光伏電池能量收集、轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與制作(C題)

1、南 京 師 范 大 學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院電 子 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告（2017年5月） 題 目 光伏電池能量收集、轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與制作（C題） 姓 名： 趙普 王安鵬 顧亞楠 組 號： 第4組 指導(dǎo)教師： 陳余壽 趙芙生 高翔 目錄摘要一、系統(tǒng)方案分析比較11.1系統(tǒng)方案11.2升壓模塊的論證與選擇11.3數(shù)字模塊的論證與比較2二、核心部件電路設(shè)計(jì)32.1電路設(shè)計(jì)32.2關(guān)鍵元件參數(shù)計(jì)算3三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析43.1軟件分析43.2關(guān)鍵模塊程序清單4四、競賽工作環(huán)境條件54.1測試方案54.2測試條件與儀器6五、作品成效總結(jié)分析75.1基本要求75.2發(fā)揮部分7六、參考資料8附錄8摘要新能源是二十一

2、世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。而太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，“取之不竭、用之不盡”。在各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。而光伏發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染、制約少、故障率低、維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中，我們主要目的在于利用光能產(chǎn)生穩(wěn)定電能，主要研究光伏電池的穩(wěn)定輸出和DC-DC模塊的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)DC-DC模塊主要利用開關(guān)電源芯片MC34063作為升壓核心，使用超低功耗單片機(jī)stc12c5a60s2對電壓、電流、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率進(jìn)行測量和顯示。整個(gè)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，測量和顯示較為準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞：新能源 光伏電池 DC-DC 單片機(jī)Ab

3、stractNew energy is the twenty-first century world economic development in the most decisive one of the five major technical areas. And solar energy is a clean, efficient and never fail new energy, "inexhaustible, with the endless." In all governments, solar energy use is an important part

4、 of the national sustainable development strategy. And the photovoltaic power generation is safe and reliable, no noise, no pollution, less control, low failure rate, easy maintenance and so on. In this design, our main purpose is to use light energy to generate stable energy, mainly to study the st

5、able output of photovoltaic cells and DC -DC module conversion. The DC-DC module of the system mainly uses the switching power supply chip MC34063 as the boosting core, and uses the ultra-low power single chip stc12c5a60s2 to measure and display the voltage, current, voltage regulation and load regu

6、lation. The whole system is more stable, measurement and display more accurate.Keywords: new energy photovoltaic cell DC-DC microcontrollers- 7 -一、 系統(tǒng)方案分析比較1.1系統(tǒng)方案系統(tǒng)包含電能采集模塊、DC-DC升壓模塊、測量與顯示模塊等三個(gè)主要部分。其中DC-DC變換電路是核心部分，單片機(jī)通過采集電壓信號對電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率進(jìn)行計(jì)算和顯示。主核心電路我們采用開關(guān)電源控制芯片MC34063，前加自舉電路保證2.2V條件下電路也能正常工作，后在負(fù)載

7、兩端加端口送給單片機(jī)計(jì)算和顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。DC-DC單片機(jī)檢測與計(jì)算顯示負(fù)載光能電能光源圖1 系統(tǒng)整體框圖1.2升壓模塊的分析與比較方案1：采用boost電路作DC-DC升壓模塊。用IR2111組成驅(qū)動電路驅(qū)動boost開關(guān)芯片，利用單片機(jī)PWM輸出可調(diào)占空比的方波控制實(shí)現(xiàn)升壓功能。此方案設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，效率很高，但是首先需要驅(qū)動電路，并且需要單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對其的升壓控制。方案2：直接采用開關(guān)電源控制芯片MC34063實(shí)現(xiàn)DC-DC升壓。此方案外圍電路設(shè)計(jì)稍稍復(fù)雜，但是無需單片機(jī)控制并且無需驅(qū)動控制。綜合考慮，鑒于本題的要求：在升壓模塊必須與單片機(jī)斷開連接，我們最終確定選擇方案2

8、。1.3數(shù)字模塊的分析與比較方案1：用STC12C5A60S2作檢測和顯示控制芯片。STC12C5A60S2/AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對強(qiáng)干擾場合。方案2：用MSP430G2553作檢測和顯示控制芯片。德州儀器MSP430系列是超低功耗微控制器，內(nèi)置16位定時(shí)器，16個(gè)I/O口，可在1us時(shí)間內(nèi)完成從低功耗模式至運(yùn)行模式的喚醒。綜合考慮，鑒于STC功率更低、運(yùn)算速度更快、操作簡便，I/O口多，我們最終選

