太阳能充放电控制器设计课程设计.docx

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太阳能充放电控制器设计课程设计

太阳能充放电控制器设计_课程设计

太阳能充放电控制器设计

摘要

太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。

目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。

本设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。

在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的高效率管理。

在总体方案的指导下，本设计使用低功耗、高性能，超强抗干扰的STC89C52单片机作为核心器件对整个电路进行控制。

系统硬件电路由太阳能电池充放电电路，电压采集和显示电路，单片机控制电路和RS232串口通信电路组成，主要实现对蓄电池电压的采集和显示。

软件部分依据PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出PWM控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制MOSFET管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。

实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。

关键词：

充电控制器；太阳能光伏发电；PWM脉宽调制；

Abstract

Solarphotovoltaicpowergenerationhasbecomeanimportantpartofnewenergyandrenewableenergy,itisconsideredthecurrentworld'smostpromisingnewenergytechnologies.Atpresentsolarphotovoltaicdevicehasbeenwidelyusedincommunications,transport,electricityandotheraspects,thecorepartisthechargecontroller.

Theconventionalchargecontrolleronthemarkettodayonthebatterychargeanddischargecontrolisunreasonable,anditsprotectionisalsoinadequate,whichsmakesthebatterylifetoshorten.Tosolvethisproblem,thedesignidentifiesasolarchargecontrollerbasedonsinglechipsolution.Inthesolarenergytobatterychargeanddischargemeans,thecontrollerofthefunctionalrequirementsandthepracticalapplicationaspects,makingsomeanalysis,completedthehardwarecircuitdesignandsoftwaredevelopment,toachievethehighefficiencyofthebatterymanagement.

Undertheguidanceoftheoverallprogram,thedesignuseslow-power,highperformance,superanti-jammingSTC89C52microcontrollerasacoredevicetocontroltheentirecircuit.Hardwarecircuitconsistsofasolarbatterycharginganddischargingcircuit,voltageacquisitionanddisplaycircuit,theMCUcontrolcircuitandRS232serialcommunicationcircuit,themainachievementoftheacquisitionanddisplaybatteryvoltage.SoftwareisbasedinpartonPWMPulseWidthModulationpulsewidthmodulationcontrolstrategy,programmingthemicrocontrolleroutputPWMcontrolsignal,bycontrollingthephotocoupleron-offthecontrolMOSFETopeningandclosing,tocontrolbatterycharginganddischargingpurposes,andinaccordancewiththefunctionalrequirementsimplementedthebatteryovercharge,overdischargeprotectionandshortcircuitprotection.Experimentsshowthatthecontrollerperformance,highreliability,canalwaysmonitorthestateofsolarpanelsandbatteriestoachieveoptimalcontrolofbatterychargeanddischarge,toprolongbatterylife.

Keywords:

chargecontroller;solarphotovoltaic;PWMpulsewidthmodulation;

目录

1绪论1

1.1课题研究背景和意义1

1.2太阳能充放电控制器现状2

1.3设计主要任务3

2太阳能充电控制器的总体设计方案4

2.1太阳能路灯系统基本结构4

2.2充电控制器的控制策略6

2.3控制器的整体设计方案8

3太阳能充电控制器的硬件电路设计10

3.1系统层次原理图10

3.2单片机最小系统11

3.2.1STC89C52的简介11

3.2.2单片机的最小系统及扩展电路13

3.3充放电电路15

3.4光耦驱动电路16

3.5A/D转换电路16

3.5.1ADC0804的简介17

3.5.2ADC0804外围接线电路18

3.6LCD显示电路20

3.7E2PROM数据存储电路21

3.8串口通信电路22

4太阳能充电控制器的软件设计26

4.1系统主程序设计26

4.2电压采集转换模块27

4.3显示模块28

4.4数据存储模块31

4.5软件调试和仿真33

5总结与展望36

5.1设计总结36

5.1展望37

参考文献38

致谢39

附录Ⅰ源程序40

附录Ⅱ硬件电路图54

1绪论

1.1课题研究背景和意义

能源资源是国民经济发展的重要基础之一，随着人民生活水平的不断提高和科学技术的迅速发展，能源的缺口增大，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的一大因素摆在了人们面前。

