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1、基于STC单片机的太阳能控制器设计毕业设计论文基于单片机的太阳能控制器设计（安徽农业大学工学院 09电气工程及其自动化专业 合肥 230036）摘要：传统能源消耗殆尽，低碳的生活模式深入人心，开发新能源迫在眉睫，太阳能的研究与使用的重要性不说自明。世界各地大型光伏电站的投建，为人类提供了一种新的能源解决方案。另外，小型的离网系统由于其具有简单灵活的特点，在未来也必定会成为光伏发电举足轻重的一个领域，所以研究离网型的太阳能充放电系统也很有必要。本文设计的是基于单片机的光伏蓄电池的充放电控制器，单片机采用STC89C52，蓄电池采用铅酸蓄电池。本文从研究PV阵列在不同状态下的发电功率入手，结合铅酸

2、蓄电池本身的充放电原理，意在使PV阵列最大效率转化太阳能、使蓄电池安全合理地充放电、使负载稳定可靠地工作。关键词：STC89C52；CN3717；铅酸蓄电池；充放电；1 引言随着地球资源的日益贫乏，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、洁净的新能源，正被广泛地应用。控制器是太阳能路灯照明系统 的核心部件，其功能的好坏直接影响着太阳能路灯的使用寿命。为适应不同场合和各种负载的应用需要，本设计利用STC89C52单片机AD采样获得数据对蓄电池充电过程进行监控，由单片机内部的PWM输出控制恒流、恒压和浮充三段式充电，并通过发光二极管显示各状态。恒流充电阶段为大电流恒流充电，电流值I因蓄电池容量

3、而异，一般为I=01C(C为蓄电池组的容量)。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压时，恒流充电状态终止。恒压充电阶段则保持充电电压148V不变，当充电电流下降到恒流充电状态下电流的1lO时终止恒压充电。电池处于浮充电阶段时电压始终保持在108V，主要用于补充蓄电池自放电消耗的能量，浮充的开始标志着恒压充电状态的结束。本次设计采用STC89C52单片机实现太阳能电池板对蓄电池的充放电控制，用到了上海如韵电子设计的一款针对铅酸电池的光伏充放电控制芯片CN3717，模块化的芯片设计不仅简化了开发的复杂程度，而且使得功能实现更加稳定。本次设计所要解决的问题主要是离网型光伏发电过

4、程中蓄电池的充放电的控制问题，对于提高光伏发电利用率和蓄电池的保护起到重要作用，从而在某种意义上对推广新能源起到积极的推动作用，帮助人类更有效地利用清洁能源和早日摆脱能源危机。2 系统总体设计系统设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又可分为PV阵列电气连接部分，单片机的外围电路，CN3717的典型应用电路图。该设计的系统总体框图如下图1所示：图1 系统总体框图3.系统硬件电路设计3.1 PV板特性与等效电路太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为2025mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。

5、将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 (见图2)。（1）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒

6、，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。图2 太阳能电池单体、组件和方阵将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。（2）硅太阳能电池种类目前世界上有3种已经商品化的硅

7、太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳

8、电池的光电转换效率为 1315 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 1113 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 58 %（3）太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等

9、的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。组件的电气特性主要是指电流电压输出特性，也称为特性曲线，如图3所示。特性曲线可根据图13所示的电路装置进行测量。特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电

10、压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即PV I 。I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压图3 太阳能电池的电流电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Vo

11、c。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1 C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为0.4%/ C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1 C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱

12、的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2大气质量系数 AM1.5太阳电池温度 25在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10或更大。如果

13、太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。PV（光伏）阵列发电时的等效电路图图4PV阵列发电时的等效简化电路3.2 铅酸蓄电池的特点及选型 目前光伏系统

14、大多采用蓄电池作为贮能元件.而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类有很多,目 前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池,普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池等.目前常使用的是铅酸免维护 蓄电池, 因其维护方便, 性能可靠, 且对环境污染较小, 特别是用于无人值守的光伏电站时如图1, 有着其他蓄电池所无法比拟的优越性. 本文以光伏系统中的铅酸免维护蓄电池12V,12AH为例进行实验比较不同的充电检测方法. 1 关于蓄电池的充放电 蓄电池充放电是根据化学反应进行的,即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深度的变化. 所以与一般电子零部件相比,蓄电池对温度变化更为敏感.此外,反应速率,即充电电流或放电电流, 影响反

