杨黄锋 论文模版杨老师修改后.docx

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杨黄锋论文模版杨老师修改后

闽南理工学院

毕业设计（论文）

题目太阳能直流供电系统控制器设计

系别电子与电气工程系

专业汽车电子技术

班级0910331

学号091033139

姓名杨黄锋

指导教师杨明杰

完成时间2012.05.25

评定成绩

教务处制

2012年05月25日

摘要

设计一种用ST7单片机构成的全数字化太阳能直流供电系统控制器。

系统在ST7单片机的控制下,能将太阳能电池转换的直流电进行有效存储和合理使用。

系统充分利用了ST7单片机的软件资源,最大程度地简化了硬件电路,使电源具有较高的性价比和可靠性。

关键词:

ST7单片机;太阳能电池;直流电源;控制器

Abstract:

Onekindofthedigitalsolardirectcurrentpowersupplysystemcontroller,whichbasedontheST7microprocessor,isdesigned.UndertheST7control,thedirectcurrentpowerconvertedfromthesolarcellscanbestoredandusedreasonably.ThesoftwareresourcesofST7microprocessorismadefulluse,sothehardwarecircuitissimplifiedtothegreatestextentandthepowersupplyisprovedtobelow-cost,highperformanceandreliability.

Keywords:

ST7microprocessor;solarcell;directcurrentpowersupply;controller

目录

引言1

1ST7单片机的性能特点2

2系统控制设计2

3硬件设计3

4软件设计4

5系统的控制运行6

6调试和结论7

结束语8

参考文献9

致谢10

引言

随着经济的飞速发展,能源的过度挖掘,世界各国都在大力开发可再生能源（风能、太阳能、潮汐能、地热能等,又称绿色能源）。

其中,太阳能电是发展最为迅速的一种绿色能源。

太阳能供电系统均采用光伏电池PV（PhotoVoltaicscell）发电、蓄电池储电、经电源释放储电的方式向用户供电。

设计一种用于LED照明系统供电的太阳能直流电源控制器。

传统控制器是直接在蓄电池两端并联负载LED,流过LED的电流和蓄电池电压成线性。

蓄电池电压波动大时LED电流波动也大,LED长期工作在大电流下有可能失效。

本设计选用ST7单片机来协调系统各环节之间的逻辑关系,控制系统的运行状态,采用单片机中的PWM技术并通过负载稳压实现LED恒流。

1ST7单片机的性能特点

意法公司的ST7FLITE05单片机,有着自身独特的优势。

ST7FLITE05是ST7单片机子系列ST7FLITE0中一款实用的单片机;ST7FLITE0扩展了ST7低端的应用范围,设计成适用于具有最新特点的极小封装内的应用;ST7FLITE0片内集成了低成本的外部器件,如使用一个高精度的RC振荡器替代传统的外部振荡电路等。

ST7FLITE0单片机片内能提供较多的软硬件资源,因此本系统的硬件设计较为简单,软件设计较为灵活。

ST7FLITE0单片机片内具有1.5kB程序存储器,128BRAM。

ST7FLITE0的中断管理有10个中断向量加TRAP和RESET,还有4个外部中断输入（占用4个向量）。

ST7FLITE0单片机有13个多功能双向I/O引脚,其中有9个复用I/O引脚,6个大电流输出引脚。

它还有2个定时器,1个是8位LITE定时器（LT）,LT具有看门狗、1个实际时间基准和1个输入捕获;另1个是带输出比较功能和PWM的12位自动重装载定时器（AT）。