伴随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已经不能适应世界经济快速增长的需要，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的问题。

同时，以煤、石油作为燃料在燃烧过程中产生的有害物质已经开始造成全球变暖，即“温室效应"，人类的生活将会由此受到很大的威胁。

这些难题迫使政府和社会在发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。

新能源包括水能、风能、太阳能等。

虽然风能或水能等更加便宜，但是大多数的自家用户却都不可能找到适当场合进行架设，架设成本较高。

而太阳能则不同，任何自家用户只要找到一个有阳光照射到的窗户都可以装置太阳能极板作辅助能源，几百元投资便可以架设。

所以综合考虑，太阳能无疑是符合我国可持续发展战略的理想绿色能源，全球能源专家也认为，太阳能将成为21世纪最重要也最有前景的能源之一。

而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点：

（1）普遍性。

地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。

（2）无害性。

利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。

（3）长久性。

只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。

（4）巨大性。

一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。

我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。

全国各地的年太阳辐射总量3340．8400MJ／m2，中值为5852MJ／m2。

年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2／3以上。

我国的西部地区，包括西藏、新疆、青海、内蒙古等省年日照时间长，这些地区面积宽广、人口密集低，在一些偏僻的地区传统的供电设施建设成本高，电能的供需矛盾显得十分突出，因此当地政府充分利用太阳能发电解决无电地区的用电具有重大的战略意义。

为了更高效的利用太阳能，白天将太阳能转化为电能，利用蓄电池将电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。

2太阳能充电控制器的总体设计方案

在确定设计方案之前，需要结合应用实例，进行一定的综合分析，更加明确控制器的作用，最后来确定整体方案。

这里以太阳能充电控制器应用于太阳能光伏发电路灯系统为例，对系统各个组成部分的主要功能做详细的分析说明。

2.1太阳能路灯系统基本结构

本系统主要针对直流照明路灯进行系统设计，所以构成太阳能路灯系统主要有四大部分组成，即太阳能极板、蓄电池、充电控制器、照明电路。

太阳能路灯系统基本结构如图2-1所示。

图2-1太阳能路灯系统基本结构

从图2-1中可以看出，太阳能极板阵列将太阳能转换为电能并将电能存储到蓄电池中，蓄电池再将存储的电能输出给照明电路供电，完成能量的传递。

系统各个部分的控制功能全由充电控制器来完成。

（1）太阳能电池板

如图2-2所示，太阳能电池板是利用半导体光伏效应制成的，能够直接将太阳辐射转换成电能的器件。

具有很强的光伏效应半导体材料，当吸收一定能量的光子后其内部导电的载流子分布和浓度发生变化。

光照在半导体P/N结上，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

图2-3输出电压波形

针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时，没有时刻检测蓄电池的电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。

2.3控制器的整体设计方案

通过对应用实例的分析，更加明确太阳能充电控制器的在系统中重要性和作用，同时依照其功能要求和改进的控制策略，最后确定了整体设计方案。

本系统以89C52单片机为，利用分压电路对蓄电池的电压、进行采样经过A/D转换输入到单片机中进行处理输出经光耦驱动MOSFET管开启关闭来控制电路。

该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电

图2-4系统整体结构框图

以上通过对控制器、被控对象蓄电池的分析，结合硬件资源和软件控制策略，进行了硬件电路设计和软件编程设计，最终确定整体设计方案。

整体方案设计，讲述了光伏发电技术中最重要部分控制器和蓄电池的作用，控制器主要负责控制太阳能极板对蓄电池的充电以及控制蓄电池对负载的供电。

由于不合适的充放电方式会导致蓄电池的损坏，缩短蓄电池的使用寿命，本论文提出了PWM脉宽调制充电方法，这种充电方法能够使蓄电池有较充分的反应时间，与以前的充电方式相比，提高了蓄电池的充电效率。

