1、成都理工大学工程技术学院毕业论文太阳能充电控制器及逆变器设计太阳能充电控制器及逆变器设计-I-摘要太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面，其核心部分就是充电控制器。在总体方案的指导下，本设计使用低功耗、高性能，超强抗干扰的 STC89C52 单片机作为核心器件对整个电路进行控制。系统硬件电路由太阳能电池充放电电路，电压采集和显示电路，单片机控制电路和 RS232 串口通信电路组成，主要实现对蓄电池电压的采集和显示。软件部分依据 PWM（Pulse Width Modulat
2、ion）脉宽调制控制策略，编制程序使单片机输出 PWM 控制信号，通过控制光电耦合器通断进而控制 MOSFET 管开启和关闭，达到控制蓄电池充放电的目的，同时按照功能要求实现了对蓄电池过充、过放保护和短路保护。实验表明，该控制器性能优良，可靠性高，可以时刻监视太阳能电池板和蓄电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。关键词 ：充电控制器 太阳能光伏发电 PWM 脉宽调制太阳能充电控制器及逆变器设计-II-AbstractSolar photovoltaic power generation has become an important part of new energy
3、 and renewable energy, it is considered the current worlds most promising new energy technologies. At present solar photovoltaic device has been widely used in communications, transport, electricity and other aspects, the core part is the charge controller. Under the guidance of the overall program,
4、 the design uses low-power, high performance, super anti-jamming STC89C52 microcontroller as a core device to control the entire circuit. Hardware circuit consists of a solar battery charging and discharging circuit, voltage acquisition and display circuit, the MCU control circuit and RS232 serial c
5、ommunication circuit, the main achievement of the acquisition and display battery voltage. Software is based in part on PWM (Pulse Width Modulation) pulse width modulation control strategy, programming the microcontroller output PWM control signal, by controlling the photocoupler on-off the control
6、MOSFET opening and closing, to control battery charging and discharging purposes, and in accordance with the functional requirements implemented the battery over charge, over discharge protection and short circuit protection. Experiments show that the controller performance, high reliability, can al
7、ways monitor the state of solar panels and batteries to achieve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life.Keywords: charge controller, solar photovoltaic, PWM pulse width modulation太阳能充电控制器及逆变器设计-III-目录摘 要 IAbstract II目 录 III1 绪论 11.1 课题研究背景和意义 .11.2 太阳能充放电控制器现状 .21.3
8、设计主要任务 .32 太阳能充电控制器的总体设计方案 52.1 太阳能路灯系统基本结构 .52.2 充电控制器的控制策略 .72.3 控制器的整体设计方案 .93 太阳能充电控制器的硬件电路设计 113.1 系统层次原理图 .113.2 单片机最小系统 .123.2.1 STC89C52 的简介 .123.2.2 单片机的最小系统及扩展电路 .153.3 充放电电路 .173.4 光耦驱动电路 .183.5 A/D 转换电路 .193.5.1 ADC0804 的简介 .193.5.2 ADC0804 外围接线电路 .213.6 LCD 显示电路 .223.7 E2PROM 数据存储电路 .24
9、3.8 串口通信电路 .254 12V转交 流 220V逆变器.284.1 方波的产生 .30太阳能充电控制器及逆变器设计-IV-4.2 场效应管驱动电路 .304.3 场效应管电源开关电路 .315 太阳能 充电控制器的软件设计 365.1 系统主程序设计 .365.2 电压采集转换模块 .375.3 显示模块 .385.4 数据存储模块 .415.5 软件调试和仿真 .43总结与展望 46致 谢 48参考文献 49附录 源程序 50附录 硬件电路图 61太阳能充电控制器及逆变器设计1 绪论1.1 课题研究背景和意义能源资源是国民经济发展的重要基础之一，随着人民生活水平的不断提高和科学技术的
10、迅速发展，能源的缺口增大，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的一大因素摆在了人们面前。伴随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已经不能适应世界经济快速增长的需要，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的问题。同时，以煤、石油作为燃料在燃烧过程中产生的有害物质已经开始造成全球变暖，即“温室效应“，人类的生活将会由此受到很大的威胁。这些难题迫使政府和社会在发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。新能源包括水能、风能、太阳能等。虽然风能或水能等更加便宜，但是大多数的自家用户却都不可能找到适当场合进行架设，架设成本较高。而太阳能则不同，任何自家用户只要找到一个有阳光照射到的窗
