1、陕西理工学院毕业设计 I 基于单片机的太阳能 电池 控制器 的 设 计 【 摘要 】 目前在全世界范围内，由于能源的不可再生和人类的过度开采，全球化的能源危机已经初现端倪，为此世界各国竞相发展绿色能源，太阳能凭借其独特的优点，受到了一致的青睐，在太阳能的各种应用中，光伏发电应用倍受关注。光伏发电系统主要有两种：分布式发电系统和独立式发电系统，然而现在光伏发电应用的主流为独立式发电系统，在独立式发电系统中主要由四部分：太阳能电池板，控制器， ,和直流负载。其中控制器为整个发电系统的核心，由于独立式发电系统中蓄电池的充电放电比较频繁故所以控制器 要对蓄电池的充电放电进行管理，从而延长蓄电池寿命，减
2、少系统的故障率，提高系统稳定性大大减少发电运营成本。本次毕业设计就将对独立式光伏发电中所要使用到的基于单片机的太阳能蓄电池的控制器进行探讨和研究。 【 关键词 】太阳能；单片机；控制器 Abstract: At present,while most countries all over the world are developing green and renewable energy， solar energy is accepted commonly because of its unusual advantages Photovoltaic(PV)systems are paid mo
3、re attention 陕西理工学院毕业设计 II to among its various applications PV systems are mainly two: stand-alone distributed power systems and power generation systems, but stand-alone systems has been a trend in nowdays. Stand-alone distributed power systems has four mainly parts: the Solar panels, the controll
4、er, the battery and the DC load, while in the four parts, the controller is the most important one. The controller has to decide how and when to charge or discharge because of the high working frequency of the system， So the controller can extended the battery life， decrease the failure rate，make th
5、e system steady and reduce the costs of system. This gradual design aimed at the study of the controller used in the stand-alone systems based on microcontroller. Key words: solar energy; microcontroller; controlle 目录 陕西理工学院毕业设计 III 1 概述 . 1 1.1 题目要求 . 1 1.2 题目国内外发展现状 . 1 1.3 题目设计目标级功能要求 . 2 1.4 题目设
6、计所需要的环境 . 2 2 总体设计 . 3 2.1 硬件总体设计 . 4 2.2 程序总体设计 . 4 3 硬件设计 . 9 3.1 电压采集电路 . 9 3.1.1 电压采样电路 . 9 3.1.2ADC0809 模数转换芯片 . 9 3.1.3 74LS373 锁存器 . 11 3.2 单片机及其外围电路 . 12 3.2.1 单片机功能引脚介绍 . 12 3.2.2 单片机外围电路 . 13 3.3 充放电电路 . 14 3.3.1MOSFET . 14 3.3.2 光耦合器件 . 15 3.3.3PWM 控制技术介绍 . 16 3.4 硬件设计软件 . 18 4 软件设计 . 19
7、陕西理工学院毕业设计 IV 4.1 中断系统 . 19 4.1.1 中断系统结构 . 19 4.1.2 中断响应 . 22 4.1.3 中断响应过程 . 22 4.1.4 中断请求的撤销 . 23 4.2 各设计模块 . 24 4.2.1 程序初始化模块 . 24 4.2.2 定时器中断模块 . 24 4.2.3A/D 转换模块 . 25 4.2.4PWM 脉冲宽度 控制模块 . 25 4.2.5 方案的选择控制模块 . 26 4.2.6 单片机停止工作的按键输入模块 . 26 4.3 软件总体设计 . 26 5 系统调试 . 31 5.1 硬件电路调试 . 31 5.2 程序调试 . 32
