畢業(yè)論文2kw風光互補發(fā)電系統(tǒng)設計光伏發(fā)電部分

1、 . PAGE42 / NUMPAGES42摘 要進入二十一世紀，人類面臨著實現經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，而能源問題日益嚴重。人類需要解決能源問題，實現可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源和新能源。而太陽能和風能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，由于風力發(fā)電和太陽能發(fā)電系統(tǒng)均受到外部條件的影響，光靠獨立的風力或太陽能發(fā)電系統(tǒng)經常會難以保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，因此，在采用風光互補的混合發(fā)電系統(tǒng)來進行相互補充，實現連續(xù)、穩(wěn)定地供電。本設計重點針對小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電控制模塊和逆變器模塊進行了設計與仿真。設計針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充

2、放電控制不合理，同時保護也不夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了一種基于單片機的太陽能充電控制器的方案。在太陽能對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應用方面做了一定分析，完成了硬件電路設計和軟件編制并通過proteus仿真軟件進行仿真，實現了對蓄電池的高效率管理。逆變環(huán)節(jié)采用PWM調制方式，控制芯片為PIC16F73，簡化了驅動電路設計。軟件設計中，采用瞬時電壓反饋，增加了電路保護等功能，論文闡述了軟件設計總體思想構架，給出了程序代碼。最后,利用單片機仿真軟件proteus對系統(tǒng)進行仿真并給出仿真原理圖與仿真波形。關鍵詞：風光互補；風能；太陽能；控制；Proteus仿真Ab

3、stractEntering the 21st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious. Only by relying on the progress of science and technology and the large-scale exploitation and utilization of renewable energy and

4、 new energy can human solve the problem of energy. And solar and wind power are considered the most representative of new and renewable energy, The power technology of solar energy and wind attackworlds attention. Because of wind power and solar power system under external conditions, and only by in

5、dependent wind or solar power systems often hard to ensure the continuity and consistency of power system therefore, using hybrid power system of complementary scenery to complement each other, realize the continuous, stable power supply.This design mainly for small wind-light complementary system o

6、f battery charging and discharging control module and inverter module for the design and simulation. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate, which makes the battery life to shorten. To

7、solve this problem, the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects,making some analysis, completed the hardware circuit desig

8、n and software development, to achieve the high efficiency of the battery management.In the inverter part ,the paper use PWM inverter link, and the control chip is PIC16F73,this makes the system simple. In the software design, the paper uses the transient voltage feedback and meanwhile, increase cir

9、cuit protection function, the paper also elaborates the overall framework of software design and displays program code. Finally, the paper uses single chip computer simulation software the Proteus simulink the system and gives the simulation principle diagram and waveform.Keyword: Wind and PV hybrid

10、; Wind power; Solarpower; Control; Proteus simulation目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc359145054摘要 PAGEREF _Toc359145054 h 1HYPERLINK l _Toc359145055Abstract PAGEREF _Toc359145055 h 2HYPERLINK l _Toc3591450571 緒論 PAGEREF _Toc359145057 h 5HYPERLINK l _Toc3591450581.1能源問題 PAGEREF _Toc359145058 h 5HYPER

11、LINK l _Toc3591450591.2風能太陽能的概況 PAGEREF _Toc359145059 h 5HYPERLINK l _Toc3591450601.3 風光發(fā)電的發(fā)展概況 PAGEREF _Toc359145060 h 5HYPERLINK l _Toc3591450612 風光互補發(fā)電系統(tǒng)整體結構 PAGEREF _Toc359145061 h 8HYPERLINK l _Toc3591450623 光伏發(fā)電介紹 PAGEREF _Toc359145062 h 9HYPERLINK l _Toc3591450633.1太陽能光伏電池的原理 PAGEREF _Toc3591

12、45063 h 9HYPERLINK l _Toc3591450643.2太陽能電池板的計算 PAGEREF _Toc359145064 h 10HYPERLINK l _Toc3591450654 蓄電池充電控制器的設計 PAGEREF _Toc359145065 h 13HYPERLINK l _Toc3591450664.1 系統(tǒng)層次原理圖 PAGEREF _Toc359145066 h 13HYPERLINK l _Toc3591450674.2 單片機最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc359145067 h 14HYPERLINK l _Toc3591450684.2.1 STC89

13、C52的簡介 PAGEREF _Toc359145068 h 14HYPERLINK l _Toc3591450694.2.2 單片機的最小系統(tǒng)與擴展電路 PAGEREF _Toc359145069 h 14HYPERLINK l _Toc3591450704.3 充放電電路 PAGEREF _Toc359145070 h 15HYPERLINK l _Toc3591450714.4光耦驅動電路 PAGEREF _Toc359145071 h 16HYPERLINK l _Toc3591450724.5 A/D轉換電路 PAGEREF _Toc359145072 h 17HYPERLINK l

