太阳能充电器的设计.doc
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桂林电子科技大学北海校区（课程设计论文）
摘要
化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。
太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。
关键词：
太阳能，电池，单片机，智能
Abstract
Increasingdepletionoffossilenergy,it'semphasisonenvironmentalprotectionarealsorising,lookforcleanalternativeenergyissuesbecomemoreurgent.Solarenergyasarenewableenergyithasaninexhaustibleandcleanandsafeandsoon,sohaveabroadapplicationprospects,photovoltaicpowergenerationtechnologyismoreandmoreattention,withthePVmodulecontinuetolowerpricesandphotovoltaictechnology,solarPVsystemswillgraduallysupplementtheenergyfromthecurrenttransitiontoalternativeenergy.
Keywords:
solarenergy,battery,singlechip,intelligent,
目录
第1章绪论 .............................................................1
1.1课题背景 1
1.2光伏发电技术现状 1
1.2.1国内外技术现状 1
1.2.2光伏路灯控制器技术的现状 2
1.3设计指标 3
1.4设计思路 3
本章小结 3
第2章方案选择及单元电路的设计 .........................................3
2.1方案选择及方框图 4
2.1.1方案选择 4
2.1.2方框图 4
2.2太阳能充电器电路的原理 4
2.2.1太阳能电池的选用 4
2.2.2单片机电路.................................................5
2.2.3锂蓄电池的充电特性 10
2.2.4控制器充放电电路 10
2.25三极管驱动电路 10
2.2.6液晶显示电路 10
2.2.7报警电路设计····················································10
2.2.8PADS简介..................................................11
2.3本章小结 12
第三章锂蓄电池电压电流的检测 .........................................17
3.1锂蓄电池电压的检测 17
3.2太阳能电池电压检测·····················································17
3.3本章小结 17
第四章系统软件设计 ....................................................18
5.1设计思路 18
5.2系统主程序流程 18
5.3初始化子程序 19
5.4A/D转换子程序 20
5.6本章小结 20
结论 .................................................................21
致谢 23
附录1程序 24
-32-
第1章绪论
1.1课题背景
能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。
随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。
自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。
从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仪表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对牛态环境的污染破坏：
大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨。
而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。
常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。
这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。
光伏发电具有取之不尽且无污染等优点，日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：
西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。
光伏发电的照明路灯应月J具有节能性、经济性和实川性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。
本课题为研制一套独立光伏电源控制器，廊州于LED路灯照明系统。
通常独立照明系统由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。
