【正文】 機(jī)控制，兩塊單片機(jī)之間可相互通信，來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。其中buck變換器用于給電容充電，boost變換器用于給鋰電池充電和負(fù)載供電，鋰電池，超級(jí)電容用于給負(fù)載供電，考慮到鋰電池的充放電特性，及負(fù)載啟動(dòng)，制動(dòng)的特性，超級(jí)電容主要作用就是提供負(fù)載啟動(dòng)時(shí)所需電流，及吸收制動(dòng)時(shí)所能量回饋產(chǎn)生的沖擊電流。4. 控制負(fù)載工作時(shí)，供電對(duì)象的選擇及切換。 第2章 基于太陽(yáng)能電池板充電系統(tǒng)控制工作原理 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)總體框圖該系統(tǒng)中鉛酸電池用于給負(fù)載供電，超級(jí)電容主要是提供電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的大電流，和吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)的反饋能量。Boost 變換器可用來(lái)給鉛酸電池充電，也可用來(lái)給超級(jí)電容充電，光照充足時(shí)還可直接用來(lái)給負(fù)載供電。 系統(tǒng)工作原理整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分之間協(xié)同工作需根據(jù)負(fù)載的工作狀態(tài)及光伏電池的能量輸出狀態(tài)來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)兩個(gè)DCDC變換器之間的單片機(jī)相互通信，根據(jù)對(duì)方控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)來(lái)控制自身的工作狀態(tài)，相互之間協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。分析系統(tǒng)的工作模式，能量流向。Buck變換器單片機(jī)控制電路檢測(cè)電容充電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到buck變換器對(duì)電容充電完成時(shí)，斷開(kāi)buck變換器與光伏電池的連接，準(zhǔn)備進(jìn)入系統(tǒng)下一狀態(tài)——光伏電池通過(guò)boost變換器給鉛酸電池充電。當(dāng)boost變換器單片機(jī)控制電路檢測(cè)到鉛酸電池充電完成時(shí)，boost變換器輸出切換到超級(jí)電容，給超級(jí)電容充電。②電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)：電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流，由超級(jí)電容供給。 ③電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定工作：電機(jī)正常工作時(shí)，由光伏電池通過(guò)boost變換器及鉛酸電池共同給負(fù)載供電。④電機(jī)制動(dòng)：電機(jī)制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的反饋電流，此時(shí)超級(jí)電容與電機(jī)連接，用來(lái)吸收這部分能量。 繼電器控制連接框圖 繼電器SW1，SW3，SW4由boost控制器控制；繼電器SW2，SW5，SW6，SW7由buck控制器控制。 系統(tǒng)工作模式由繼電器控制連接框圖可知，要想系統(tǒng)正常有序運(yùn)行，必須合理、準(zhǔn)確控制各個(gè)繼電器的狀態(tài)及系統(tǒng)中各個(gè)模塊的工作模式。以下部分主要介紹系統(tǒng)的各種工作模式的模式框圖及工作單元。下面先分析系統(tǒng)處于充電狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，充電的對(duì)象有超級(jí)電容和鉛酸電池，變換器由buck變換器和boost變換器兩種，由于buck變換器只能用來(lái)給超級(jí)電容充電，而boost變換器可用來(lái)給超級(jí)電容和鉛酸電池充電，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，工作模式有3種。 Mode1下能量流向圖 該工作模式下，buck變換器工作于恒流模式給超級(jí)電容充電，同時(shí)系統(tǒng)中單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)超級(jí)電容的充電狀態(tài)，當(dāng)超級(jí)電容經(jīng)buck變換器額充電完成時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)外界控制信號(hào)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到其他工作模式。 Mode2下能量流向圖該工作模式下，boost變換器工作于恒流模式，單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)鉛酸電池的充電狀態(tài)。Mode3：光伏電池經(jīng)boost變換器給超級(jí)電容充電的工作模式。模式之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)，必須十分注意此順序，轉(zhuǎn)換到該模式時(shí)，軟件控制中，也需檢測(cè)輸入電壓和超級(jí)電容的電壓，來(lái)判斷是否可以進(jìn)行該模式轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)處于該狀態(tài)下時(shí)，吸收能量的只有電機(jī)負(fù)載，提供能量的有太陽(yáng)能電池板、鉛酸電池和超級(jí)電容。Mode4：電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，光伏電池、超級(jí)電容及鉛酸電池一同給負(fù)載供電的工作模式。 Mode4下能量流向圖該工作模式下，由于電機(jī)啟動(dòng)電流較大，需要超級(jí)電容為其提供啟動(dòng)過(guò)程中所需的大電流，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將超級(jí)電容從電路中切除，轉(zhuǎn)換到另一工作模式。Mode5：電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，光伏電池和鉛酸電池給負(fù)載供電的工作模式。 由于電機(jī)還有制動(dòng)這一工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，處于發(fā)電狀態(tài)，為了充分利用能量，可用超級(jí)電容來(lái)吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)的能量回饋。 