14、 _Toc3591450734.5.1 ADC0804的簡介 PAGEREF _Toc359145073 h 17HYPERLINK l _Toc3591450744.5.2 ADC0804外圍接線電路 PAGEREF _Toc359145074 h 19HYPERLINK l _Toc3591450754.6 LCD顯示電路 PAGEREF _Toc359145075 h 20HYPERLINK l _Toc3591450764.7 E2PROM數據存儲電路 PAGEREF _Toc359145076 h 21HYPERLINK l _Toc3591450774.8 串口通信電路 PAGER

15、EF _Toc359145077 h 22HYPERLINK l _Toc3591450784.9 太陽能充電控制器的軟件設計 PAGEREF _Toc359145078 h 25HYPERLINK l _Toc3591450794.9.1 系統(tǒng)主程序設計 PAGEREF _Toc359145079 h 26HYPERLINK l _Toc3591450804.9.2 軟件調試和仿真 PAGEREF _Toc359145080 h 26HYPERLINK l _Toc3591450815 逆變主電路的設計 PAGEREF _Toc359145081 h 30HYPERLINK l _Toc35

16、91450825.1控制方法 PAGEREF _Toc359145082 h 30HYPERLINK l _Toc3591450835.2控制芯片 PAGEREF _Toc359145083 h 30HYPERLINK l _Toc3591450845.3PWM控制電路 PAGEREF _Toc359145084 h 31HYPERLINK l _Toc3591450855.3.1PIC16F73供電電源 PAGEREF _Toc359145085 h 31HYPERLINK l _Toc3591450865.3.2時序和死區(qū)電路 PAGEREF _Toc359145086 h 31HYPER

17、LINK l _Toc3591450875.3.3光耦隔離電路 PAGEREF _Toc359145087 h 32HYPERLINK l _Toc3591450885.3.4電壓反饋檢測電路 PAGEREF _Toc359145088 h 33HYPERLINK l _Toc3591450895.4PWM控制電路系統(tǒng)圖 PAGEREF _Toc359145089 h 33HYPERLINK l _Toc3591450905.5 逆變系統(tǒng)軟件設計與仿真 PAGEREF _Toc359145090 h 34HYPERLINK l _Toc3591450915.5.1 主程序的設計 PAGEREF

18、 _Toc359145091 h 35HYPERLINK l _Toc3591450925.5.2 程序設計原理 PAGEREF _Toc359145092 h 36HYPERLINK l _Toc3591450935.5.3 系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc359145093 h 36HYPERLINK l _Toc359145094結論 PAGEREF _Toc359145094 h 39HYPERLINK l _Toc359145095致 PAGEREF _Toc359145095 h 40HYPERLINK l _Toc359145096參考文獻 PAGEREF _Toc359145

19、096 h 41HYPERLINK l _Toc359145097附錄1 充放電控制源程序 PAGEREF _Toc359145097 h 42HYPERLINK l _Toc359145098附錄2 PWM波形產生源程序 PAGEREF _Toc359145098 h 531 緒論1.1能源問題能源是不僅僅是現代經濟社會發(fā)展的基礎，也是經濟社會發(fā)展的重要制約因素。當前，包括我國在的絕大多數國家都以石油和煤炭等礦物燃料為主要能源。隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化，很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑，積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。解決能源危機可以有如下三種辦法：一是提高燃

20、燒效率以減少能源消耗，實現清潔煤燃料以減少污染；二是開發(fā)新能源，積極利用可再生能源；三是開發(fā)新材料、新工藝，最大限度地實現實現節(jié)能。太陽能和風能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作為這兩種能源的高級利用，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電技術受到世界各國的高度重視。1.2風能太陽能的概況太陽能分布廣泛，可自由利用，取之不經，用之不竭，是人類最終可以依賴的能源。而光伏發(fā)電技術是太陽能利用技術中最具有發(fā)展前景的方式之一。它具有無污染、無噪聲、安全可靠、故障率低、維護簡單、建設周期短等優(yōu)點。它是今后可替代礦物燃料的戰(zhàn)略性能源，又是當前邊遠地區(qū)能源供應的一種有效的補充。隨著礦物燃料的逐漸消耗，太陽能光伏發(fā)電

21、技術將越來越顯示其重要性和發(fā)展?jié)摿?。風是地球上的一種自然現象，它是由太陽輻射造成地球表面受熱不均引起的，引起大氣層壓力分布不均，以致空氣流動所形成的動能稱為風能。風能是太陽能的一種轉換形式，是一種重要的自然能源，一起蘊藏量巨大、可以再生、分布廣泛以與沒有污染等優(yōu)勢而在各國發(fā)展迅速。全球的風能約為2.74109WM，其中可利用的風能為2107WM，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。可以看出，太陽能發(fā)電和風力發(fā)電對于改善能源結構、推動生態(tài)環(huán)境建設，特別是對邊遠地區(qū)的生產、生活用電等諸多領域的發(fā)展將發(fā)揮積極的作用，具有廣闊的市場前景。1.3 風光發(fā)電的發(fā)展概況光伏發(fā)電技術1839年，法國物理