由于系统的稳定性严格受到蓄电池和LED寿命的影响，本课题研制的充放电控制器通过实时监测系统允放电回路的相关信息，确定相应的允放电策略，实现了稳定太阳能电池输出、优化蓄电池充电方法和保护蓄电池及负载的目的，最终提高了太阳能电池的利用率和整个照明系统的可靠性。
1.2光伏发电技术现状
1.2.1国内外技术现状
太阳能是用之不尽的清洁能源，当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。
2008年世界太阳能光伏发电装机总容量达到5.6Gw。
目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80％。
今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。
专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13％．15％，到2100年将约占64％。
我国光伏组件生产能力逐年增强，装机容量逐年增加，2007年累计容量达100MW。
2005．2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1．20元／（kw·h）；2010—2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0．60元／（kw·h）。
到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。
1.2.2光伏路灯控制器技术的现状
光伏电源路灯控制器是光伏发电系统进行控制和管理的设备。
在欧美、日本和美国，并网发电技术已经相对完善，对于光伏电源控制的研究主要集巾在改进逆变器的拓扑结构，优化控制策略，孤岛效应的检测和解决、降低系统能耗，提高系统_T作效率等问题上。
国内具有代表性的光伏发电系统专用逆变器制造商有合肥阳光、北京日佳、北京自动化研究院、北京恒电、南京冠Ⅱ、北京计科等企业。
中科院电工所、北京自动化研究院、北京索英、北京日佳、北京计科等氽业开发出的并网逆变器都在实际工程中得到了应用，性能和效果良好。
在独立光伏发电系统中，电源控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储
能设设备的充电和对负载的放电任务。
目前日本、德国、美国等发达国家外对于独立光伏系统电源控制器的研究辛要侧重在以下三个方面：
提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池允电策略和提高系统稳定性。
通过研究不同的电路拓扑结构和先进的控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态，即实现最大功率点跟踪（MPPT）。
蓄电池允电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时问，对于整个光伏系统的工作状况具有重要意义。
独立光伏系统的虑川环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。
然而，现已研制出来的光伏电源控制器还存在许多急需解决的问题。
实际上，在MPPT技术的使用和蓄电池充电策略的优化之问存在矛盾冲突，能源利用效率较低，蓄电池充放电方式的不合理，对蓄电池的保护不够充分，这些都是目前市场上电源控制器普遍存在的问题。
为了对太阳能光伏资源进行全面的开发和利用，控制器的稳定性和可靠性也有待进一步提高。
1.3设计指标
本设计的设计要求指标如下:
1、锂蓄电池电压的检测
2、太阳能电池电流的检测
3、充放电控制电路的检测
4、自动报警电路
1.4设计思路
本文设计了一种基于单片机的太阳能路灯控制器。
采用PWM脉冲调制控制保护技术。
充放电控制器是太阳能路灯的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省却硬件补偿的费用，降低了成本。
由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定何效地运行。
为了保护电路本产品还利用二极管和蜂鸣器设计了报警电路。
如果用户把充电池接反了电路会实现自动报警来提醒用户。
1.5本章小结
通过查阅资料了解太阳能路灯充放电控制器的国内外发展前景。
以及介绍课题的各项检测指标和设计思路等。
第2章方案选择及单元电路的设计
2.1方案选择及方框图
2.1.1方案选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。
实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。
更好的保护了锂电池。
延长整个太阳能路灯系统的使用年限。
2.1.2方框图
太阳能路灯充放电控制器的电路框图2-1所示。
太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。
太
阳
能
电
池
板
STC12c5408AD
DC/DC变换
显示电路
手
机
电
池
电压检测
按
键
图2-1
2.2太阳能充电器电路原理
2.2.1太阳能电池
太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。
太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。
它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。
太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50伏，一般不能单独作为电源使用。
将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。
它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。