8、6 其它 器件介绍 . 33 6.1 太阳能电池 . 33 6.2 蓄电池 . 33 6.2.1 蓄电池分类 . 33 6.2.2 蓄电池容量 . 33 6.2.3 蓄电池能量效率 . 35 陕西理工学院毕业设计 V 6.2.4 蓄电池循环寿命 . 35 参考文献 .36 致谢 .38 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 38 页 1 概述 1.1 题目要求 在全球能源形势紧张，全球气候变暖严重威胁经济发展的今天，世界各国都在寻取新的能源替代战略，以求得可持续发展及在日后的发展中获得优势地位。太阳能以其清洁、可再生、安全等显著等显著优势成为当今关注的重点。尤其是太阳能光伏 发电技术，在近些年
9、来更是得到飞速的发展，时至今日光伏发电技术已经极其成熟，在光伏发电技术中主要分为两种 :独立式发电系统和分布式发电系统。分布式发电系统则主要应用于大规模的并网发电系统。独立式发电系统主要面向小型用户或者小型负载，独立式发电系统以其应用灵活，适应性强贝越来越多的应用于各个领域。 独立式光伏发电系统主要有 4 部分组 :太阳能电池板、制器、 电池和直流负载。太阳能电池板和蓄电池的技术发展相对来说比较成熟，而对于控制器由于所适用的场合有所不同，其对性能的要求也就各不相同，就一般太阳能电池板蓄电池对于控制器 的要求主要侧重于对蓄电池充放电的管理，以及对夜间和白昼的充放电选择，这样才能更加合理的利用太阳
10、能，使光伏发电系统的效率最大化，另一方面通过单片机对蓄电池的过充电和过放电的管理，可以延长蓄电池的寿命，从而进一步提升系统的性价比，因此对于设计出这样一种智能控制器就显得很必要了。 1.2 题目国内外发展现状 太阳光没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点： 1.无枯竭危险； 2.干净无公害； 3.不受资源分布地域的限制； 4.可在用电处就近发电； 5.能源质量高；6.获取能源花费的时间短 。正是由于以上特点，美国在经历上世纪 80 年代能源危机后，就一直致力于开发太阳能发电技术，到现在为止该项
11、技术在美国，德国，瑞士和日本等国的技术发展和推动下，已变得极为成熟。在我国国内市场，已经有很多对此类控制器开发研制的技术厂商和科研院所，因此从某一方面来讲，我国已完完全全进入太阳能全面发展的时代。 图 1.1 太阳能电池板给直流系统供电的系统结构框图 太阳能电池板 控制装置 直流负载 蓄电池 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 38 页 图 1.2 本次设计中所采用的系统结构框图 1.3 题目设计目标及功能要求 在本次设计中抓药要设计出一种智能型的太阳能电池控制器，对功能具体要求如下： 1 电池长时间发电，电压较低时要停止放电 。 2 蓄电池电压高于其所能承受的电压时，要停止对其充电 。 3
12、 通过电压采样检测，对不同的蓄电池不同充电状态，采用不同的充电方案 。 4 对于整套充放电系统要设置可手动关停的按钮，以达到对系统更为智能的设计 。 5 通过设置时间，从而根据 光照情况对蓄电池进行自动的关停。 6 可对线路进行过流，短路保护 本 次设计中将 以 ATMEL 系列中的 AT89S51 单片机为控制中心，软硬件的结合，利用分压电路对蓄电池，太阳能电池的电压、电流进行采样。再经过 A/D 转换采样数据输入到单片机中进行处理。单片机输出经光耦驱动 MOSFET 管来控制外接电路开启关闭。该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电，当蓄电池电压在 14.4V+0.5 时，太阳能电池停止对蓄电
13、池充电，当蓄电池电压在 10.9V+0.5 时，蓄电池停 止对负载放电；负载电流检测电路可进行过流保护及负载功率检测 .。 1.4 题目设计所需要的环境 对于本次设计的关键核心在于，如何对硬件电路进行设计，和单片机 程序如何设计。现行的硬件电路设计和单片机汇编语言设计的主要工具为 proteus 和 keil uVision2， proteus 对数字电路的设计有着优越的性能，它有着庞大的元件库，而且元件库中拥有大量的微处理器芯片，另一方面， keil 对汇编语言进行编译成功后可产生能与 proteus 进行联机调试的“ HEX”文件。故在本次设计中采用 proteus 和 keil 这两款软
14、件分别对软硬件进行设计和仿真。 在接下来的各个章节中，我们就将对独立式光伏发电系统中的控制器部分，通过 proteus和 keil 对其进行软硬件的设计，并对其进 行仿真。 太阳能电池 蓄电池 充电控制 光耦电路 A/D 转换 分压电路采集电压 分压电路采集电压 A/D 转换 光耦电路 放电控制 51 单 片 机 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 38 页 2 总体设计 系统设计的流程图如下 Y N Y N Y N N Y 图 2.1 系统设计 的流程图 开 始 初始化变量 电压采集 Vbat 12V Vbat 14.5V Vbat 10.8V 停止充电 快充 浮充 停止放电 是否按键输入