22、學家EdmondBecquerel意外的發(fā)現，用兩片金屬浸入溶液結構的付打電池在光照下會產生額外的電勢，他將這種現象稱為“光生付打效應（Photovoltaic Effect）”。1873年，英國科學家WilouzhbySmith觀察到對光敏感的硒材料，并推斷出在光的照射下硒導電能力的增加正比與光通量。1880年，Charles Ffitts 開發(fā)出以硒為基礎的太陽能電池，以后人們即把能夠產生光生付打效應的器件稱為“光伏器件”。半導體PN結器件在下的光電轉換效率最高，通常稱這類光伏器件為“太陽能電池（Solar Cell）”。1954年，貝爾實驗室的科學家們第一次用晶體硅材料制成了光伏電池，光

23、電轉換效率高達4%。始于20世紀50年代的空間發(fā)展計劃成為光伏發(fā)電技術的第一個主要應用對象，而且光伏技術的發(fā)展也成為整個空間技術發(fā)展計劃的一部分，對光伏技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用。今天，幾乎所有的人造衛(wèi)星都是靠光伏電池供電，包括通信衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星和科學家實驗衛(wèi)星。風能發(fā)電技術20世紀90年代中后期，在世界圍形成了一股風力發(fā)電熱，風力發(fā)電量增長速度居全球之首。全世界風力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要有一下幾個：第一，風力發(fā)電技術比較成熟。近20年來，美國、丹麥等國家投入了大量的人力、物力和財力研究可以商業(yè)運營的風力機，取得了突破性的進展?？衫寐蕪脑瓉淼?0%提高到98%，風能利用系數超了40%。由

24、于采用計算機技術，實現了風機自診斷功能，安全保護措施更加完善，并且實現了單機獨立控制、多機群控和遙控，完全可以無人職守?，F代風力機技術是現代高科技的完善組合。目前，百千瓦級風機已經商品化，投入批量生產，兆瓦級機組也正小批量生產。第二，風力發(fā)電具有經濟性。目前據美國能源部2000年統(tǒng)計，全世界風力發(fā)電機組的單位造價已降為1000美元/KW，單位發(fā)電成本為47美分/kWh；而火力發(fā)電單位造價為700800美元/KW，單位發(fā)電成本為58美分/kWh。第三，全球有豐富的風能資源。據統(tǒng)計全球風能潛力約為目前全球用電量的5倍。美國0.6%的陸地面積安裝了風力發(fā)電機，便可以滿足美國目前電力需求的20%。第四

25、，政府的優(yōu)惠政策。美國政府為風力機行業(yè)提供40%的信貸；德國政府也給風力機投資者提供資助，資助金額最高達單臺風力機投資的60%；丹麥政府對風力機投資者提供資助，20世紀80年代初期為30%，以后逐年減少，到1990年資助完全取消。這些優(yōu)惠政策，促進了風力商品化進程，這也是以上3個國家能成為世界上風電生產大國的一個主要原因。第五，風力發(fā)電是實現人類可持續(xù)發(fā)展的需要。隨著現代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。據專家預測，煤炭還可以開采221年，石油還可以開采39年，天然氣只能用60年。國際能源專家預言：21世紀是風力發(fā)電的世紀。綠色能源風力發(fā)電將為人類最終

26、解決能源問題帶來新的希望。風光互補發(fā)電上世紀八十年代許多人開始了風能、太陽能的綜合利用的研究。丹麥的N.EBusch和Kllenbach（1981年）提出了太陽能和風能混合利用技術問題；美國的C.LAsPliden（1981）研究太陽能風能混合轉換系統(tǒng)的氣象問題；前聯的N.sarin等根據概率原理，統(tǒng)計出近似的太陽能風能潛力的估計值；余華等（1987）也提出了太陽能、風能發(fā)電機的能量轉換裝置。盡管太陽能和風力發(fā)電有上述眾多優(yōu)勢，但是作為獨立供電設備二者均存在一定的局限性。獨立的風力發(fā)電裝置在無風天氣下無法提供電能的連續(xù)供應，而太陽能發(fā)電裝置在夜晚以與陰雨天等氣候條件下無法保證電能的連續(xù)供應。采

27、用風光互補發(fā)電技術后，可以有效解決單一發(fā)電不連續(xù)問題，保證基本穩(wěn)定的供電。我國屬季風氣候區(qū)，一般冬季風大，太陽輻射強度??；夏季風小，太陽輻射強度大。同時大部分地區(qū)正午太強的時候一般沒有風，而在夜間沒有太照的時候風力則相對較強。風和光在時間上的互補性使得風光互補發(fā)電技術在保障供電連續(xù)性上有重大意義，風光互補發(fā)電系統(tǒng)具有電力輸出穩(wěn)定、經濟性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，也解決了太陽能發(fā)展中對電網沖擊等影響。因而風光互補發(fā)電技術正在得到廣泛地應用。2 風光互補發(fā)電系統(tǒng)整體結構系統(tǒng)結構圖如圖1所示。該系統(tǒng)是集風能、太陽能與蓄電池等多種能源發(fā)電技術與系統(tǒng)智能控制技術為一體的復合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池

