小型太阳能光伏发电系统控制器的设计..doc
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本科毕业设计（论文）
题目小型太阳能光伏发电系统控制器的设计
学院物理与电子工程学院
年级2011专业光伏技术与产业
班级学号
学生姓名
校内导师职称
校外导师职称
论文提交日期2015-5-10
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常熟理工学院毕业设计（论文）
小型太阳能光伏发电系统控制器的设计
摘要
目前，光伏发电已受到广大人民的追捧，很多国家建立了光伏发电站。
在新能源领域中，小型独立光伏发电系统以其简单，灵活等特点占有重要的地位，光伏发电控制器作为独立光伏发电系统的核心部件，对其研究具有重要意义。
本文基于单片机STC89C52设计了控制系统，控制太阳能电池板对蓄电池的充电。
控制系统硬件设计包括单片机STC89C52最小电路，充放电电路、光耦驱动电路，A/D转换电路和电压显示电路的设计。
本文设计的单片机STC89C52最小电路主要包括时钟电路，复位电路，工作状态显示电路和蜂鸣器报警电路。
控制系统软件设计包括确定整体系统布局，设计系统各个程序流程图以及按照自顶向下的层次完成对各个程序模块的设计。
通过控制系统硬件电路和软件的设计，控制太阳能电池板对蓄电池正常的充电，防止蓄电池过充、过放和短路，延长蓄电池寿命。
关键词：
单片机STC89C52铅酸蓄电池充放电
1
DesignofaSmallSolarPhotovoltaicPowerGenerationSystemController
Abstract
Atpresent,photovoltaicpowergenerationhasbeensoughtafterbythemajorityofthepeople,thephotovoltaicpowerstationhasbeensetupinmanycountries.Inthefieldofnewenergy,smallindependentphotovoltaicpowergenerationsystemwithitssimple,flexibleoccupiesanimportantposition,thephotovoltaicpowergenerationcontrollerasthecorecomponentofthephotovoltaicsystem.Hastheimportantsignificancetothestudyofphotovoltaicpowergenerationcontroller.BasedonthedesignofsinglechipSTC89C52controllercontrolsystem,solarpanelchargingofthebattery.ThehardwaredesignofthecontrolsystemconsistsofMCUSTC89C52minimumcircuit,chargedischargecircuit,optocouplervoltagedrivingcircuitanddisplaycircuitdesign.MCUSTC89C52minimumcircuitdesignedinthispapermainlyincludestheclockcircuit,resetcircuit,workingstatedisplaycircuitandabuzzeralarmcircuit.Thecontrolsystemsoftwaredesignincludestheoverallsystemlayoutdesignsystemofeachprogramflowchartandinaccordancewiththetop-downlevelstocompletedesignofeachprogrammodule.Throughthedesignofhardwarecircuitandsoftwarecontrolsystem,controlofbatterynormalchargingsolarpanels,topreventthebatteryfromovercharge,overdischargeandshort-circuit,prolongtheservicelifeoftheaccumulator.