15、 结束 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 38 页 由流程图可知，对于 整个充放电过程主要分为以下 4 个阶段： Vbat 10.8V 时，电池停止放电 ，而且当有结束按键输入时要结束整个程序，当无啊、结束按键输入时，程序转而对蓄电池进行快充 10.8V Vbat 12V 时，对电池进行快速充电 12V Vbat 14.5 时，对电池进行浮充 Vbat=14.5V 时，对电池停止充电 执行以上各阶段程序后，程序要继续进入电压检测阶段，进而根据充电情况对充放电方案重新进行选择。 由流程图可以看出没有对充放电进行专门的设置， 而是通过单片机比较经过 A/D 转换过的采样电压的大小来对冲电或放电
16、进行管理的，当电压值大于 14.5V 时单片机发出信号，使得充放电电路停止充电，当然此时可以放电回路，可以放电，也可以出断开状态； 当电压值小于 10.8V 时，首先要断开放电回路，然后再通过一个外置于单片机的手动开关，若此时用户想要控制器停止工作，则按下按钮，此时单片机就会进入停止工作状态，若想让单片机继续进行充放电工作状态，则无需按下按钮，系统会自动进入快充状态，之后后继续进入下一个电压采集转换，以及方案选择的循环中，直至用户需要停止系统工作按 下按钮。 2.1 硬件总体设计 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A
17、D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /
18、R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115U18 0 C5 1D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U77 4 L S 3 7 3O UT 121A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( - )16I N31I N42I N53I N64I N75S T A RT6O UT 58E
19、O C7OE9CLO C K10O UT 220O UT 714O UT 615O UT 817O UT 418O UT 319I N228I N127I N026A L E22U2A DC 0 8 0 81 1 V123 45 6U2( CLO CK )1 0 k充满低压R2( 2 )1 0 k1 0 kR3(1)停止1 1 M H z1 0 0 p1 0 0 p1 0 k1 0 u1 0 k(2)7623U6O P T O CO UP L E R- NA N D5k5k太阳能电池板D11 N40 0 11 0 0 uQ1I RF 9 5 3 04k1kD21 N40 0 1蓄电池Q2I R
20、F 9 5 3 0直流负载7623U8O P T O CO UP L E R- NA N D5k5k1k图 2.1 硬件总体设计图 2.2 程序总体设计 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP EXTERN_INT ORG 000BH LJMP TIMER0_INT 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 38 页 START: MOV SP,#050H ;设置堆栈 MOV R0,#030H ;设置 A/D 存储单元初始地址 MOV IE,#0FFH ;打开所有中断 MOV DPTR,#0FEF8H ;采集通道首地 址，只使用一路 A/D 就可以 MOV R0,#
21、40H MOV R0,#00H ;清除方案选择 MOV R0,#40H MOV R0,#00H ;清楚方案选择触发位 MOV R1,#042H MOV R0,#00H ;清除定时计数器 LCALL TIMER1_INT LOOP: MOV R0,#30H ;30H 是 A/D 转换的地址，将数据和几个值进行比较，确定方案 MOV A,R0 SUBB A,#99H ;当电压很小的时候，采用第 1 种方案，想引脚 PWM发送占空比为 10%的信号 JC PROCESS_01 MOV A,R0 SUBB A,#0AAH JC PROCESS_02 ;很小的时候，采用第 2 种方案，想引脚 PWM 发
22、送占空比为 20%的信号 MOV A,R0 SUBB A,#0CDH JC PROCESS_03;电压很小的时候，采用第 3 种方案，想引脚 PWM 发送占空比为 50%的信号 MOV A,#04H ;当电压超出的时候，采用第 4 种方案，向引脚 PWM发送占空比为 0%的信号 LJMP PROCESS_04 CLEAR_FLAG: MOV R0,#40H ;清除方案选择位 MOV R0,#00H MOV R0,#41H ;清除触发位 MOV R0,#00H LJMP LOOP PROCESS_01: MOV R1,#040H; MOV R1,#01H; ;选择 方案 1 PROCESS_01_NEXT: CLR P2.4 ; ;将和 PWM 连接的管脚置低，此时停止充电 MOV R1,#01H; MOV R0,#01H