太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了大阳能电池方阵。
它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。
常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。
目前世界上有三种己经商品化的硅太阳能电池:
单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。
这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
单晶硅太阳能电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高，最高的达到24%。
目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。
这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
2.22单片机电路介绍
单片机控制电路图
本次设计本人采用了STC12C5408AD单片机.该单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期的单片机，是高速低功耗超强抗干扰是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路，四路PWM，8位高速10位A/D转换，针对电机控制，超强抗干扰。
STC12C5408DA管脚图
他的管脚说明图、
具体的单片机说明我这就不说了.如果要对该单片机进一步了解，请上宏晶官网
http:
//www.mcu-
2.2.3锂蓄电池的充电特性
锂蓄电池选用锂离子电池。
锂电池具有重量轻容量大无记忆效应等优点，因而得到普遍应用。
锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5-2倍，而且具有很低的自放电率。
此外，锂电池似乎没有记忆效应以及不含有毒物质等优点。
但是对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。
影响蓄电池寿命的因素有:
放电深度，过充电程度等。
在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。
在天气晴朗的夏日，蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。
过充电程度也随季节天气变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。
为了延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。
当蓄电池放电到一定程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。
锂蓄电池的充电过程：
（1）如果开始充电时，电池电量很低，那么必须用小电流（大概0.24A）开始充电，即涓流充电。
如果电压高于5V就不必进行这个步骤。
（2）当电池电压大于5V可以开始大电流充电，恒流充电。
随着充电的进行，电池电压逐渐升高。
（3）当电池电压达到或接近充满电压（如5V左右）时，则要开始转入恒压充电：
当电流减少到大概0.25A左右，则停止充电。
2.2.4控制器充放电电路
充放电电路图如图2-3。
图2-3控制器充放电电路图
单片机的PWM控制充，放电驱动Q1和Q2。
（1）当蓄电池电压处于正常情况下，单片机控制的充电驱动三极管管Q1（2N5551）为高电平导通，三极管Q1导通，此时太阳能电板想蓄电池恒流充电；当蓄电池电压达到5V时，单片机控制充电驱动Q1为低电平时，Q1截止，通过控制占空比，使Q1实现通断控制，此时处于恒压浮充状态；当电流下降到某值时，进行恒流充电；但蓄电池电压达到设定的过充点5V时，再进行恒压涓流充电；涓流小到某一值，单片机控制的充电驱动Q1进行短路保护；当蓄电池电压下降到某设定值时，Q1重新导通，恢复为正常充电状态。
2.2.5液晶显示电路
液晶显示电路图
管脚功能
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
1602B外观如下图所示：
2.26报警电路设计
为了能使有效地保护电路.本产品还设计了蓄电池反接报警电路.主要利用到二极管的单向导电特性来实现.该设计还有一个功能就是当用户把电充满的时候他也会实现自动报警来提醒用户电已充满.请用户注意。
具体电路图如下
2.2.7PADS简介
PADSLogic是一个功能强大的、多页的原理图设计输入工具，为PADSLayout（原PADSLayout（PowerPCB））提供了一个高效的、简单的、前端设计环境。
1印制线路板的设计
（1）印制线路板的条件
1）具备电路原理图；
2）已知印制线路板板面需要容纳的电路以及该电路内各种元器件的型号，规则及尺寸；
3）明确各元器件和导线对印制板板面安排的特殊要求；
4）确定印制线路板在总体布局中的位置及其连接形式以及对印制线路板板面的尺寸限制或是要求等；
（2）元件布局：
就一般情况而言，元件布局应从以下几个方面考虑：
1）面上的元件应按原理图顺序成直线排列，并力求安排紧凑，密集，以缩短引线。
这对高频和宽带电路更为必要。
2）能采用单面板的尽可能使用单面板，即元件尽可能布设在印制板不焊接的一面，以便加工和安装。
3）对双面板或是多面板，元件放置的位置应与相邻印制导线交叉，特别是电感器件，以防止电磁干扰。
4）元件表面温度超过125摄氏度时，不应与基板接触。
防止热量通过传导，对流及辐射等而影响其他元件，并注意加用散热器和远离热敏元件。
5）圆形元件不易跨在金属化通信孔上，以利于焊接时孔内热空气的流通。