Keywords:
SCM;STC89C52;Lead-acidbattery;ChargeandDischarge
1
目录
1.引言 1
2.系统总体设计 2
2.1太阳能电池简介 2
2.2蓄电池简介 2
2.3充电控制器和控制策略 3
3.硬件电路设计 5
3.1STC89C52单片机最小系统 5
3.2充放电电路 7
3.3光耦驱动电路 8
3.4A/D转换电路 9
3.4.1电压采集电路 9
3.4.2ADC0804构成的A/D转换电路 9
3.5LCD显示电路 10
4.系统软件设计 12
4.1系统主程序设计 12
4.2电压采集转换模块 12
4.3显示模块 14
4.4软件调试和仿真 15
结语 18
致谢 19
参考文献 20
1
1.引言
目前，煤炭，石油和天然气等传统能源在不断的减少，且是不可再生的，人们向往清洁，无害的新能源可以代替传统能源。
太阳能作为清洁，无害，廉价的新能源，其发展对我国能源的可持续发展具有促进作用，且太阳能有着很好的发展前景。
所以开发太阳能是社会发展，科学进步的必然趋势。
光伏发电是利用太阳能电池板的光生伏特效应产生光生电压，是太阳能主要的利用方向之一。
光伏控制器作为光伏发电系统的重要组成部分，控制整个光伏发电系统的运行，所以对光伏控制器的研究和设计具有重要意义。
为了克服市场上常见的充电控制器对蓄电池保护不够充分的缺点，设计以STC89C52单片机作为主要控制芯片的光伏控制器。
ADC0804作为模数转换芯片，铅酸蓄电池为储能元件，LCD1602负责显示数据。
确定了光伏充电控制器的方案，通过对恒流充电、恒压充电和浮充充电进行控制达到电路保护作用，通过设计系统硬件电路和编程软件，科学有效的管理蓄电池，光伏控制器应用于负载，实现控制功能。
光伏控制器设计采用STC89C52单片机和ADC0804组合采样获取数据，实时监控蓄电池的充电过程。
本次设计以充放电最大电流10安，额定电压48伏的控制器系统，通过设计使其能够自动检测光伏电池板输出电压，当光伏电池板的输出电压高于蓄电池电压时，光伏电池板对蓄电池充电；当光伏电池板输出的电压低于蓄电池电压时，光伏电池板停止充电，若继续进行充电，则蓄电池中电流会反向流向太阳能电池板，对太阳能电池板造成损耗。
当蓄电池电压低于40.8伏时，系统控制负载关断，停止充电，蜂鸣器发出警报；当蓄电池电压高于57.6伏，控制系统控制负载关断，太阳能电池板对蓄电池停止充电，蜂鸣器发出警报；控制系统控制蓄电池进行浮充充电时，电压值应保持在48伏左右。
本设计要解决的主要问题是光伏发电系统蓄电池充放电的控制问题，且对蓄电池的保护有着重要的作用，对光伏发电系统的发展有着积极作用，使人们更有效地利用清洁能源，早日摆脱能源危机。
2.系统总体设计
本设计目的在于设计出一个小型光伏发电控制系统，太阳能电池板、蓄电池、光伏充电控制器和负载是小型光伏发电控制系统中不可缺少的组成元件。
系统基本结构如图2.1所示。
太阳能电池板吸收太阳光，将光能转化为电能并储存到蓄电池中，蓄电池再供电给负载。
图2.1系统基本结构
2.1太阳能电池简介
目前，市场上常见的主要是以硅为主要材料的太阳能电池。
与普通电池和可循环充电电池不同，太阳能电池具有节能环保的特点，太阳能电池板通过光生伏特效应能够直接将光能转换成电能。
其主要原理：
太阳能电池板在阳光的照射下，其内部载流子浓度发生改变，载流子分布也发生改变，导致半导体P-N结两端产生电压，在该此电压的作用下，电流流过外部电路，给外电路供电。
在过程中，太阳能电池不发生化学反应，没有转动磨损，没有噪声，没有环境污染，这是传统发电方式不能比拟的。
目前，市场上常见的以硅为原料的太阳能电池主要有单晶、多晶和非晶硅太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池具有高转换效率和长寿命的特点，且目前制造单晶硅太阳能电池的技术已经成熟。
由于单晶硅太阳能电池所使用的原料为高纯度的单晶硅棒，所以单晶硅太阳能电池有着高昂的使用成本。
其光电转换效率一般在13%至15%之间。