模式6下能量流向圖 當(dāng)系統(tǒng)各模塊均不工作時(shí)，系統(tǒng)處于停止模式，記該模式為Mode7。參見(jiàn)繼電器控制連接框圖繪制表格表明各個(gè)工作模式下繼電器的狀態(tài)如下： 各工作模式下繼電器狀態(tài)表SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7Mode1OFFON觸點(diǎn)2觸點(diǎn)4OFF OFF觸點(diǎn)6Mode2ONOFF 觸點(diǎn)1觸點(diǎn)4OFFOFF觸點(diǎn)5Mode3ONOFF觸點(diǎn)2觸點(diǎn)3OFFOFF觸點(diǎn)6Mode4ONOFF觸點(diǎn)1觸點(diǎn)4ONON觸點(diǎn)5Mode5ONOFF觸點(diǎn)1觸點(diǎn)4ONOFF觸點(diǎn)5Mode6OFFOFF 觸點(diǎn)2觸點(diǎn)4OFFON觸點(diǎn)5Mode7OFFOFF觸點(diǎn)2觸點(diǎn)4OFFOFF觸點(diǎn)5 表明了系統(tǒng)在各種工作模式下時(shí)，各繼電器的開(kāi)端狀態(tài)或觸點(diǎn)連接狀態(tài)，由表可清楚看出系統(tǒng)在不同模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)繼電器狀態(tài)的變化，由于系統(tǒng)在模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中各個(gè)模塊之間連接順序不是隨意的，繼電器切換的過(guò)程還需要根據(jù)繼電器連接框圖確定具體的切換順序。 各工作模式間轉(zhuǎn)換時(shí)繼電器操作順序根據(jù)上表可知，系統(tǒng)處于不同的工作模式下時(shí)，對(duì)應(yīng)著不同的繼電器狀態(tài)，切換系統(tǒng)的工作模式時(shí)，就必須控制繼電器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程的步驟不是隨意的，否則可能會(huì)使得系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)不可知的狀態(tài)，造成系統(tǒng)的功能紊亂，嚴(yán)重時(shí)可能還會(huì)造成系統(tǒng)短路，損壞系統(tǒng)。下面分析負(fù)載處于不同的工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的工作模式以及相應(yīng)模式的切換。buck變換器對(duì)超級(jí)電容的充電完成時(shí)，系統(tǒng)切換工作模式，進(jìn)入Mode2，即光伏電池通過(guò)boost變換器對(duì)鉛酸電池充電。超級(jí)電容的電壓達(dá)到boost變換器輸出電壓上限時(shí)，停止充電，系統(tǒng)切換到停止模式。（1）系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入Mode1，即由停止模式進(jìn)入光伏電池經(jīng)buck變換器給超級(jí)電容充電。分析各工作模式下繼電器狀態(tài)表可知：由Mode7到Mode1的轉(zhuǎn)換只有SW2，SW7的狀態(tài)發(fā)生了變化。該轉(zhuǎn)換過(guò)程SW1，SW2，SW3，SW7狀態(tài)均發(fā)生了變化。該轉(zhuǎn)換過(guò)程SW3，SW4，SW7狀態(tài)發(fā)生變化。該轉(zhuǎn)換過(guò)程SW2，SW7的狀態(tài)發(fā)生變化。該轉(zhuǎn)換過(guò)程SW1，SW3的狀態(tài)發(fā)生變化。該轉(zhuǎn)換過(guò)程SW1，SW4，SW7的狀態(tài)發(fā)生變化。負(fù)載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)停止： 負(fù)載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)停止所有可能模式轉(zhuǎn)換圖電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流，此時(shí)工作于Model4，由鉛酸電池，超級(jí)電容，光伏電池經(jīng)boost變換器同時(shí)給負(fù)載供電，超級(jí)電容主要是為了提供電機(jī)啟動(dòng)所需的電流。當(dāng)接受到制動(dòng)命令式，系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，即工作模式Mode6，此過(guò)程可能發(fā)生在系統(tǒng)啟動(dòng)或穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中。（1）系統(tǒng)啟動(dòng)到Model4，即由停止模式進(jìn)入電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)模式，此切換過(guò)程即由Model7切換到Model4，SW1，SW3，SW5，SW6狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：①合上SW1②SW3接觸點(diǎn)1③閉合SW6，SW5（2）Model4轉(zhuǎn)換到Model5，即電機(jī)啟動(dòng)模式進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行模式，此時(shí)切除超級(jí)電容對(duì)負(fù)載的供電。操作步驟：①斷開(kāi)SW5②斷開(kāi)SW1③SW3接觸點(diǎn)2（4）Mode5轉(zhuǎn)換到Mode6，即電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行到制動(dòng)模式，此時(shí)SW1，SW3，SW5，SW6狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開(kāi)SW6。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各種工作模式，各種工作模式下的控制狀態(tài)，以及不同狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的控制操作。第3章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)供電采用光伏電池板，光伏電池板一種通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。本課題中單片機(jī)采用的是飛思卡爾的8位單片機(jī)MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成員，提供多種模塊，內(nèi)存大小和封裝類(lèi)型[[] MC9S08SG32 Microcontroller 數(shù)據(jù)手冊(cè)［K］,2012.]。