变压器或是类似的大电感器件，应定向放置或用屏蔽罩，以减少对临近元件的干扰。
6）在保证电性能合理的原则下，元件应相互平行或是垂直排列，以求整齐，美观。
一般不宜将元件重叠布置，如必须重叠跨接时，应考虑加固措施。
2布线
布线是实施印制板线路设计的最后阶段，要使电子电路获得可能的最佳性能，封装期间的布置和导线的布设是很重要的。
为了使设计者设计出质量好，造价低，加工周期短的印制板，特别提出下列原则和要求，供大家参考。
（1）布线原则
1）一般应将公共地布置在最边缘，便于印制板安装在机壳上，也便于与机壳连接。
2）单面板印制板上的导线不能交叉，因此迫使导线绕道或是平行布设平行线越长，不仅会使引线电感增大，而且导线之间，电路之间的寄生耦合也会增大。
3）对外连接宜采用接插形式的印制板，为便于安装，往往将输入，输出，反馈电线和地线均匀的平行排列为插头。
4）印制板上每级电路的地线，在许多情况下应自成封闭回路，这样会减小级间的低电流耦合。
5）印制导线需要屏蔽，但要求不高时，可采用印制屏蔽线，屏蔽网等屏蔽措施。
（2）.布线要求
1）印制导线可以布置成单面，双面或是多面，但应首选单面，其次是双面。
仍然不能满足的时候再考虑多层。
2）作为电路的输入和输出两端用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生电流反馈，在这些导线之间最好加接地线。
3）在布线密度比较低时，可加粗导线，信号线的检举可适当加大。
4）印制导线的布局应尽可能短，特别是电子管的栅极，半导体管的基极和高频回路等更应这样。
5）印制导线拐弯一般为圆形，而直角和尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气的性能。
6）对高、低电平悬殊很大的信号线应尽可能短，并且加大间距。
7）印制导线在不影响电气的基础上，应尽量采用大面积铜箔。
3.PCB图
（1）经过3个多小时候的不屑努力，和本人的顽强精神，一块完美的PCB图展现在我的电脑显示器上。
PCB图如下；
2.3本章小结
本章主要是介绍课题的方案选择，确定课题方案后。
仔细分析方案。
整理出方案的方框图，并重点分析介绍系统中的每个重点模块。
第三章锂蓄电池电压电流的检测
3.1锂蓄电池电压的检测
STC12C5408AD单片机带有8路10位A／D转换器，转换器的输入电压范围为：
0～5V，转换后相应的数字量范围：
0～255。
将蓄电池电压Vd的最高值定于5V，利用电阻分压的方式将其转换为0～5V。
电路如图4-1
图4-1
Vi=R2/（R1+R2）×Vd，取R2=10KΩ，R1=10KΩ，代入数值则由Vi=1/2Vd
故蓄电池电压：
Vd=Vi*2；
A／D转换数字波动范围为±1LSB。
故电压测量波动范围±0．1V。
3.3本章小结
主要介绍的课题检测的指标的各种方法，在检测蓄电池电压的检测用到STC12C5408AD单片机的10位A／D转换器。
在电流的检测时用到小电阻补偿的方法，使检测结果精确。
第四章系统软件设计
5.1设计思路
以单片机为核心的控制软件具有实时性、灵活性、通用性及运行可靠性的特点，现在对太阳能充电控制器软件的设计思路介绍如下：
1、首先主程序要完成系统初始化，为了在初始化的过程中，防止中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭中断，完成初始化后，再打开中断。
2、由于本系统是5V自动识别，因此要在程序中必须判别。
具体为，当蓄电池两端电压大于5V时，满足5的系统，否则为5V系统，判别系统后转到相应的程序处继续执行。
3、在有太阳处理程序中，要判断蓄电池的两端电压，在决定是否采取充电控制，充电控制方式采用PWM控制。
并有指示灯时刻现实蓄电池两端电压处于何种状态，让用户一目了然。
4．具体的程序见附件
5.2系统主程序流程
主程序流程图如图5-1所示
开始
初始化
电池充电
充电子程序
电源子程序
Yes
No
结束
图5-1系统主程序流程图
5.3初始化子程序
在初始化程序中，主要对STC12C5408AD的系统资源，包括定时器、中断、串行通讯等初始化工作，还有对液晶的的驱动等等
5.4A/D采集子程序
A/D转换结果的读入采用查询方式。
通过查询端口的信号来判断转换是否结束；10位的转换只需一次读取，就可得到结果。
对于温度信号一般来说是缓变的，通过单片机的软件编程，采用查表法实现，不同的温度对应不同的过充点，其他点位按照电压差值依次与过充点对应。
具体程序见附件
5.5显示子程序
在显示程序中.完成发光二极管LED的显示功能。
通过检测蓄电池两端的电压，确定LED的电位高低，使LED直观地显示红色、橙色或绿色。
5.6本章小结
通过前面几章对系统硬件的分析，本章仔细分析了系统的另一大模块，软件部分。
要求硬件与软件相对应，烧入程序后控制器满足课题的各项设计指标。
标志着课题设计的圆满成功。
结论
由于能源的日益紧张，引起人们对太阳能应用的热潮，由太阳能极板、充放电控制器、蓄电池等构成的产品都有了相对成熟的发展，国内外很多专家也在这方面做了深入的研究。
本论文就太阳能充放电控制器对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的科学管理，并将其应用到太阳能家庭用电系统中。
论文的主要工作有：
1、对锂蓄蓄电池的充、放电过程、影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素作了分析，确定了太阳能充电控制器的总体设计方案。
2、完成了控制器的硬件设计、电路板的绘制，电路的焊接。
实现控制器通过对单片机STC12C5408AD的PWM输出来控制开关MOS管的通断，从而控制充电放电。
3、在硬件设计的基础上，对太阳能充电控制器进行了软件编程，实现对蓄电池的保护以及过载检测等。
4、将充放电控制
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