28、風力發(fā)電機微機控制系統(tǒng) 逆變器蓄電池圖1系統(tǒng)框圖從圖1中我們可以看出，它的主要組成設備有：風力發(fā)電機：風機采用具有特別適合大多陸地區(qū)低風速、時發(fā)電特性好、發(fā)電量大的特點。具有機械、電子剎車裝置，可以確保在高風速時，風機轉速穩(wěn)定控制在安全可靠的圍，使最高輸出電壓成為安全可控的電壓。采用12V/150W風力發(fā)電機，當風力3m/s工作，10m/s風速時達到額定150W功率。太陽能光電池板：采用100W/14V ，0.6的硅光電池，它能將太陽能轉化為電能，屬于一種半導體元件，它的特點：它是轉換效率高達15%的單晶硅太陽能電池板。具有抗風、防潮、工作穩(wěn)定、無需維護等特點。鉛酸蓄電池：蓄電池的選擇要求：重

29、量輕、體積小、能量轉換率高、自放電慢、充放電循次數多（即使用壽命長）等。其次，還有些特殊要求如低溫時能大電流放電、維護簡單或無需維護、自放電（析氫）特別慢等。微機控制系統(tǒng)：微機控制系統(tǒng)是整個設計的核心容。它是整個系統(tǒng)安全運行的基本保證。另外本系統(tǒng)受應用環(huán)境的要求，本身就要現免維護。所以無論從硬件系統(tǒng)還是軟件系統(tǒng)都要對系統(tǒng)有保護作用。逆變器：逆變系統(tǒng)是把蓄電池中的直流電變成標準的220V交流電，保證交流電在設備的正常使用。同時還具有自動穩(wěn)壓功能，可改善風光互補發(fā)電系統(tǒng)的供電質量；在逆變器的電路結構形式上，主要是工頻變壓器和高頻變壓器兩種形式。對一個風光發(fā)電系統(tǒng)而言，逆變器是一種電力電子設備，抗過

30、載，抗沖擊的能力要相對弱一些，是最易出故障的單元。3 光伏發(fā)電介紹3.1太陽能光伏電池的原理太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)用于把太陽的光能直接轉化為電能。目前世界各國正在研究的太陽電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。在能量轉換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池。多晶硅比單晶硅轉換效率略低，但價格更便宜。另外，還有其它類型的太陽電池。太陽能電池的能量轉換是應用P-N結的光伏效應（Photovoltaic Effect）。首先對P-N結二極管做一簡單說明。如圖3-1所示，為一理想的P-N結二極管的電流-電壓（I-V）特性圖，其對應的方程式如下： （1）Ipn，Vp

31、n：P-N結二極管的電流與電壓k：波爾茲曼常數（Boltzmann Constant：1.3810-23J/K）q：電子電荷量（1.60210-19庫侖）T：絕對溫度（凱氏溫度K攝氏溫度273度）Is：等效二極管的逆向飽和電流VT：熱電壓（Thermal Voltage：25.68mV）太陽能電池將太能轉換為電能是依賴自然光中的的量子-光子（Photons），而每個光子所攜帶的能量為Eph： （2）h：普郎克常數（Planck Constant：4.1410-15eVS）c：光速（3108m/s）：光子波長圖3-1P-N結二極管I-V特性圖但并非所有光子都能順利地通過太陽能電池將光能轉換為電能

32、，因為在不同的光譜中光子所攜帶的能量不一樣。當光子所攜帶的能量大于禁帶（Band Gap）能量時，電子由價電帶（Valence Band）躍遷至導電帶（Conduction Band）而產生所謂的“電流”，所以當光子所攜帶的能量若大于禁帶能量時，便可以通過光電子轉換成電能。當入射太的能量大于硅半導體的禁帶能量時，太子照射入半導體，把電子從價電帶激發(fā)到導電帶，從而在半導體部產生了許多“電子-空穴”對，在建電場的作用下，電子向N型區(qū)移動，空穴向P型區(qū)移動，這樣，N區(qū)有很多電子，P區(qū)有很多空穴，在P-N結附近就形成了與建電場方向相反的光生電場，它的一部分抵消了建電場，其余部分則使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負

33、電，于是在N區(qū)與P區(qū)之間產生了光生伏打電動勢，這就是所謂的“光生伏打效應”。如果位太陽電池開路，即組成電池回路中，負載電阻為無窮大，則被P-N結分開的電子和空穴，就會全部積累在P-N結附近，于是出現了最大光生電動勢，它的數值即為開路電壓，記作Voc。如果把太陽電池短路，即回路負載電阻為零，則所有P-N結附近的電子與空穴，由結的一邊，流經外電路到達結的另一邊，產生了最大可能的電流，即短路電流記作ISC。太陽能電池相當于具有與受光面平行的極薄P-N結的大面積的等效二極管，因此可以假設太陽能電池為一個二極管與太電流發(fā)生源所并聯的等效電路，如圖3-2所示。圖3-2 太陽能電池的理想狀態(tài)等效電路3.2太