該單片機(jī)包含模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、IIC總線、時(shí)鐘模塊MTIM、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、脈寬調(diào)制模塊TPM等等[6]，完全滿足該課題的需求。本課題采用的是buck和boost變換電路。這里復(fù)位電路為上電復(fù)位。方便程序的運(yùn)行調(diào)試。 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信模塊電路圖[[] [M].北京:高等教育出版社,2009:224265.]串口模塊可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，單片機(jī)可將采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)顯示，方便程序的運(yùn)行調(diào)試。該通信電路也可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的通行，由于該系統(tǒng)需要兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)同工作，該模塊可為兩者提供一個(gè)通信通道，完成數(shù)據(jù)的傳送與交換。 開(kāi)關(guān)量輸入隔離模塊電路圖引入開(kāi)關(guān)量是為了方便對(duì)系統(tǒng)電路的控制，這里采樣TLP5214 芯片將輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)與單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行隔離，是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)這里結(jié)點(diǎn)I_OUT2接PWM控制電路形成一個(gè)閉環(huán)以穩(wěn)定輸出電流。輸入、輸出出電壓采樣電路如下： 輸入電壓，輸出電壓采樣模塊電路圖 TL494輸出PWM控制 驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM控制電路，單片機(jī)通過(guò)TL494死區(qū)控制調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓電流。 主回路繼電器控制 主回路繼電器控制電路圖[[] 胡斌,吉玲,[M].:人民郵電出版社,2012.]單片機(jī)可通過(guò)控制端口電平來(lái)控制繼電器的通斷，來(lái)控制主回路的通斷。第4章 系統(tǒng)軟件控制方法分析 軟件編程環(huán)境介紹 本課題設(shè)計(jì)采用的是飛思卡爾的一款8位的單片機(jī)，型號(hào)為MC9S08SG16。它是一個(gè)單一的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。無(wú)需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。項(xiàng)目管理器可為軟件開(kāi)發(fā)人員處理最高級(jí)別的文件管理；文本編輯器支持源代碼和其他文本文件的創(chuàng)建和處理；搜索引擎可查找特定的文字串以提到文字替換找到的文字；源瀏覽器可用來(lái)保存用于程序的符號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)；構(gòu)建系統(tǒng)使用編譯器從源代碼生成可重新定位的目標(biāo)代碼，并使用鏈接器從目標(biāo)代碼生成最后的可執(zhí)行圖像；源級(jí)別調(diào)試器提供高性能窗口的源級(jí)別調(diào)試器，配備最新的高效率增強(qiáng)型圖形性能；指令組模擬器用于jumpstarting應(yīng)用開(kāi)發(fā)的集成指令組模擬器。兩個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)需要相互配合來(lái)完成相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。繼電器SW2,SW5,SW6,SW7由buck變換器上單片機(jī)控制系統(tǒng)控制，SW1,SW3,SW4由boost變換器上單片機(jī)控制系統(tǒng)控制。Buck變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程： buck控制器總體流程框圖[[] 何欽銘,[M].第一版北京:高等教育出版社,2008:40208.]檢測(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck控制器流程框圖1[[] (第三版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.]檢測(cè)buck開(kāi)關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck控制器流程框圖2檢測(cè)boost開(kāi)關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： buck變換器流程框圖3以上整體流程圖為buck變換器控制的流程圖，系統(tǒng)啟動(dòng)之后，開(kāi)始檢測(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)控制量，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載開(kāi)關(guān)閉合，并且處于停止模式，則進(jìn)入負(fù)載電機(jī)啟動(dòng)模式。啟動(dòng)電機(jī)之后一定時(shí)間，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)切換到Mode5，掃描負(fù)載開(kāi)關(guān)量，若開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，需根據(jù)當(dāng)前工作模式進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)把模式狀態(tài)位置為相應(yīng)的模式，指示系統(tǒng)的工作模式，控制系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換。接下來(lái)buck控制器檢測(cè)其控制開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，若閉合，則代表下一步進(jìn)入充電狀態(tài)。總而言之，系統(tǒng)控制的邏輯就是工作在一種模式下時(shí)，檢測(cè)是否向其他模式的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，不滿足保持當(dāng)前的工作模式，同時(shí)繼續(xù)檢測(cè)模式轉(zhuǎn)換的條件，當(dāng)檢測(cè)到模式轉(zhuǎn)換的條件滿足時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換操作。下面是各個(gè)模式之間的轉(zhuǎn)換條件