩者之間電壓不匹配的問題等 ?？刂破骺刂铺柲軜O板對蓄電池的充電，為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電。 充電控制器的 控制策略 作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，蓄電池的壽命短是阻礙整個光伏發(fā)電系統(tǒng)性能和推廣的主要原因之一。依據(jù)這些影響因素，分析蓄電池常見充放電方式局限性，對充放電方式進行了一定的改進。 恒流充電法是通過保持充電電流強度不變 進行充電的方法。 第二種是 階段充電法 。二階段充電山東科技大學課程設(shè)計 5 法是先用恒定電流充電至預(yù)定的電壓值，然后改為恒定電壓完成剩余的充電，一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓；三階段充電法是指在充電開始和結(jié)束時采用恒定的電流充電，中間用恒定的電壓進行充電。 恒壓充電時要嚴格掌握充電電壓，電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，充電電壓過低，蓄電池會充不滿，過高則會造成過量充電。這種充電方法在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，將會影響蓄電池的使用。 PWM 是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 PWM 脈沖 調(diào)制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復(fù)。 PWM 調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。實際也就是以一直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合開關(guān)的控制來改變電壓。 時 間電 壓U0tT 圖 23 輸出電壓波形 針對目前市場上的太陽能充電控制器當蓄電池給負載供電時，沒有 時刻檢測蓄電池的電壓，很容易導(dǎo)致蓄電池的深度放電這個問題，本論文提出時刻在線檢測蓄電池電壓來避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護蓄電池，提高其使用壽命。 本系統(tǒng)以 STC89C52 單片機為 主控芯片 ，利用分壓電路對蓄電池的電壓、進行采樣 ,然后 經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 將檢測 電壓 數(shù)據(jù) 輸入到單片機中進行處理 ， 通過液晶芯片把電壓值顯示出來 方便調(diào)整。 該系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電 ，有效的延長蓄電池的壽命。 太 陽 能電 池 板鉛 酸蓄 電 池主 控 芯 片S T C 8 9 C 5 2 單 片 機充 電 電 路放 電 電 路負 載A / D 轉(zhuǎn) 換電 路液 晶 1 6 0 2電 壓顯 示 電 路A T 2 4 C 0 2數(shù) 據(jù) 存 儲電 路R S 2 3 2串 口 通 信電 路光 耦驅(qū) 動 電 路光 耦驅(qū) 動 電 路 圖 24 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 以上通過對控制器、被控對象蓄電池的分析，結(jié)合硬件資源和軟件控制策略，進行了硬件電路設(shè)計和軟件編程設(shè)計，最終確定整體設(shè)計方案。由于不合適的充放電方式會導(dǎo)致蓄電池的損壞，縮短蓄電池的使用壽命，本論文提出了 PWM 脈寬調(diào)制充電方法，這種充電方法能夠使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，與以前的充電方式相比，提高了蓄電池的充電效率。各個部分的控制功能通過對單片機進行軟件編程來實現(xiàn)。 硬件電路 主 要由以下幾部分組成：單片機最小系統(tǒng) 、 充放電電路、光耦驅(qū)動電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、 LCD 顯示電路、 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲電路、串口通信電路 等。 系統(tǒng) 層次 原理圖 系統(tǒng) 層次 原理圖 如圖 31 所示，電路設(shè)計以 STC89C52 單片機 作為 主控芯片構(gòu)成控制電路模塊對整個電路 控制?？刂?MOSFET 管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，根據(jù) 載荷 變化來調(diào)制 MOSFET 管柵的偏置，達到實現(xiàn)開關(guān)功能。 串口通信 模塊 采用 MAX232 芯片進行 TTL電平和 RS232 電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使 控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控功能，同時方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來，供工作人員查看。 單片機 最小 系統(tǒng) STC89C52 的簡介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash山東科技大學課程設(shè)計 8 存儲器 。 在 芯片 內(nèi)部 ，擁有 很高頻率 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 有效的解決方案 。 STC89C52 具有以下標準功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 STC89C52 常見的是 PDIP 封裝， 是一個有 40 個引腳的芯片，引腳如圖 32 所示。如 VCC、 GND、 XTAL XTAL2。 RST、 PSEN 、 ALE/PROG 、 EA /VPP。如 P0、 P P P3。 晶振工作 時， RST 引 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 （ 2） ALE/PROG ：地址鎖存控制信號 (ALE)是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位山東科技大學課程設(shè)計 9 地址的輸出脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的 振蕩 頻率輸出脈沖，可 作為外部定時器或時鐘使用。這一位置“ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。這個 ALE使能標志位 (地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位 )的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 當 STC89C52 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， PSEN 在 每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN 將不被激活。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器指令 ， EA 必須接 GND。在 flash 編 程期間， EA 也接收 12 伏 Vpp 電壓。本設(shè)計 單片機 最小系統(tǒng)擴展 電路包括上電復(fù)位電路， 時鐘電路 ，工作 指示燈 和蜂鳴器報警電路 等 。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在 ~12MHz 之間選取。 電路中 C C7 是反饋電容，其值在 5pF~30pF 之間選取 ， 本電路選用的電容為 30pF，晶振頻率為 。其主要功能是把 PC初始化為 0000H，使單片機從 0000H單元開始執(zhí)行程序。 單片機的復(fù)位電路如圖 34 所示。按鈕復(fù)位是當按鈕按下后，電源通過電阻 R14 施加到復(fù)位端上，實現(xiàn)單片機復(fù)位。一個單片機系統(tǒng)能否正常運行，首先要檢查是否能復(fù)位成功。 （ 3） 工作狀態(tài)指示燈 電路 本設(shè)計 可以時刻檢測蓄電池電壓，為了更好 的進行監(jiān)控，要對 整個 電路的工作狀態(tài)進行指示 ， 這是很有必要的。 其中 LED1 為正常充電 指示燈， LED2 為過壓指示燈， LED3 為欠壓指示燈。 330R23LED1LED2LED3330R24330R25VCCLED1LED2LED3 LS1BellVCCQ5NPN85501KR26beep 圖 35 工作狀態(tài)指示燈電路 圖 36 蜂鳴器報警電路 （ 4） 蜂鳴器報警電路 報警電路采用蜂鳴器來發(fā)出報警聲音，由于 STC89C52 輸出引腳 的驅(qū)動能力較弱，所以蜂鳴器要加三極管 進行 驅(qū)動 。 蜂鳴器報警 電路 圖如圖 3