34、陽能電池板的計算硅太陽能發(fā)電板容量是指平板式太陽能板發(fā)電功率WP。太陽能發(fā)電功率量值取決于負載24h所能消耗的電力H(WH)，由負載額定電源與負載24h所消耗的電力，決定了負載24h消耗的容量P(AH)，再考慮到平均每天日照時數與陰雨天造成的影響，計算出太陽能電池陣列工作電流IP(A)。由負載額定電源，選取蓄電池公稱電壓，由蓄電池公稱電壓來確定蓄電池串聯個數與蓄電池浮充電壓VF (V)，再考慮到太陽能電池因溫度升高而引起的溫升電壓VT(v)與反充二極管P-N結的壓降VD(V)所造成的影響，則可計算出太陽能電池陣列的工作電壓VP(V)，由太陽電池陣列工作電源IP(A)與工作電壓VP(V)，便可決

35、定平板式太陽能板發(fā)電功率WP，從而設計出太陽能板容量，由設計出的容量WP與太陽能電池陣列工作電壓VP，確定硅電池平板的串聯塊數與并聯組數。太陽能電池陣列的具體設計步驟如下：計算負載24h消耗容量P。P=H/V（）V負載額定電源選定每天日照時數T(H)。計算太陽能陣列工作電流。IP=P(1+Q)/T（）Q按陰雨期富余系數，Q=0.211.00確定蓄電池浮充電壓VF。鎘鎳()和鉛酸()蓄電池的單體浮充電壓分別為1.41.6V和2.2V。太陽能電池溫度補償電壓VT。VT=2.1/430(T-25)VF（）計算太陽能電池陣列工作電壓VP。VP=VF+VD+VT（）其中VD=0.50.7，約等于VF太陽

36、電池陣列輸出功率平板式太陽能電板。WP=IPUP（）根據VP、WP在硅電池平板組合系列表格，確定標準規(guī)格的串聯塊數和并聯組數。太陽電池陣列的伏安特性如圖5。由圖可知，該伏安特性曲線具有強烈的非線性。太陽電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當日射S=l000W；太陽電池溫度T=25；大氣質量AM=1.5時，太陽電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“WP”。當日射S0。當光耦U2斷開時，由于Q1的G極電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs0，當G極電壓達到一定值時，Q1導通。電容C4是太陽能電池板輸出電壓濾波，使得更穩(wěn)定地給蓄電池充電。電容

37、C5是對蓄電池輸出電壓進行濾波，以保證負載供電電路的穩(wěn)定性。圖中穩(wěn)壓管D2用來對蓄電池進行穩(wěn)壓作用。當用戶將蓄電池反接至控制器時，續(xù)流二極管D3可以進行續(xù)流，從而保護控制器不被毀壞。圖 4-6 充放電電路按程序設計當檢測到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導通狀態(tài)，也就是導通的脈沖占空比最大；當檢測到蓄電池的電壓在12V-14.5V，充電模式為浮充，Q1導通與不導通的占空比例變小，；當檢測到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充電停止，同時Q2也關閉來關斷負載。當檢測到蓄電池的電壓低于10.8V，Q2關閉停止放電，關斷負載來實現欠壓關斷。4.4光耦驅動電路為了增加系統(tǒng)的可靠性

38、，本設計用光電耦合器實現單片機控制電路和充放電電路的隔離。光耦驅動電路如圖4-7所示。M0S管Q1控制著充電電路，當充電控制信號PWM為低電平時，光耦部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側三極管不導通，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當于開關“斷開”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V左右，MOSEFT的Vgs0，MOS管Q1開啟，太陽能極板開始對蓄電池充電；當充電控制器信號為高電平時，光耦部的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導通，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當于開關“接通”，此時從U2輸入的電壓經光耦流向接地端，K1處的電壓接近為零，MOSEFT的Vgs0，Q1截止，充電電路關斷。這就是充

39、電電路原理。M0S管Q2控制著放電電路，其原理與Q1相似。 圖4-7 光耦驅動電路4.5 A/D轉換電路本系統(tǒng)設計的STC89C52單片機沒有置的A/D轉換模塊，因此需要先采集蓄電池的電壓，然后經A/D轉換才可接入單片機。市場中集成的A/D轉換器品種很多，選用時需要綜合考慮各種因素進行選取。一般逐次比較型A/D轉換器用到較多，本設計采用8位并行A/D轉換器芯片ADC0804。因為蓄電池電壓的采集轉換在系統(tǒng)中極為重要，所以下面對所選ADC0804芯片與在本系統(tǒng)中是典型連接電路予以介紹。4.5.1 ADC0804的簡介AD轉換就是模數轉換，顧名思義，就是把模擬信號轉換成數字信號。AD轉換器最主要的

40、技術參數是轉換速度和轉換精度，由于逐次比較型兼有并行A/D轉換器轉換速度高和雙積分型轉換精度高的優(yōu)點，所以得到普遍應用。ADC0804就是這類集成A/D轉換器。ADC0804 為一只具有20引腳并行8位CMOS工藝逐次比較型的集成A/D 轉換器， 其規(guī)格如下： (1) 高阻抗狀態(tài)輸出，分辨率：8 位(0255)(2) 存取時間：135 us；轉換時間：100 us(3) 總誤差：正負1LSB(4) 工作溫度：0度70度； (5) 模擬輸入電壓圍：0V5V (6) 參考電壓：2.5V；工作電壓：5V (7) 輸出為三態(tài)結構，可直接連接在數據總線上。ADC0804引腳圖如圖4-8所示，其各個引腳的