同时提出了时刻在线检测蓄电池电压的放电控制方法，避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池。

各个部分的控制功能通过对单片机进行软件编程来实现。

3太阳能充电控制器的硬件电路设计

在整体方案的指导下，依据工程设计的常见思路，本论文从硬件电路设计和软件设计两个方面入手，运用模块化的设计方法去进行控制器的设计。

硬件电路主要由以下几部分组成：

单片机最小系统、充放电电路、光耦驱动电路、A/D转换电路、LCD显示电路、E2PROM数据存储电路、串口通信电路等。

下面先从系统层次原理图入手，对系统原理进行详细的分析，然后再对具体电路地进行一一介绍。

3.1系统层次原理图

系统层次原理图如图所示，电路设计以89C52单片机A/D转换得到一个数字信号的电压值，再将送入到单片机进行处理单片机输出经光耦电路控制MOSFET。

控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制PWM，根据变化来调制MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。

图3-1系统原理图

最后通过通信模块实现数据的传送和保存。

串口通信模块采用232芯片进行TTL电平和RS-232电平之间的转换，加入串口的目的主要是使控制器具有远程通信或远程监控功能，同时方便将每天的异常状态数据记录下来，供工作人员查看。

数据存储电路模块，使得当电压出现异常时，让蜂鸣器报警，同时把异常电压值通过I2C总线存放在E2PROM中，作为以后分析使用。

3.2单片机最小系统

3.2.1STC89C52的简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器使用公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80C51产品指令和引脚完全兼容在芯片，拥有8位CPU和在系统可编程Flash，使得为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案具有以下标准功能8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

是一个有40个引脚的芯片，引脚如图3-所示。

、ALE/、/VPP。

（3）I/O口引脚。

如P0、P1、P2、P3。

图3-2STC89C52引脚图RST：

复位输入。

时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR地址8EH上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/：

地址锁存控制信号ALE是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置1”，ALE操作将无效。

这一位置1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位地址为8EH的SFR的第0位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

：

外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。

当从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器指令，必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，也接收12伏Vpp电压。

单片机电路包括上电复位电路，，指示灯单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz~12MHz之间选取。

时钟电路如图3-3所示。

C6、C是反馈电容，其值在5pF~30pF之间选取本电路选用的电容为30pF，晶振频率为11.0952MHz。

图3-3时钟电路图3-4复位电路

（2）复位电路

复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

单片机的复位电路如图3-4所示。

本系统采用的是上电+电平按钮复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

按钮复位是当按钮按下后，电源通过电阻R施加到复位端上，实现单片机复位。

复位电路虽然简单，但其作用非常重要。

一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。

初步检查可用示波器探头监视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出瞬时的，还可以通过改变复位电路容值进行实验。

图3-5工作状态指示灯电路图3-6蜂鸣器报警电路

（4）蜂鸣器报警电路

报警电路采用蜂鸣器来发出报警声音，由于的驱动能力较弱，所以蜂鸣器要加三极管驱动实时监测的过程中，一旦发现检测值连续超出阈值范围，便启动自身报警电路，即当超过设定的最高或最低时，三极管导通，蜂鸣器发出报警信号。

电路图如图3-所示电路由防反充二极管D1、滤波电容C、续流二极管DMOSFET管Q1等构成。

二极管D1是为了反充，当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池的电压时，D1就生效。

通过控制闭合断开的时间（即PWM―脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。

所使用的MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。

而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。

设计中采用IR沟道MOSFET管，沟道MOSFET的导通电压V0。

当光耦时，由于Q1的G极电压，Vgs0，当极电压达到一定值时，Q1导通C4是太阳能电池板输出电压滤波，使得更稳定地给蓄电池充电。

电容C5是对蓄电池输出电压进行滤波，以保证负载供电电路的稳定性。

图中稳压管D2用来对蓄电池进行稳压作用。

当用户将蓄电池反接至控制器时，续流二极管D3可以进行续流，从而保护控制器不被毁坏。

图3-7充放电电路

按程序设计当检测到蓄电池的电压低于1V，充电模式为均充，Q1为完全导通状态，也就是导通的脉冲占空比最大；当检测到蓄电池的电压在12V-14.5V，充电模式为浮充，Q1导通与不导通的占空比例变小；当检测到蓄电池的电压等于15V，Q1截止充电停止。