多晶硅太阳能电池的生产主要通过铸造的方法进行的，其成本与单晶硅太阳能电池相比要低一些。
多晶硅太阳能电池具有无规则的晶体方向，在晶体与晶体的边界上，由于晶体的不规则而存在损失，导致其正电荷和负电荷不能完全通过PN结电场进行分离，其光电转换效率要降低不少。
其光电转换效率一般在11%至13%之间。
非晶硅太阳能电池的主要材料无定型硅，其内部有许多所谓的“悬键”，没有与硅原子成键的电子在电场作用下产生电流，因而非晶硅太阳能电池可以很薄，由于其造价低廉，稳定性较低，光电转换效率较低，大多应用于弱光性电源。
其光电转换效率一般在5%至8%之间。
2.2蓄电池简介
太阳能充电控制器主要控制太阳能电池板对蓄电池的充电，蓄电池作为储能元件，其性能的优劣影响太阳能充电控制器。
本设计采用的储能元件是铅酸蓄电池，在系统对铅酸蓄电池进行充电的时候，蓄电池的内部反应为正极进行氧化反应，负极进行还原反应。
铅酸蓄电池的充放电过程是可逆的，所以铅酸蓄电池既可以充电也可以放电。
铅酸蓄电池电解液中硫酸根的浓度决定其充放电性能，蓄电池中硫酸溶液所占的比例可用于衡量电池充放电程度。
蓄电池作为储能元件在独立的光伏发电系统中是必不可缺的部分，蓄电池的充放电性能直接影响系统整体性能。
将太阳能电池板经过光生伏特效应产生的电能经传输储存至蓄电池中，在负载需要用电的时候供电给负载。
2.3充电控制器和控制策略
光伏发电控制器作为整个光伏发电系统的枢纽，其性能的优劣直接影响整个系统的性能。
通常太阳能电池板经过光生伏特效应产生的电压是不稳定的，需将电能传输存储至储能元件中，才能给负载供电，光伏发电控制器控制太阳能电池板经光生伏特效应产生的电压传输至蓄电池中，即控制对蓄电池的充电，其主要作用是防止蓄电池过充对蓄电池造成损耗，对蓄电池使用寿命有延长的作用。
目前市场上控制器普遍存在两个问题，蓄电池的保护不充分问题和蓄电池不适当的充电导致蓄电池的损坏问题。
为了维护蓄电池的使用寿命以及对蓄电池电压的实时监控，本设计采用PWM脉宽调制充电方式。
PWM具有两个主要特点：
一是在处理器和被控系统之间无需进行数模转换；二是其对噪声的抵抗能力和强。
因其两大主要特点，PWM被广泛应用于测量、通信领域中。
PWM脉宽调制充电方式是通过微处理器的数字输出控制模拟电路的。
PWM脉冲调制充电一般分为2步，先脉冲充电一段时间，再停止一段时间，然后不断地重复进行这2个步骤。
系统通过控制太阳能电池板对蓄电池的一次又一次的充电一段时间来达到将蓄电池充满的目的，在PWM脉冲调制充电过程中，系统控制对蓄电池的充电，每充一段时间就会停止一段时间，在停止的那段时间中，蓄电池内部会将通过化学反应产生的氧气和氢气重新化合，再被蓄电池吸收，PWM脉冲调制充电的目的在于减轻了蓄电池内压，为接下来的蓄电池充电做好准备，使蓄电池充电效果更好。
PWM脉冲调制充电具有对蓄电池的充电进行在线监控的功能，有效的维护了蓄电池的寿命。
3.硬件电路设计
小型光伏发电控制系统的硬件电路设计以STC89C52单片机为主要控制芯片，在系统硬件电路中，以串联电阻分压方式的对蓄电池的电压进行采集,然后将采集的电压数据经模数转换传输到单片机中进行处理，再把电压值显示在液晶LCD1602上。
PWM控制信号由STC89C52单片机通过编写的程序进行输出控制，充放电电路则由光耦驱动MOSFET管来控制开启与关闭。
该小型光伏发电系统的硬件电路设计延长蓄电池的寿命，达到蓄电池更有效的吸收光伏电池板传输过来的电能。
3.1STC89C52单片机最小系统
STC89C52单片机作为小型光伏发电控制系统的主控芯片，控制着整个硬件电路，单片机正常工作的最小系统的构建是系统设计的首要任务。
本系统设计了时钟电路，复位电路，工作指示灯和蜂鸣器报警电路等单片机最小系统扩展电路。
（1）时钟电路
STC89C52单片机内部有一个反相放大器，该反向放大器具有高增益的特点，可构成振荡器，STC89C52单片机的引脚XTAL1即为反相放大器的输入端，引脚XTAL2是反相放大器的输出端，将时钟连接在XTAL1和XTAL2端口可构成时钟电路，使得系统的所有操作都与时钟脉冲相同步。
STC89C52单片机内部振荡器的振荡频率与晶振频率接近，一般为1.2MHz。