41、功能： 芯片片選信號輸入端，低電平有效，一旦有效，表明A/D轉換器別選中，可啟動工作。外部讀取轉換結果的控制輸出信號。為 1 時，DB0DB7 處理高阻抗： 為 0 時，數字數據才會輸出。用來啟動轉換的控制輸入，相當于 ADC 的轉換開始（=0 時），當 由 1變?yōu)?0時，轉換器被清除：當 回到 1時，轉換正式開始。 圖 4-8 ADC0804引腳圖CLK IN時鐘信號輸入端CLK R：部時鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK配合可有芯片自身產生時鐘脈沖，其振蕩頻率為 1/（1.1RC） 中斷請求信號輸出,端，低地平動作.，表明本次轉換已完成。VIN(+) VIN(-) 差動模擬電壓輸入。輸入單端正

42、電壓時, VIN(-)接地:而差動輸入時, 直接加入 VIN(+) VIN(-). AGND,DGND模擬信號以與數字信號的接地. VREF/2參考電平輸入，決定量化單位。 DB0DB7三態(tài)特性數字信號輸出端. VCC: 電源供應以與作為電路的參考電壓. 4.5.2 ADC0804外圍接線電路（1）電壓采集電路 如圖4-9所示，電壓采集電路使用兩個串聯的電阻，大小比例為2:1，然后并聯在需要檢測的電壓兩端，從兩個電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為ADIN，當蓄電池充滿電時電壓大概為14.5V，計算出采集到的電壓為4.8V，符合A/D轉換芯片的ADC0804的輸入值。圖 4-9 電壓采

43、集電路（2）ADC0804構成的典型A/D轉換電路圖 4-10 A/D轉換電路按照芯片手冊中ADC0804的典型接法，系統(tǒng)中設計的A/D轉換電路如4-10所示。單片機的P2.7引腳，用來實現片選；、分別接單片機的P3.6和P3.7引腳，進行讀寫控制；CLK、CLKR、GND之間用電阻和電容構成RC振蕩電路，用來給ADC0804提供工作所需的脈沖。蓄電池的電壓采集信號ADIN從6腳引入，在部采集轉換后，從數字輸出端輸出到單片機的P1口，通過讀P1口數據，便可以得到蓄電池的電壓，實現實時在線檢測。4.6 LCD顯示電路液晶具有體積小、功耗低，顯示清晰的優(yōu)點，所以比較適合作顯示使用。為了更好的顯示電

44、壓值，同時擴展自己學習芯片的能力，本設計用液晶1602來顯示蓄電池的電壓值。在使用1602之前，我們首先查閱其使用手冊，對其進行一定的了解。從芯片手冊中，可以得到1602液晶的主要技術資料，如表4-1所示，通過此表我們可以知道1602工作電壓和顯示容量，可以驗證設計選擇的是否合適。表 4-1 1602的主要技術參數顯示容量 162個字符 芯片工作電壓 4.55.5V 工作電流 2.0mA（5.0V）模塊最佳工作電壓 5.0V 字符尺寸 2.954.35（WH）mm顯然，1602液晶可以滿足要求，接下來介紹其各個引腳的功能，為后面設計電壓顯示電路做準備。1602引腳功能如表3-2所示。表 4-2

45、 1602引腳功能表引腳符 號名 稱功 能1Vss接地0V2VDD電路電源5V10%3VO液晶顯示對比度調節(jié)端用于調節(jié)對比度4RS寄存器選擇信號H:數據寄存器 L:指令寄存器5R/W讀/寫信號H:讀 L:寫6E片選信號下降沿觸發(fā),鎖存數據7-14DB0-DB7數據線數據傳輸圖 4-11 電壓顯示電路根據1602的技術參數和引腳功能， 1602與單片機連接構成的電壓顯示電路如圖4-11所示。EN使能端接單片機的P2.2引腳，用來實現片選；RS接單片機P2.0引腳，進行數據和命令選擇；R/W接單片機P2.1引腳，進行讀寫控制； 為防止直接加5V電壓燒壞背光燈，在15腳串接一個10 的電阻用于限流。

46、液晶3端通過接一個10K 電位器接地來調節(jié)顯示對比度。數據輸入端D0-D7接單片機的P0口用于電壓數據的傳送。4.7 E2PROM數據存儲電路為了把電路發(fā)生異常時的蓄電池電壓記錄下來，需要用存儲芯片進行數據保存。若采用普通存儲器，在掉電時需要備用電池供電，并需要在硬件上增加掉電檢測電路，但存在電池不可靠與擴展芯片占用單片機過多口線的缺點。為了解決這一難題，本設計采用具有I2C總線接口的串行E2PROM器件，這里選擇AT24C02芯片。AT24C02可有效解決掉電數據保存問題，可對所存在數據保存100年，并可多次擦寫，擦寫次數可達10萬次以上。AT24C02是一個2K位串行CMOS E2PROM

