毕业设计基于单片机的太阳能电池控制器的设计说明.doc
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1、基于单片机的太阳能电池控制器的设计俊(陕理工电气工程系电气工程与其自动化专业07级2班, 723001)指导教师:康金辉摘要目前在全世界围,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
2、行管理,从而延长蓄电池寿命,减少系统的故障率,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 advantagesPhotovoltaic(PV)systems are
3、paid more attention to among its various applicationsPV 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 controller, the
4、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 the system s
5、teady 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.Keywords: solar energy; microcontroller; controlle目录1序言12总体设计32.1硬件总体设计42.2程序总体设计43硬件设计93.1电压采集电路93.1.1电压采样电路93.1.2ADC0809模数转换芯片93.1.3 74LS373锁存器113
6、.2单片机与其外围电路123.2.1单片机功能引脚介绍123.2.2单片机外围电路133.3充放电电路143.3.1MOSFET143.3.2光耦合器件153.3.3PWM控制技术介绍163.4硬件设计软件184软件设计194.1中断系统194.1.1中断系统结构194.1.2中断响应224.1.3中断响应过程224.1.4中断请求的撤销234.2各设计模块244.2.1程序初始化模块244.2.2定时器中断模块244.2.3A/D转换模块254.2.4PWM脉冲宽度控制模块254.2.5方案的选择控制模块264.2.6单片机停止工作的按键输入模块264.2.7 软件总体设计265系统调试31
7、5.1硬件电路调试315.2程序调试326其它器件介绍336.1太阳能电池336.2蓄电池336.2.1蓄电池分类336.2.2蓄电池容量336.2.3蓄电池能量效率356.2.4蓄电池循环寿命35参考文献.36致.3834 / 391序言随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求,近年来能源供需矛盾突出,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太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
8、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。光伏发电系统主要可分为两种,一种是分布式发电系统,另一种是独立式发电系统,分布式发电系统主要应用于与电力网络并网发电的规模较大光伏发电系统中;独立式发电系统则主要应用于一些小型的负荷,比如城市路灯照明系统中,或者在一些偏远野外地区短期作业时使用。目前应用最为广泛的是独立式光伏发电系统,其应用方便,成本低廉,可操作性强,正在越来越多的被人们广泛使用。独立式光伏发电系统主要有4部分组:太阳能电池板,控制
9、器,蓄电池和直流负载。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一样,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,以与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。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
10、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与负载功率检测.。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
11、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。太阳能电池板直流负载控制装置蓄电池图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单片机图1.2 本次设计中所采用的系统结构框图2总体设计系统设计的流程图如下开 始初始化变量电压采集Vbat14.5V停止充电YVbat12VN
12、浮充YVbat10.8VN快充Y停止放电N是否按键输入NY结束图2.1 系统设计的流程图由流程图可知,对于 整个充放电过程主要分为以下4个阶段: Vbat10.8V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 Vbat12V时,对电池进行快速充电 12VVbat14.5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进
13、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,以与方案选择的循环中,直至用户需要停止系统工作按下按钮。2.1硬件总体设计图2.1 硬件总体设计图2.2程序总体设计 ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP EXTERN_INT
14、ORG 000BH LJMP TIMER0_INT 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,#40H MOV R0,#00H ;清除方案选择MOV R0,#40HMOV R0,#00H ;清楚方案选择触发位MOV R1,#042HMOV R0,#00H ;清除定时计数器LCALL TIMER1_INTLOOP: 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
15、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
16、案选择位 MOV R0,#00H MOV R0,#41H ;清除触发位 MOV R0,#00H LJMP LOOPPROCESS_01: MOV R1,#040H; MOV R1,#01H; ;选择方案1PROCESS_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,#01HPROCESS_01_01: DJNZ R1,PROCESS_01_01 DJNZ R0,PROCESS_01_01 ;空跑16*256*2个周期 CLR P2.4 ;将和PWM连接的管脚置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROC
17、ESS_01_02: DJNZ R1,PROCESS_01_02 DJNZ R0,PROCESS_01_02 ;空跑16*256*2*9个周期 MOV R1,#041H ;当方案改变标志位到来的时候,清楚标志并且重新进行判断 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_01_NEXT PROCESS_02: MOV R1,#040H MOV R1,#02H ;选择方案2 PROCESS_02_NEXT: SETB P2.4 ;将和PWM连接的管脚置高,选择浮充 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_02_01: DJNZ R1,PROCE
18、SS_02_01 DJNZ R0,PROCESS_02_01 ;空跑16*256*2个周期 CLR P2.4 ; 将和PWM连接的管脚置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_02_02: DJNZ R1,PROCESS_02_02 DJNZ R0,PROCESS_02_02 ;空跑16*256*2*8个周期 MOV R1,#041H ;当方案改变标志位到来的时候,清除标志并且重新进行判断 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_02_NEXT PROCESS_03: MOV R1,#040H MOV R1,#03H ;选择方案3
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