太阳能充放电控制器设计_完美版(编辑修改稿)

太阳能充放电控制器设计_完美版(编辑修改稿)内容摘要：

间 重新化合而被吸收掉，从而 减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。 PWM 调制充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电效率。 脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。 实际也就是以一直流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变电压。 输出电压波形如图 23 所示。 时 间电 压U0tT 图 23 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。 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，同时山东科技大学课程设计 6 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 STC89C52 单片机为 主控芯片 ，利用分压电路对蓄电池的电压、进行采样 ,然后 经过 A/D 转换 将检测 电压 数据 输入到单片机中进行处理 ， 通过液晶芯片把电压值显示出来 方便调整。 单片机 在软件程序的控制下 输出 PWM 控制信号， 经光耦驱动 MOSFET 管 开启 与 关闭 来控制 充放电 电路。 该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电 ，有效的延长蓄电池的寿命。 系统整体结构框图如图 24 所示。 太 阳 能电 池 板铅 酸蓄 电 池主 控 芯 片S T C 8 9 C 5 2 单 片 机充 电 电 路放 电 电 路负 载A / D 转 换电 路液 晶 1 6 0 2电 压显 示 电 路A T 2 4 C 0 2数 据 存 储电 路R S 2 3 2串 口 通 信电 路光 耦驱 动 电 路光 耦驱 动 电 路 图 24 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。 山东科技大学课程设计 7 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。 系统 层次 原理图 系统 层次 原理图 如图 31 所示，电路设计以 STC89C52 单片机 作为 主控芯片构成控制电路模块对整个电路 控制。 首先 采用并联分压方式对蓄电池电压采集后，送到 AD 模块中的 A/D 转换 器进行转换 得到一个数字信号的电压值，再将 此 信号 送入到 控制模块中 单片机进行处理 ； 然后 在软件程序 控制下， 单片机输出 控制信号 送到充放电模块中， 经光耦 驱动电路 来 控制 MOSFET。 控制 MOSFET 管导通的方式是脉冲宽度调制 (PWM)，根据 载荷 变化来调制 MOSFET 管栅的偏置，达到实现开关功能。 VCCGNDPWMFUZAI充放电模块充放电电路 .SchDocVCCGNDPWMFUZAIAD[0..7]CSADWRRD2728TXDRXD控制器和显示模块STC 单片机最小系统设计 .SchDocVCCGNDAD[0..7]CSADWRRDAD 模块AD 转换 .SchDocVCCGNDSCKSDA数据保存模块E2PROM 存储电路 .SchDocVCCGNDPCRXDPCTXD串口调试模块RS232 串口通信 .SchDoc图 31 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 MAX232 芯片进行 TTL电平和 RS232 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。 单片机 最小 系统 STC89C52 的简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash山东科技大学课程设计 8 存储器。 使用 STC 公司高密度非易失性 高加密性 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 内部 ，拥有 很高频率 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 有效的解决方案。 STC89C52 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， STC89C52 具有低功耗设计， 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。 而且 STC89C52 的工作频率很宽，可以在 0~35MHz 之间选择，芯片具有超强抗干扰性，加密性强。 STC89C52 常见的是 PDIP 封装， 是一个有 40 个引脚的芯片，引脚如图 32 所示。 按其功能类别将它们分为三类： （ 1）电源和时钟引脚。 如 VCC、 GND、 XTAL XTAL2。 （ 2） 编程控制引脚。 RST、 PSEN 、 ALE/PROG 、 EA /VPP。 （ 3） I/O 口引脚。 如 P0、 P P P3。 EA/VP31XTAL119XTAL218RESET9P37/RD17P36/WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P10/T21P11/T2 EX2P123P134P145P15/MOSI6P16/MISO7P17/SCK8P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P20(A8)21P21(A9)22P22(A1023P23(A11)24P24(A12)25P25(A13)26P26(A14)27P27(A15)28PSEN29ALE/P30P31/TXD11P30/RXD10 图 32 STC89C52 引脚图 这里仅详细介绍编程引脚 ： （ 1） RST：复位输入。 晶振工作 时， RST 引 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。 （ 2） ALE/PROG ：地址锁存控制信号 (ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位山东科技大学课程设计 9 地址的输出脉冲。 在 flash 编程时，此引脚 (PROG )也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的 振荡 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。 （ 3） PSEN ：外部程序存储器选通信号 (PSEN )是外部程序存储器选通信号。 当 STC89C52 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在 每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时， PSEN 将不被激活。 （ 4） EA /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 ， EA 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， EA 也接收 12 伏 Vpp 电压。 单片机的 最小系统 及 扩展电路 单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路得到很好的控制，首先必须构建最小系统是单片机可以工作起来。 本设计 单片机 最小系统扩展 电路包括上电复位电路， 时钟电路 ，工作 指示灯 和蜂鸣器报警电路 等。 （ 1）时钟电路 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 端 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 ~12MHz 之间选取。 时钟电路如图 33 所示。 电路中 C C7 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。 12C633PFC733PFXTAL1XTAL2C810uFR1510KVCCRESTR141KS1SWPB 图 33 时钟电路 图 34 复位电路 山东科技大学课程设计 10 （ 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 34 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 R14 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 电阻和电 容值进行实验。 （ 3） 工作状态指示灯 电路 本设计 可以时刻检测蓄电池电压，为了更好 的进行监控，要对 整个 电路的工作状态进行指示 ， 这是很有必要的。 工作状态指示灯电路如图 35 所示。 其中 LED1 为正常充电 指示灯， LED2 为过压指示灯， LED3 为欠压指示灯。 串联的电阻的目的是为了限制通过发光二极管的电流太大而将其烧毁。 330R23LED1LED2LED3330R24330R25VCCLED1LED2LED3 LS1BellVCCQ5NPN85501KR26beep 图 35 工作状态指示灯电路 图 36 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 STC89C52 输出引脚 的驱动能力较弱，所以蜂鸣器要加三极管 进行 驱动。 在对蓄电池电压 实时监测的过程中，一旦发现检测 电压 值连续超出阈值范围，便 启动自身报警电路，即当 电压 超过 程序 设定的最高 值 或最低 值 时， 单片机的 引脚 (beep 端 )输出低电平， 三极管 随之 导通， 驱动 蜂鸣器发出报警信号。 蜂鸣器报警 电路 图如图 36 所示。 充放电电路 充放电 电路 如图 37 所示，电路 由防反充二极管 D滤波电容 C4 和 C 稳压管 D续流二极管 D MOSFET 管 Q1 和 Q2 等构成。 二极管 D1 是为了 防止 反充，当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池 板 的电压时， D1 就生效 ，可以防止蓄电池电流流向太阳能山东科技大学课。