ST7FLITE0的A/D变换器有5个输入通道。

在VDD为5V,输入为0～5V时,分辨率为8位;如果输入为0～250mV,则通过设置内部的固定增益放大器,可使分辨率达11位。

由上述可知ST7FLITE0系列单片机具有体积小、内部资源丰富的特点,适用于小型、简易的控制系统开发。

本系统是一个控制量不多的小型、简易系统,选用ST7FLITE0能充分利用片内资源,最大程度地减少外部器件。

2系统控制设计

根据系统控制运行分析中提出的基本要求,设计出如图1所示的太阳能直流供电系统。

本系统用太阳能电池将太阳能转换成直流电后,经充电电路存储到蓄电池,再经过放电电路,按不同的供电要求供给不同的直流负载。

为保证系统正常工作,设计了检测单元、保护单元、控制单元、显示单元及报警单元等。

太阳能照明系统工作在充电状态时,一方面能保持太阳能电池输出功率最大,一方面考虑到蓄电池不同电量时的电流接受能力。

影响太阳能电池的外界因素（温度、光照等）很多,且它的输出具有非线性特性[2],因此充电电流不稳定。

蓄电池随着电量的变化,其电流接受能力也在变化。

为了提高蓄电池使用效率、延长蓄电池寿命,需要制定适应太阳能电池和蓄电池变化的充电策略,有效、科学地控制蓄电池的充、放电电流。

蓄电池的充电方式有快充、过充和浮充。

本系统利用太阳能电池的输出特性和蓄电池的充放电特性,对充电电路采取两段不同策略的充电控制,即初充电和维持充电两段。

初充电时,蓄电池电量少,端压处于下限值,但电流接受能力较大。

此阶段蓄电池的电流接受能力大于太阳能电池的输出能力,可以采取快充;快充阶段结束后,太阳能电池的输出能力已超出蓄电池的接受能力,控制器将转入维持充电阶段。

此时蓄电池采取浮充,即恒压充电,以保持电量。

此时充电电路需提供合适的浮充电压。

浮充电压既要足够大,以补偿蓄电池的自放电电流;又不能过大,以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成份的分解。

在适当的浮充状态下,能大大提高全封闭免维护铅酸蓄电池稳定工作的寿命;且电压即使只有5%的偏差,也会使蓄电池的寿命减半[3]。

另外要合理考虑温度变化范围,因为铅酸蓄电池的电压特性具有明显的负温度系数,充电器应根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。

对蓄电池采用电流检测来修正放电控制点,防止蓄电池深度放电。

蓄电池的保护控制单元具有可调节的充电控制和过充、过放保护。

蓄电池检测单元能对蓄电池的电压、电流和温度自动监测,并由电量显示单元显示出来。

如有异常,报警单元及时报警。

在系统中还设计了太阳能电池的电压检测、反接保护、接线错误报警及系统的过载保护和负载短路保护等。

系统的检测、控制、保护、报警、显示电路是以ST7单片机为核心,加以辅助电路构成。

在设计中选用带有PWM输出的意法公司ST7FLITE05单片机。

只需检测蓄电池两端电压就能实现PWM恒流控制方法,且能取得满意的稳压和恒流效果,对提高LED寿命和可靠性有参考和应用价值[4]。

3硬件设计

系统控制选永ST7FLITE05单片机来实现。

图2是本系统的控制和显示单元的电路图。

图2中ST7FLITE05端子的选用情况是:

端子1接地;端子2接+5V电源;端子3接复位;端子4接环境温度检测信号;端子5,6分别接蓄电池和太阳能电池的电压检测信号;端子7,8分别接两组负载的电压检测信号;端子10,11,14,16分别接4路显示信号;端子12是充电信号;端子13,15是蓄电池对两组负载的放电信号;端子9接工作键。