时钟电路如图3.1所示。
C6、C7作为反馈电容作用在电路中，其值为33pF，晶振频率等于11.0952MHz。
图3.1时钟电路 图3.2复位电路
（2）复位电路
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位。
按钮复位即手动按下按钮，电源通过电阻施加到复位端上，使单片机初始化，上电复位，就是系统对电容进行充电，达到初始化电路的目的。
复位电路的作用除了系统的正常初始化之外，当程序出现错误，系统出现故障，导致死锁，需按复位键重新启动系统。
复位电路如图3.2所示。
本系统采用的按钮复位既可以通过电平控制又可以通过上电控制，其具有两种复位方式，更有效的控制系统复位。
复位电路虽然其结构简单，但其在整个系统电路中有着非常重要作用。
一个单片机系统能否正常进行工作，关键在于其能否成功复位（初始化）。
（3）工作状态指示灯电路
本设计拥有实时检测蓄电池电压的功能，增加工作状态指示灯可以指示整个电路的工作状态，更好的对蓄电池电压进行监控。
蓄电池工作状态显示电路如图3.3所示。
在系统工作状态指示灯电路中并联了3个发光二极管，蓄电池的正常充电由发光二极管LED1显示，蓄电池过压由发光二极管LED2显示，蓄电池欠压由发光二极管LED3显示。
为了保护发光二极管，可在工作状态指示灯电路中串联一个1k电阻，限制通过的电流，以免烧毁发光二极管。
图3.3蓄电池工作状态显示电路
（4）蜂鸣器报警电路
本设计采用蜂鸣器进行报警电路的报警，蜂鸣器是一种电子讯响器，采用直流电压进行供电。
在蜂鸣器报警电路中蜂鸣器需加三极管进行驱动，因为STC89C52单片机输出引脚的驱动能力较弱，若不增加三极管，无法正常进行驱动。
在控制系统对蓄电池电压进行实时监测时，一旦检测电压值连续超出阈值范围，报警电路便会自启，蜂鸣器就会发出报警响声。
主要原理是电压高于程序设定的最大值，或着电压低于程序设定最小值，STC89C52单片机的P2.6引脚输出低电平，单片机控制导通三极管，蜂鸣器报警。
报警电路如图3.4所示。
图3.4报警电路
3.2充放电电路
充放电电路如图3.5所示，二极管D1是防反充二极管，主要是为了防止蓄电池对太阳能电池板出现反充现象，在有阳光照射的白天，蓄电池自身电压通常低于太阳能电池板光生伏特效应产生的电压，防反充二极管D1将不会起作用，而在夜晚或者无太阳光照的白天的时候，蓄电池自身电压通常会高于太阳能电池板光生伏特效应产生的电压，防反充二极管D1就会生效，来阻止蓄电池电流流向太阳能电池板。
PWM脉冲宽度调制即通过控制MOSFET管闭合和断开来控制电压的输出。
MOSFET管场效应管，其由电压控制，且其材质为单极性金属氧化物半导体，所以驱动MOSFET管场效应管所需功率较小。
而且MOSFET管场效应管只有多数载流子导电，并没有少数载流子复合，开关频率可以非常高，适合作为充放电控制开关。
本设计采用导通电压Vth>0的FNK6075K-N沟道MOSFET场效应管。
当光电耦合器U2断开时，MOSFET场效应管Q1的G极电压与蓄电池电压相近，MOSFET场效应管的S极接地，使得Vgs>0，当MOSFET场效应管G极电压达到一定值时，MOSFET场效应管Q1导通。
电容C4具有滤波的功能，作用于太阳能电池板输出电压，使得蓄电池充电更稳定。
电容C5也具有滤波的功能，作用于蓄电池输出电压，是对负载供电电路稳定性的保证。
二极管D2是稳压二极管，其是由硅材料制成的面接触型晶体二极管，稳压管的作用是对蓄电池进行稳压。
二极管D3是续流二极管，其主要作用是当蓄电池反接控制器时，D3可以进行续流，保护控制器不被损坏。
图3.5系统充放电电路
根据系统充放电电路，设计的程序应当复合以下要求：
系统对蓄电池的电压进行实时监控，电压低于48伏，系统采用均充的充电模式，控制MOSFET场效应管Q1完全导通，达到导通脉冲的最大占空比；电压在48伏至57.6伏之间，系统采用浮充的充电模式，MOSFET场效应管Q1导通脉冲占空比例变小，MOSFET场效应管Q1不导通的占空比例也变小；电压低于40.8伏，系统控制MOSFET场效应管Q2关闭停止放电，从而实现充放电电路欠压关断。