9、用方案1作為檢測和控制芯片。二、 核心部件電路設(shè)計(jì)2.1電路設(shè)計(jì)如圖2所示為本次DC-DC核心。本設(shè)計(jì)DC-DC升壓變換電路摒棄了一貫的BOOST套路，而是選用了開關(guān)電源芯片MC34063進(jìn)行升壓，MC34063 是一塊單片DC/DC 變換控制電路，內(nèi)含直流到直流變換器所要求的主要功能。有帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源、比較器、帶激勵(lì)電流限制的占空比可控振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)等。圖2 MC34063升壓電路圖2.2關(guān)鍵元件參數(shù)計(jì)算（1）5號管腳電阻的選擇：DC-DC模塊輸出電壓值取決于5號管腳R1和R2的比值Vout=1.25V*（1+R2R1），根據(jù)題意，要在輸入2.23.3范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出

10、5V，故R1：R2=1:3，取電阻標(biāo)稱值R1=1k，R2=3k。（2）定時(shí)電容的選擇Ct=0.000004*Ton=0.000004*140000=1000pf（3）儲能電感的選擇Lmin=(Vimin-Vces)*Ton/Ipk=(2.2-1.25)*140000/200mA100uH三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析3.1軟件分析該系統(tǒng)需要的軟件部分并不復(fù)雜，我們采用stc12c5a60s2低功耗為核心，系統(tǒng)主要需要完成兩個(gè)任務(wù)，采集和顯示。流程圖如圖3所示。圖3 軟件流程圖3.2關(guān)鍵模塊程序清單#include "timer.h"void Timer1Init()/1毫秒22.11

11、84MHz AUXR |= 0x40;/定時(shí)器時(shí)鐘1T模式TMOD &= 0x0F;/設(shè)置定時(shí)器模式TMOD |= 0x10;/設(shè)置定時(shí)器模式TL1 = 0x9A;/設(shè)置定時(shí)初值TH1 = 0xA9;/設(shè)置定時(shí)初值TF1 = 0;/清除TF1標(biāo)志TR1 = 1;/定時(shí)器1開始計(jì)時(shí)ET1 = 1;EA = 1; 四、競賽工作環(huán)境條件4.1測試方案（1）硬件測試采用模塊化測試方法，逐步測試；首先用直流穩(wěn)壓源為DC-DC模塊供電，保證DC-DC正常工作；其次測試LED燈和太陽能電池板模塊，保證太陽能電池板輸出3.3V-2.2V；（2）軟件測試將軟件寫入單片機(jī)后，搭建簡單測試電路，給AD輸入假

12、定值進(jìn)行測試，判斷DA輸出和顯示是否符合要求。（3）軟硬件聯(lián)調(diào)軟硬件都測試完成后，各模塊連接單片機(jī)進(jìn)行級聯(lián)測試，在確定單片機(jī)能夠控制模塊運(yùn)行后，加入太陽能模塊進(jìn)行整體性能測試和指標(biāo)優(yōu)化。4.2測試條件與儀器數(shù)字萬用表LINI-T UT802，數(shù)字示波器SDS 1102CFL.五、作品成效總結(jié)分析5.1基本要求（1）I0=50Ma不變,輸出電壓額定值V0=5V，分別測V1=3.3V和2.2V時(shí)對應(yīng)的輸出電壓值，分別記為V01，取變化較大的值與V0=5V的差作分子，V0=5V做分母，計(jì)算電壓調(diào)整率Su。測試結(jié)果如表5-1所示。表5-1 電壓調(diào)整率測試上限值額定值下限值電壓調(diào)整率SuV1/V3.33

13、.02.20.6%V0/VV01=55V02=4.97(2)V1=3V不變，分別測I0=5mA和I0=50mA 時(shí)對應(yīng)的輸出電壓值，分別記為V01和V02，取變化較大的值與V0=5V的差作分子，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率S。測量結(jié)果如表5-2所示。表5-2 負(fù)載調(diào)整率測試下限值上限值負(fù)載調(diào)整率SI0/mA5502.6%V0/VV01=5.13V02=5(3)V1=3V,V0=5V,I0=50mA 時(shí)的輸出噪聲紋波電壓峰峰值Vopp，測量結(jié)果如表5-3所示。 表5-3 紋波測試Vopp(mV)20mV5.2發(fā)揮部分閉合S1，S2，S3，接入單片機(jī)，重測上述參數(shù)（1）I0=50mA不變,輸出電壓額定值V0=5V，分別測V1=3.3V和2.2V時(shí)對應(yīng)的輸出電壓值，分別記為V01，取變化較大的值與V0=5V的差作分子，V0=5V做分母，計(jì)算電壓調(diào)整率Su，單片機(jī)顯示。測試結(jié)果如表5-4所示。表5-4 電壓調(diào)整率測試上限值額定值下限值電壓調(diào)整率SuV1/V3.33.02.22%V0/VV01=5.025V02=4.9（2）V1=3V不變，分別測I0=5mA和I0=50mA 時(shí)對應(yīng)的輸出電壓值，分別記為V01和V02，取變化較大的值與V0=5V的差作分子，計(jì)算負(fù)載調(diào)整率S，單片機(jī)顯示。測量結(jié)果如表5-5所示。表5-5 負(fù)載調(diào)整率測試下限值上限值負(fù)載調(diào)整率SI0/mA5503%V0/VV01=5.15