系统检测电路有电量和非电量两类。

电量检测有太阳能电池、蓄电池和负载的电压检测,非电量检测有环境温度检测等。

检测的信号将送到ST7FLITE05相应的端口。

充电电路的输入接太阳能电池,输出接蓄电池正负极。

根据蓄电池状态选取不同的充电方式分阶段充电。

太阳能电池在低输出电压阶段时具有电流源特性,用作电源可以不考虑负载的过流问题。

实际电路设计中在主回路加入二极管,防止蓄电池对太阳能电池的反向放电。

系统采用最大功率跟踪和浮动式两段制充电,充电电路相对复杂,放电电路没有特殊要求,只相当1个可控开关,比较简单。

如图3所示的放电电路,图3中单片机输出的信号经光电隔离器送到开关管以控制开关管的通断,从而控制系统对负载的供电。

系统内部的供电由图4电路提供。

即使系统进入等待状态,蓄电池都将提供此电源的能量,保证系统内部控制器等环节的正常工作。

ST7FLITE05单片机能提供片内丰富和灵活的软硬件资源,因此本系统的硬件设计较为简单。

4软件设计

软件设计的原则是尽量用单片机完成系统功能,减少硬件成本。

本系统采用的软件是模块化设计。

图5所示的程序流程中,1个是流程总图;2个是子流程图。

这些流程图就是模块,整个程序流程图由这些模块搭建而成。

模块化设计的优势是程序清晰、结构简单、利于程序组合,并可以使模块设计规范化、标准化,简化设计,便于系列开发。

图5程序流程总图中有3个地方进入子流程图。

子流程图中还可以再设计下一层子流程图,如充电方式可按分段充电划分模块进行设计。

太阳能电池输出电压降低到1V以下,控制电路将关闭充电电路,开启放电电路,这两种状态的控制是通过状态互锁程序来完成,可避免误动作,保证系统工作的稳定性。

状态互锁是用程序模块来完成。

控制电路需要具有定时功能,因为系统采用的照明供电方式是上半夜完全供电和下半夜节能供电。

这种供电方式用ST7FLITE05单片机的软件定时功能实现。

编制定时控制程序模块可方便地完成这种供电方式。

5系统的控制运行

本系统的运行主要包括蓄电池充电、对负载供电和等待3种工作状态。

系统的运行周期由这3种工作状态组成。

经过以上设计,系统控制器能够根据环境和系统内部条件,选择合适的工作状态,进行蓄电池工作状态的管理,系统功能发挥到最佳。

白天光照条件下,控制电路检测到太阳能电池有正常输出,则开启充电电路,关闭放电电路,太阳能电池经充电电路给蓄电池充电。

蓄电池工作在充电状态。

天黑后,太阳能电池输出电压降低到1V以下,控制器检测到这种情况,在设定时间后自动关闭充电电路,开启放电电路,系统供电照明。

此时放电电路等效于1个智能开关。

蓄电池工作在供电状态。

太阳能电池无输出的情况下,或照明设定时间已到,或蓄电池电量不足,停止供电照明,系统进入等待状态。

此时蓄电池仅为控制器提供电源。

外部环境的变化以及系统内部各环节工作状态的不同,系统的每个运行周期不完全一样。

如图6所举4例:

（a）供电结束,直接进入充电状态,无等待状态;（b）3种状态都存在,且依次出现;（c）和（d）是根据系统状态及环境条件,进入不同的循环状态。

6调试和结论

本系统经过实验和调试,实现了预期的功能,能有效、合理地完成系统状态的管理和能量流的适时控制。

本设计充分利用了单片机的片内资源,实现了全数字化控制,最大程度地简化了硬件线路,使电源的硬件成本下降到最低。

这种设计方法不仅提高了系统的可靠性,还利于系统集成,并且可以对电流检测误差进行精确的数字校正;也可获得精确的电压检测,实现快速、灵活的控制。

本设计是一项具有较高性价比和具有广阔应用前景的太阳能直流供电系统控制器。

结束语

总而言之，太阳能供电系统的出现，是社会现代化和科学自身改革和发展的客观需要，是时代发展的必然产物。

只有把太阳能供电系统向更高层次发展,从太阳能供电系统为设计、管理、控制与为社会服务相结合的方向发展，建立世界能源多样化，才能更好的为社会提供便捷、及时、稳定、高效的生活、生产方式，并且在此基础上不断完善，逐步扩大功能，最终成为世界主要能源之一。

使得能源危机不再存在，从而使世界环境得到改善甚至杜绝污染，所以，只要合理运用太阳能供电系统，建立和完善社会自身的内部能源控制制度，消除一切影响太阳能供电系统发展的不利因素，我们相信太阳能供电系统在我国的能源发展中必将发挥愈来愈大的作用。

参考文献

[1]余发平,张兴,王国华.基于自适应PI控制的太阳能LED照明系统PWM恒流控制器[J].太阳能学报,2006,2（27）:

132-135.

[2]欧阳名三,余世杰,沈玉梁.采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器[J].电子技术,2002,（12）:

753-755.

[3]吴理博,赵争鸣,刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报（自然科学版）,2003,9（43）:

1195-1198.

[4]邓凡李,余发平,张兴.基于PIC16F716的PWM恒流控制器[J].太阳能,2006（6）:

35-37.

致谢

经过这段时间的努力，使我对太阳能直流供电系统控制器的学习达到了预期的目标。

刚开始接受课题时，我对太阳能直流供电系统控制器只是有一点了解，之后从着手设计到实践，扬明杰老师都给予了热诚的指导，提出了许多宝贵的意见，为我的论文解决了不少问题。

这里我向扬明杰老师致以忠心的感谢，另外，还要感谢闽南理工学院提供此次机会，感谢曾给过自己启发和帮助的老师和同学，感谢电子与电气工程系的老师的指导与大力支持，正是有了他们的帮助，我的毕业设计才得以顺利完成。

当然在这里还要感谢和我一起经历三年大学的同学们，也谢谢你们一直以来的关心和帮助，使我在学习和生活中不断得到友谊的温暖与关怀，最重要的是一种精神上的激励，让我非常感动。

在此我要表示衷心的感谢！

特别要感谢的是我的家人，一直给予我各方面的关怀和支持，让我茁壮成长。

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师们表示感谢！