当检测到蓄电池的电压低于10.8V，Q2关闭停止放电.4光耦电路

当信号为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，输出端两管脚间的电阻很大，相当于开关“断开”MOSEFT的Vgs0，当为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零，MOSEFT的Vgs0，Q1。

图3-8光耦驱动电路

3.5A/D转换电路

单片机没有内置的A/D转换模块，因此采集的电压经A/D转换才可接入单片机。

A/D转换器品种很多，选用时需要综合考虑各种因素进行选取。

一般逐次比较型A/D转换器用到较多，本设计采用8行A/D转换器芯片AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。

A/D转换器转换速度高和双积分型转换精度高的优点，所以得到普遍应用。

ADC0804就是这类集成A/D转换器。

ADC0804为一只具有20引脚8位CMOS的A/D转换器，其规格如下：

1高阻抗状态输出分辨率：

8位0~2552存取时间：

135转换时间：

1003总误差：

1LSB

4工作温度：

0度~70度；5模拟输入电压范围：

0V~5V6参考电压：

2.5V工作电压：

5V7输出为ADC0804引脚功能―芯片片选信号输入端，低电平有效，一旦有效，表明A/D转换器别选中，可启动工作。

―外部读取转换结果的控制输出信号。

为1时，DB0~DB7处理高阻抗：

为0时，数字数据才会输出。

―用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始（0时），当由1变为0时，转换器被清除：

当回到1时，转换正式开始。

图3-9ADC0804引脚图

CLKIN―时钟信号输入端

CLKR：

内部时钟发生器的外接电阻端，与CLK配合可有芯片自身产生时钟脉冲，其振荡频率为1/（1.1RC）

―中断请求信号输出,端，低地平动作.，表明本次转换已完成。

VIN+VIN-――差动模拟电压输入。

输入单端正电压时,VIN-接地:

而差动输入时,直接加入VIN+VIN-.

AGND,DGND――模拟信号以及数字信号的接地.

VREF/2―参考电平输入，决定量化单位。

DB0~DB7―三态特性数字信号输出端.

VCC:

电源供应以及作为电路的参考电压.

3.5.2ADC0804外围接线电路

（1）电压采集电路

如所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为，然后并联在需要检测的电压两端，从两个电阻中间采集电压。

由分压公式得出采集的电压为，当蓄电池充满电时电压大概为14.5V，计算出采集到的电压为，符合A/D转换芯片的的输入值。

图3-10电压采集电路

（2）ADC0804构成的典型A/D转换电路

图3-11A/D转换电路、分别接单片机的P3.6和P3.7引脚，进行读写控制；CLK、CLKR、GND之间用电阻和电容构成RC振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲。

蓄电池的电压采集信号ADIN从6脚引入，在内部采集转换后，从数字输出端输出到单片机的P1口，通过读P1口数据，便可以得到蓄电池的电压，实现实时在线检测。

3.6LCD显示电路

液晶具有体积小、功耗低，显示清晰的优点，所以比较适合作显示使用。

为了更好的显示电压值，同时扩展自己学习芯片的能力，本设计用液晶1602来显示蓄电池的电压值。

在使用1602之前，我们首先查阅其使用手册，对其进行一定的了解。

从芯片手册中，可以得到1602液晶的主要技术资料，如表3-1所示，通过此表我们可以知道1602工作电压和显示容量，可以验证设计选择的是否合适。

表3-11602的主要技术参数

显示容量162个字符芯片工作电压4.5~5.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.954.35（WH）mm显然，1602液晶可以满足要求，接下来介绍其各个引脚的功能，为后面设计电压显示电路做准备。

1602引脚功能引脚功能表符号名称功能1Vss接地0V2VDD电路电源5V±10%3V液晶4RS寄存器选择信号H:

数据寄存器L:

指令寄存器5R/W读/写信号H:

读