47、， 部含有256個字節(jié)，采用先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02部有一個8字節(jié)頁寫入數據緩沖器。該器件通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。為了更好的使用AT24C02，首先來介紹其各個引腳功能，如表4-3 所示。表 4-3 AT24C02管腳描述管腳名稱 功能 A0 A1 A2 可編程地址輸入端SDA 串行數據/地址 SCL 串行時鐘 WP 寫保護 Vcc 電源端，+1.8V6.0V 工作電壓 GND地 I2C串行總線一般有兩根信號線，一根是雙向的數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。所有接到I2C總線設備上的串行數據SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線S

48、CL接到總線的SCL上。根據各引腳的功能，依據總線系統(tǒng)的典型硬件連接圖，AT24C02與單片機連接構成的數據存儲電路如圖4-12所示。圖 4-12 數據存儲電路4.8 串口通信電路隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網路技術的普與，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，不過通常使用的是單片機與計算機之間的通信。通信有并行和串行兩種方式。由于并行通信存在使用傳輸線較多，長距離傳送成本高且收、發(fā)方的各位同時接受存在困難等諸多問題，所以在現代單片機測控系統(tǒng)中，信息的交換多采用串行通信方式。本設計中加入串行通信電路的目的主要有三個：一是方便給單片機下載

49、程序；二是使控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控的功能；三是將控制器每天采集到數據的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時的數據記錄下來，供用戶查看。由于單片機的電平和計算機電平不兼容，設計中采用MAX232芯片進行TTL電平和RS-232電平之間的轉換。而且系統(tǒng)采用易于實現的異步串行通信方式，用最簡單也最實用的奇偶校驗作為串行通信錯誤校驗方式。MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5v單電源供電。其主要特點：（1）符合所有的RS-232C技術標準 （2）只需要單一 +5V電源供電 （3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產生+10V和-10V電壓V+、V- （4）

50、功耗低，典型供電電流5mA （5）部集成2個RS-232C驅動器 （6）部集成兩個RS-232C接收器 （7）高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。了解芯片的主要特點之后，接下來我們來認識MAX232它的各個引腳的功能，即有什么作用，以更好地設計串口通信電路。其引腳圖如圖4-13所示。第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為

51、第一數據通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。TTL/CMOS電平從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232電平從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）圖4-13 MAX232的引腳圖按照串行通信原理，根據RS-232串口協議和MAX 232芯片的引腳功能，結合STC89C52單片機串行中斷方式，本設計采用串口方式1（10位數據的異步通信）來構建串口通信電路。電路如下

52、圖4-14所示。設計中T1IN連接CMOS電平的單片機的串行發(fā)送端；T1OUT連接電腦的RS-232C串口的接收端PCRXD；同理，R1IN連接電腦的RS-232C串口的發(fā)送端PCTXD；R1OUT連接CMOS電平的單片機的串行接收端。當然單片機和DB9要共地，這是實現串行通信的前提條件。圖4-14 串口通信電路本章對充放電控制器的原理以與具體的硬件實現電路進行了詳細的介紹，并對電路中使用到的芯片也予以描述，使讀者通過閱讀可以清晰的明白控制器的設計思路和實現過程。4.9 太陽能充電控制器的軟件設計軟件設計采用C語言來實現，受C語言模塊化編程設計思想的啟發(fā)，本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計思路，即整

53、個控制軟件由許多獨立的子程序（子函數）模塊組成，它們之間通過函數調用實現連接。既便于調試，連接，又便于移植、修改。系統(tǒng)軟件主要完成蓄電池電壓采集轉換，PWM脈沖充電控制、實時LCD顯示，異常報警等。包括以下幾部分：系統(tǒng)主程序設計，電壓采集轉換模塊，顯示模塊和異常數據存儲模塊。4.9.1 系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-15所示。圖 4-15系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)主程序是整個電壓測控系統(tǒng)中最重要的程序，是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)程序。蓄電池電壓的采集、轉換顯示和異常數據的存儲都在測控子程序中進行，系統(tǒng)應用主程序采用模塊化結構，首先完成初始化，然后就開始按順序調用各個模塊子程序，通過系統(tǒng)自檢和控

54、制指令來實現數據處理和電路控制，有效的控制蓄電池充放電。4.9.2 軟件調試和仿真為了檢驗自己設計的單片機系統(tǒng)是否可以正常工作以與設計合理性，很有必要對系統(tǒng)進行模擬仿真。通過仿真可以看出系統(tǒng)硬件設計的不合理部分，以方便改善使得系統(tǒng)更加合理；同時更重要的是驗證自己編寫的軟件程序是否已經實現其功能，完成了相應的設計要求和設計任務。軟件調試的過程：首先根據太陽能充電控制器軟件設計要完成的設計任務，然后按照C語言模塊化設計的編程方法，設計出各個子模塊和主程序的算法流程圖，最后在KEIL C51中去編寫相應的程序去實現。當然在編寫程序進行軟件實現過程中，遇到的第一個問題就是：程序的調試。程序編寫后，進行