11、户都可以装置太阳能极板作辅助能源，几百元投资便可以架设。所以综合考虑，太阳能无疑是符合我国可持续发展战略的理想绿色能源，全球能源专家也认为，太阳能将成为 21 世纪最重要也最有前景的能源之一。而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点：（1）普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。（2）无害性。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。太阳能充电控制器及逆变器设计（3）长久性。 只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。（4）巨大性。一年内到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上
12、消耗的各种能量的总和大几万倍。我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量 33408400MJm2，中值为 5852MJm2 。年日照时数在2200 小时以上的地区约占国土面积的 23 以上。我国的西部地区，包括西藏、新疆、青海、内蒙古等省，年日照时间长，这些地区面积宽广、人口密集低，在一些偏僻的地区传统的供电设施建设成本高，电能的供需矛盾显得十分突出，因此当地政府充分利用太阳能发电解决无电地区的用电具有重大的战略意义。为了更高效的利用太阳能，白天可将太阳能转化为电能，利用蓄电池将电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。总体看来我国太阳能资源比较丰富，因此充分利用丰富的
13、太阳能资源，采用太阳能光伏发电技术，可以节约能源，发展经济，提高人民生活水平。1.2 太阳能充放电控制器现状（1）太阳能光伏发电太阳能作为新能源有着巨大的优势，所以世界各国都在努力研发新技术进行获取，比较成熟的是太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面。在进行太阳能光伏发电时，由于一般太阳能极板输出电压不稳定，不能直接将太阳能极板应用于负载，需要将太阳能转变为电能后存储到一定的储能设备中，如铅酸蓄电池。但只有当太阳能光伏发电系统工作过程中保持蓄电池没有过充
14、电，也没有过放电，才能使蓄电池的太阳能充电控制器及逆变器设计使用寿命延长，效率也得以提高，因此必须对工作过程加以研究分析而予以控制，这种情况下太阳能充电控制器应运而生。（2）充电控制器的作用及现状太阳能充电控制器具备充电控制、过充保护、过放保护、防反接保护及短路保护等一系列功能，解决了这一难题，这样控制器在这个过程中起着枢纽作用，它控制太阳能极板对蓄电池的充电，加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命。同时太阳能充放电控制器还控制蓄电池对负载的供电，保护蓄电池和负载电路，避免蓄电池发生过放现象，由此可见，控制器具有举足轻重的作用。目前市场上有各种各样的太阳能控制器，但这些控制器主要问题对于蓄
15、电池的保护不够充分，不合适的充放电方式容易导致蓄电池的损坏，使蓄电池的使用寿命降低。目前，控制器常用的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。但是这些方法由于充电方式单一加上控制策略不够完善，都存在一定的局限性。另一方面，当蓄电池给负载供电时，由于控制器不能时刻检测蓄电池的电压，这样很容易发生蓄电池的过放电，将会导致蓄电池的深度放电，严重影响其寿命。所以，如何改善太阳充控制器的充放电方式，开发性能优良的充放电控制器，提高其在实际应用中的效率，成为了一个重要的研究方面。1.3 设计主要任务本设计研究确定了一种基于 STC 单片机的太阳能充放电控制器的方案，在太阳能对蓄电池的充电
16、方式、控制器的功能要求和电路保护方面做了分析，完成了系统硬件电路设计和软件编程，实现了对蓄电池的科学管理，并将充放电控制器应用于太阳能路灯或其他负载，实现了控制功能。这里以充/放电最大电流 10A，额定电压 12V 控制器系统为例，其实现的主要功能如下。（1）要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压，若高于蓄电池电压，则可开启充电；若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成点亮损耗。太阳能充电控制器及逆变器设计（2）当蓄电池电压低于 10.8V 时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警功能。（3）当蓄电池电压高于 14.5V，自动关断负载（过压关断）和充
17、电电路，同时有报警功能。（4）当蓄电池处于浮充充电状态时电压值控制在 13.5V 左右。（5）当用户将太阳能电池板接反至控制器时，具有保护控制器不被毁坏的功能。（6）当用户将蓄电池接反至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被毁坏的功能。太阳能充电控制器及逆变器设计2 太阳能充电控制器的总体设计方案在确定设计方案之前，需要结合应用实例，进行一定的综合分析，更加明确控制器的作用，最后来确定整体方案。这里以太阳能充电控制器应用于太阳能光伏发电路灯系统为例，对系统各个组成部分的主要功能做详细的分析说明。2.1 太阳能路灯系统基本结构本系统主要针对直流照明路灯进行系统设计，所以构成太阳能路灯系统
18、主要有四大部分组成，即太阳能极板、蓄电池、充电控制器、照明电路。太阳能路灯系统基本结构如图 2.1 所示。太阳能电池板 蓄电池 照明电路充电控制器图 2.1 太阳能路灯系统基本结构从图 2.1 中可以看出，太阳能极板阵列将太阳能转换为电能并将电能存储到蓄电池中，蓄电池再将存储的电能输出给照明电路供电，完成能量的传递。系统各个部分的控制功能全由充电控制器来完成。（1）太阳能电池板如图 2.2 所示，太阳能电池板是利用半导体光伏效应制成的，能够直接将太阳辐射转换成电能的器件。具有很强的光伏效应半导体材料，当吸收一定能量的光子后其内部导电的载流子电子和空穴分布和浓度发生变化。光照在半导体 P/N 结上，就会在其两端产生光生电压，