3.3光耦驱动电路
本设计为了隔离单片机控制电路与充放电电路，采用光电耦合器进行控制，增加了硬件电路的可靠性，光电耦合器驱动电路如图3.6所示。
光耦驱动原理：
充电电路由MOSFET场效应管Q1控制，当充电控制器的数字信号为0时，即低电平，光电耦合器内部的发光二极管的电流基本为零，单片机控制右侧三极管阻断，导致输出端两管脚间的电阻非常大，相当于断开，输出端K1的电压上升，稳压二级管D2稳压控制电阻R9的右侧电路保持在48伏左右，MOSEFT场效应管的Vgs>0，Q1开启，太阳能电池板充电给蓄电池；当充电控制器的数字信号为1时，即高电平，单片机控制光电耦合器内部的发光二极管发光，控制右侧三极管导通，输出端两管脚间的电阻变小，相当于电路被阻断，从U2传输的电压经过光耦接地，MOSEFT场效应管K1端的电压和零非常接近，MOSEFT场效应管Q1的Vgs小于0，Q1不参与充电电路工作，充电电路关闭。
MOSEFT场效应管Q2与MOSEFT场效应管Q1不同，其控制着放电电路，但其原理与MOSEFT场效应管Q1相似。
图3.6光耦驱动电路
3.4A/D转换电路
A/D转换又称整流，即模数转换。
A/D转换器的优劣主要由两大技术参数决定：
转换速度和转换精度，ADC0804是逐次比较型的集成A/D转换器，其有着转换速度高，转换精度高的优点，因而受到广泛应用。
单片机STC89C52无内置模拟数字转换模块，则应先采集蓄电池自身的电压，然后经A/D转换模块整流，传输至单片机STC89C52。
目前，市场上集成A/D转换器有很多品种，最常用的是逐次比较型A/D转换器，本设计采用的A/D转换器ADC0804，即为逐次比较型8位并行A/D转换器芯片。
3.4.1电压采集电路
电压采集电路需串联两个较大的电阻，且阻值大小比例为11:
1，然后并联在待检蓄电池两端，在这两个串联的电阻中间采集阻值小的电阻两端电压。
通过分压公式计算出采集的阻值小的电阻两端的电压值，蓄电池满充电压约为57.6伏，通过计算得出采集电压为4.8伏，符合ADC0804的输入值。
3.4.2ADC0804构成的A/D转换电路
A/D转换电路如3-7所示。
图3.7A/D转换电路
ADC0804接法：
单片机STC89C52的P2.7引脚实现片选；接单片机STC89C52的P3.6，接单片机STC89C52的P3.7引脚，进行读写控制；在CLKR接口处串联一个电阻，再与CLK并联，然后串联一个电容接地，组合成RC振荡电路，提供模拟数字转换器ADC0804工作所需的脉冲。
电压采集信号ADIN连接模拟数字转换器ADC0804的6脚IN，采集得到的电压经转换后，以数字信号的形式输出到单片机的P1口，对蓄电池的电压在线不间断跟踪检测，蓄电池的电压值可在P1口获得。
3.5LCD显示电路
本设计使用液晶LCD1602显示数据，其具有体积小、功耗低，显示清晰的特点，适合作为显示屏，来显示蓄电池的电压值。
的主要参数:
液晶LCD1602芯片显示容量为16X2个字符，工作电压4.5伏至5.5伏之间,工作电流2毫安（5伏），模块最佳工作电压为5V。
LCD1602引脚功能如表3.1所示
表3.1LCD1602引脚功能
根据LCD1602的主要参数和引脚功能，LCD1602与单片机STC89C52连接构成的电压显示电路如图3.8所示。
EN使能端连接单片机STC89C52的P2.2引脚，用来实现片选；RS接单片机STC89C52的P2.0引脚，进行数据和命令选择；R/W接单片机STC89C52的P2.1引脚，以达到控制读写的目的；将一个阻值为10的电阻连接在LCD1602的15脚，进行限流保护。
LCD1602的3脚连接一个10K电位器并接地，调节LCD1602显示的对比度。
数据输入端D0-D7接单片机STC89C52的P0口传送电压数据。
图3.8电压显示电路
4.系统软件设计
4.1系统主程序设计
系统软件设计如图4.1所示：
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