15、应参数并由此影响蓄电池的性能. 光伏系统中的蓄电池的工作条件与蓄电池在其他场合的工作条件不同,其充电率和放电率都非常 小,且充电时间受到限制,即只有在日照时才能充电,所以不能按一固定的充电规律对其进行充电.由 于蓄电池应用在这个特殊的环境下,致使其寿命比所预定的短,成为整个光伏系统中最易损坏的部分, 其损坏的原因主要为过充与过放. 过充是指蓄电池单格电压超过某一水平一般为2.35V/单格2.40V/单格,此时蓄 电池无法使产生的氧气充分再化合.充电电压过高,在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收,在电池中因积累而产生压力并且导致水份损失.严重过充时,水分解,产生氢气和氧气,使得蓄电池底部浓度 比

16、其他地方高出许多,导致负极板底部硫酸盐化,正极板腐蚀和膨胀,造成容量损失. 过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压如图2,蓄电池放出了过量的容量.在铅酸蓄 电池中,两个电极对过放都是敏感的.在溶解再沉积机理中,当铅Pb和二氧化铅PbO2分 别溶解在电解液中并作为新的化合物硫酸铅PbS04沉淀出来时, 活性物质发生了彻底的转变并 且失去原有的结构.负电极由于有反极的危险,对过放也是敏感的.活性物质中的膨胀剂可能会因氧化 而失去作用,而铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加. 在设计光伏系统时需要对蓄电池的容量进行检测以判断是否应继续充电或放电. 目前大部分采用电 压单环的在线式检测

17、方案. 2 在线式检测方案 在线式检测,即在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行监测,当蓄电池的端电压大于某个限定 值时,就视为已充满,停止太阳电池向蓄电池充电. 由于这种电路结构简单,价格低廉.目前应用最为广泛.它的电路结构可以基于比较控制器建立蓄 电池检测电路. 此电路可以用比较器来控制电池组的充电电流. 蓄电池电压VD分别经分压后输入比较器:当VD15V时,停止充电. 门限电压可设定文中所用8V与15V为经验所得值. 此电路结构简单,成本低,且易于维护,其在光伏应用初期曾得到广泛运用.但它不能实现涓流充 电,造成了能源的极大浪费,使得本来效率就不高的光伏系统性价比更低. 随着集成电路的广

18、泛使用,如今市场上的光伏产品中普遍采取基于专业芯片的检测电路,而主控电 路采用V型,充电专用IC中常用的类型.铅酸电池在充电时,电压随充电时间的增长而上升,但充 足电后端电压开始下降.设计主控电路时,利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降,以控制 充电结束,达到自动充电的目的,这也称为V法. 它能有效地防止蓄电池的过充与过放,并能实现涓流充电,有利于光伏系统效率的提高, 是当前运用最为广泛的蓄电池检测电路. 3 离线式检测方案 蓄电池的电压受很多因素的影响,例如温度,湿度等,特别是在充电过程中,蓄电池的端电压并不 能很好地反映其容量. 上述在线式检测方案中蓄电池都与太阳电池直接相连,其端

19、电压受太阳电池端电 压制约,VD并不能准确地反映蓄电池的容量.这突出表现为当系统所处温度较高时,由于太阳电池板 和蓄电池的端电压均受温度影响严重, 太阳能板端电压随温度升高而降低, 而蓄电池端电压则刚好相反, 容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象常称之为虚满.这在很大程度上影响了蓄电池容 量检测的准确性,进而阻碍了整个系统的正常工作,造成能源的极大浪费. 针对这一问题,我们在这里提出一种新颖的蓄电池容量检测方案离线式检测. 虽然蓄电池的电压在充电过程中其端电压并不能很好地反映其容量,但在断开充电回路一段时间 后,其端压会自动下降,下降后的端压能很好地引导我们对蓄电池充电情况作出正确的判断.