55、編譯，一開始發(fā)現了很多錯誤，一下子把自己卡住了；后來通過查看相關資料，同時咨詢指導老師和同學的經驗，在軟件的提示下，慢慢地修改，最終把出現的錯誤都改正過來了。程序調試成功后，下一步就是軟件仿真，是檢驗程序運行是否正確的關鍵所在，更是優(yōu)化系統(tǒng)所必須的。Proteus軟件為單片機系統(tǒng)提供了良好的仿真環(huán)境，所以程序調試完成后，把在KEIL中生成的目標文件HEX文件，下載在仿真系統(tǒng)的單片機中，進行KEIL和proteus聯合調試，看系統(tǒng)是否能正常工作。使用protues進行仿真，首先要畫電路圖，電路圖由以上介紹的幾部分組成，但因為此版本中沒有STC89C52單片機，所以用AT89C52代替，畫好的電路

56、圖如圖4-16所示。和自己當初預料的一樣，在剛開始仿真時，遇到了許多的問題，如1602液晶不顯示，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈指示狀態(tài)不正確等等，調試很久才找到問題所在，經修改才得以調試成功。系統(tǒng)共三種狀態(tài)：正常充電、過充、過放。這里僅列出系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下的仿真圖，如下圖4-16所示，以便更形象的看出充電控制器部結構設計和實現功能。正常工作時的狀態(tài)：圖 4-16 正常工作狀態(tài)仿真 其工作原理如下，單片機在軟件程序控制下，控制著各個部分硬件電路有序工作，把從模數轉換器得到的蓄電池的電壓值，用1602液晶去顯示，同時綠燈亮起表示系統(tǒng)正在充電。由于利用C語言開發(fā)單片機與匯編語言相比，具有易于操作、規(guī)性好、

57、適合模塊化處理且容易移植的優(yōu)點，所以本設計采用C語言作為編程語言。按照C語言模塊化程序設計方法，論文編制了系統(tǒng)主程序和各個子程序模塊來實現PWM脈寬調制控制策略和各種保護，完成了軟件設計任務。5 逆變主電路的設計獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變電路的設計主要包括逆變主電路的設計、控制電路、驅動電路等的設計。單相逆變電路最常用的結構有半橋和全橋兩種，半橋電路結構簡單，但輸出電壓低；全橋電路相對復雜，但控制靈活，且輸出電壓是半橋電路的兩倍，因此逆變主電路采用單相全橋電壓型。如圖5-1所示為逆變環(huán)節(jié)主電路圖。對輸入的直流電進行PWM調制，經過LC濾波輸出。采用電壓瞬時值反饋，對輸出電壓進行采樣隔離，反饋信號送給

58、控制芯片，通過PWM生成環(huán)節(jié)產生各功率管的開關信號，控制功率管的通斷，使輸出電壓盡可能跟蹤給定信號。圖5-1 逆變電路的拓撲圖5.1控制方法對于光伏逆變電源的逆變部分，在這里采用脈寬調制方式，得到修正正弦波。PWM(Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調制技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。5.2控制芯片控制芯片為 Microchip公司的PIC16F73單片機。PIC單片機是采用RISC結構的高性價比嵌入式控制器，采取數據總線和地址總線分離的Harvard雙總線結構，具有很高的流水處理速度。PIC16F73最高時鐘頻率為20

59、MHZ，每條指令執(zhí)行周期200ns，由于大多數指令執(zhí)行時間為一個周期，因此速度相當快。其含192字節(jié)的RAM ，4K程序存儲器、5路A/D轉換與2路PWM波發(fā)生器，應用時外圍電路極其簡單，是理想的單相逆變電源數字控制器。單片機通過部軟件產生兩路PWM控制信號，然后經過邏輯門變換電路變換成逆變全橋所需的四路驅動信號，再經專用驅動芯片TLP250隔離放大后，分別加到逆變全橋四個IGBT的柵極，進行驅動控制。5.3PWM控制電路5.3.1PIC16F73供電電源由于本文設計的光伏發(fā)電系統(tǒng)只有蓄電池提供的12V電壓，故此芯片的5V供電電源需要進行電壓轉換，采用78L05三端集成穩(wěn)壓器，其電路接法如圖5

60、-2所示：圖5-2 78L05電平轉換電路5.3.2時序和死區(qū)電路在電路工作中,開關管的關斷時間往往長于接通建立時間,會出現上下橋臂直通的危險,為此,電路設有死區(qū)時間。設置死區(qū)時間是為了避免由于功率開關的時延存在,功率橋的同一橋臂上下開關管可能出現“直通”尖峰電流現象。另外，PIC16F73只有兩路PWM輸出，因此需要采用時序電路，得到四路PWM輸出，如圖5-3所示：圖5-3 時序死區(qū)電路5.3.3光耦隔離電路后級輸出驅動開關管時同樣需要進行光耦隔離，為了簡化電路，采用4個TLP250光藕，如圖5-4所示。圖5-4 后級光耦隔離電路同時，H橋的二個上管用了自舉式供電方式，因為BT電壓會在10-