20、我们利用 蓄电池端压的这一特性,设计一个太阳电池对多个蓄电池模块轮换进行充电,每个蓄电池的端压在充电 电路断开后都有足够的时间恢复正常,使测得电压值能更加准确地反映蓄电池容量.现仅以双模块为例说明本模块。 检测电路原理如下:太阳电池同时对两蓄电池模块充电,同时对它们的端电压进行监测.设定一个比实 际过充电压略低的过充电压值V,并据之对两模块粗略地进行过压检测,当其端压高于V时,切断其中 一个蓄电池模块A的充电回路,而对另一个模块B进行涓流充电,与此同时启动定时器.当过 一段时间,模块A的端电压有所降低并能准确地反映电池容量时,再对A的端压进行检测,即精确过压 检测.若还未充满,则可接通其充电回

21、路,使继续充电;若已充满,控制其进行涓流充电.当定时器达 到设定时间后,重新启动定时并自动切换开关,使模块B的充电回路断开而对模块A进行涓流充电,静 置一段时间后,再对模块B重复以上对模块A的操作,如此不断循环. 这种电路虽会造成蓄电池总容量的增加, 但它能较准确地判断蓄电池的充电情况,减小了蓄电池老 化损坏的可能性,使光伏系统的寿命得到延长;两个蓄电池的轮流充放电充分地利用了太阳能源,提高 了光伏系统的效率.但要具体实现上述方案并不容易,还需要克服许多理论和技术问题.如一个蓄电池 的端压稳定时间与蓄电池本身的性能有关, 该实验中使用的为铅酸免维护蓄电池12V, 12AH, 根据实验所测得断电

22、后得蓄电池端压的变化曲线。 可以确定精确测量的定时器间隔时间实验中的间隔时间取5min. 但时间设定需视蓄电池种类和 容量的不同而定;蓄电池在充满前其端电压会产生一个大的跳动,使检测电路产生误判;由于实验中, 主要需要考察不同的充电检测方案对蓄电池寿命的影响,所以在充电方式的选择上,我们主要采用了两 段恒流的充电方式,放电都采用5A放电. 新的检测方式与普通的检测方式的充电比较如下: 实验证明用新的离线式的端压检测方法来指导充电可以明显提高蓄电池的使用次数.3.3 单片机外围电路设计STC89C52RC单片机介绍STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，

23、指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。ISP（在系统可编程）/

24、IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看门狗功能共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）PDIP封装STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型

25、功耗4Ma7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备图5 STC89C52RC引脚图STC89C52RC引脚功能说明VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1

26、.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（）。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。表1 P1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P

27、1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄

28、存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（）。在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上

29、高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出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/（30引脚）：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以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1

30、”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位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。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。特殊功能寄存器在STC89C52RC片内存储器中，80HFFH共128个单元位特殊功能寄存器（SFR），SFR的地址空间如下表1所示。并非所有的地址都被定义，从80HFFH共128个字节只有一部分被定义。还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将“1”写入

31、未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。STC89C52RC除了有定时器/计数器0和定时器/计数器1之外，还增加了一个一个定时器/计数器2.定时器/计数器2的控制和状态位位于T2CON（见表2）和T2MOD（见表4）。定时器2是一个16位定时/计数器。通过设置特殊功能寄存器T2CON中的C/T2位，可将其作为定时器或计数器（特殊功能寄存器T2CON的描述如表2所列）。定时器2有3种操作模式：捕获、自动重新装载（递增或递减计数）和波特率发生器，这3种模式由T2CON中的位进行选择（如表2所列）表2特殊功能寄存器T2CON的描述定时器2工作方式RCLK+TCLKCP/TR2模式00116位自动重装01116位捕获1X1波特率发生器XX0（关闭）单片机STC89C52的外围电路和AD采集模块电路图如图6图6 单片机外围电路及AD采集模块3.4 CN3717应用电路设计1、简介CN3717是PWM降压模式铅酸电池充电管理集成电路，独立对铅酸电池充电进行自动管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点。CN3717具有涓流，恒流，过充电和浮充电模式，非常适合铅酸电池的充电。在过充电和浮充电模式，充电电压由外部电阻分压网络设置；在恒流充电