1、太阳能充电控制器及逆变器设计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 Modulation）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
2、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AbstractSolar photovoltaic power generation has become an important part of new energy and renewable energy, it is considered the current worlds mo
3、st 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, the design uses low-power, high performance, super anti-jamm
4、ing 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 communication circuit, the main achievement of the acquisition
5、 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 MOSFET opening and closing, to control battery charging and d
6、ischarging 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 always monitor the state of solar panels and batteries to achie
7、ve optimal control of battery charge and discharge, to prolong battery life.Keywords: charge controller, solar photovoltaic, PWM pulse width modulation1 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
8、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
9、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。（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
10、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
11、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电，也没有过放电，才能使蓄电池的使用寿命延长，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
12、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，
13、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
14、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。（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。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
15、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。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
16、.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，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。在这个过程中，光电池本身不发生任何化学反应，也没有转动磨损，因此使用太阳能电池的过程中没有噪声，没有环境污染，这是其他方式发电所不能比拟的。图2.2 太阳能电池产生光伏效应（2）蓄电池这里首先介绍蓄电池工作原理。太阳能充电控制器最主要的功能是控制太阳能极板对蓄电池的充电，蓄电池的性能和
17、充放电的方式有很大的关系，所以在设计控制器之前需要对蓄电池的原理、充放电过程做一个分析。一般铅酸蓄电池是由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成，极板主要有铅制成，电解液是硫酸溶液。依据化学基础理论：铅酸蓄电池释放化学能的过程(放电过程)是负极进行氧化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程(充电过程)是负极进行还原，正极进行氧化的过程。分析可知，蓄电池的充电过程和放电过程是可逆的。实际上，蓄电池最重要的指标就是电解液中硫酸根的浓度，因此可以用电池中硫酸溶液的密度(比重)来衡量电池充放电的程度。工作原理搞懂了之后，接着看蓄电池在整个系统中的作用。在独立的太阳能光伏发电系统中
18、，蓄电池是整个系统的重要组成部分，是对整个系统性能可靠性影响比较大的部分。在光伏发电系统中，蓄电池的主要作用有：储存能量、对太阳能极板的工作电压的进行钳位、给负载提供启动电流等。蓄电池的存在，可以解决太阳能产生电能和负载用电时间不一致不同步的问题，太阳能极板和负载两者之间电压不匹配的问题等。（3）充电控制器一般太阳能极板输出电压的不稳定，不能直接应用于负载，需要将太阳能转变为电能后存储到储能设备如蓄电池中，而控制器在这个过程中起着枢纽作用，其性能的好坏将会直接影响实际应用的使用效果。控制器控制太阳能极板对蓄电池的充电，为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深
19、度充电。控制器同时负责蓄电池是否对负载供电，当蓄电池的电压在正常范围内时，控制器控制开关接通，蓄电池给负载供电；当蓄电池的电压处于欠压或是过放状态时，控制器控制开关截止，蓄电池停止对负载的供电，在这个过程中控制器起着至关重要的作用，保护负载和蓄电池。2.2 充电控制器的控制策略作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影响铅酸蓄电池寿命的主要因素有：充电电压的设置、过放控制点的设置、温度、运行环境等。依据这些影响因素，分析蓄电池常见充放电方式局限性，对充放电方式进行了一定的改进。（1）蓄
20、电池常规充放电方式目前，控制器常规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。恒流充电法是通过保持充电电流强度不变进行充电的方法。这种充电控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过多，影响蓄电池的使用寿命。第二种是阶段充电法。这种充电方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒定电流充电至预定的电压值，然后改为恒定电压完成剩余的充电，一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压；三阶段充电法是指在充电开始和结束时采用恒定的电流充电，中间用恒定的电压进行充电。阶段充电法这种方法虽然可以
21、将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，实际应用中受到一定的限制。恒压充电时要严格掌握充电电压，电压在全部充电时间里保持恒定的数值，充电电压过低，蓄电池会充不满，过高则会造成过量充电。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少。这种充电方法在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，将会影响蓄电池的使用。（2）改进的充放电方式针对目前市场上控制器的主要问题是由于对于蓄电池的保护不够充分，不合适的充电方式容易导致蓄电池的损坏，同时通过对蓄电池的工作原理和对影响蓄电池使用寿命因素的分析，本论文提出了PWM (Pulse Width M
22、odulation)脉宽调制充电方法。 PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，这也是蓄电池充电理论的进一步发展。PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后让电池停止充电一段时间，如此循环往复。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。PWM调制充电方式使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提
23、高了蓄电池的充电效率。脉宽调制方式是指在固定时钟频率下，通过调节开关的通断时间来控制信号的占空比，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变电压。输出电压波形如图2.3所示。图2.3 输出电压波形针对目前市场上的太阳能充电控制器当蓄电池给负载供电时，没有时刻检测蓄电池的电压，很容易导致蓄电池的深度放电这个问题，本论文提出时刻在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。2.3 控制器的整体设计方案通过对应用实例的分析，更加明确太阳能充电控制器的在系统中重要性和作用，同时依照其功能要求和改进的控制策略，最后确定了整体设计方案
24、。本系统以STC89C52单片机为主控芯片，利用分压电路对蓄电池的电压、进行采样,然后经过A/D转换将检测电压数据输入到单片机中进行处理，通过液晶芯片把电压值显示出来方便调整。单片机在软件程序的控制下输出PWM控制信号，经光耦驱动MOSFET管开启与关闭来控制充放电电路。该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电，有效的延长蓄电池的寿命。系统整体结构框图如图2.4所示。图2.4 系统整体结构框图以上通过对控制器、被控对象蓄电池的分析，结合硬件资源和软件控制策略，进行了硬件电路设计和软件编程设计，最终确定整体设计方案。整体方案设计，讲述了光伏发电技术中最重要部分控制器和蓄电池的作用，控制器主要负责控制
25、太阳能极板对蓄电池的充电以及控制蓄电池对负载的供电。由于不合适的充放电方式会导致蓄电池的损坏，缩短蓄电池的使用寿命，本论文提出了PWM脉宽调制充电方法，这种充电方法能够使蓄电池有较充分的反应时间，与以前的充电方式相比，提高了蓄电池的充电效率。同时提出了时刻在线监测蓄电池电压的放电控制方法，避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池。各个部分的控制功能通过对单片机进行软件编程来实现。3 太阳能充电控制器的硬件电路设计在整体方案的指导下，依据工程设计的常见思路，本论文从硬件电路设计和软件设计两个方面入手，运用模块化的设计方法去进行控制器的设计。硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统、充放电电路、光耦
26、驱动电路、A/D转换电路、LCD显示电路、E2PROM数据存储电路、串口通信电路等。下面先从系统层次原理图入手，对系统原理进行详细的分析，然后再对具体电路地进行一一介绍。3.1 系统层次原理图系统层次原理图如图3.1所示，电路设计以STC89C52单片机作为主控芯片构成控制电路模块对整个电路控制。首先采用并联分压方式对蓄电池电压采集后，送到AD模块中的A/D转换器进行转换得到一个数字信号的电压值，再将此信号送入到控制模块中单片机进行处理；然后在软件程序控制下，单片机输出控制信号送到充放电模块中，经光耦驱动电路来控制MOSFET。控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM)，根据载荷变化
27、来调制MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。图 3.1 系统原理图最后通过通信模块实现数据的传送和保存。串口通信模块采用MAX232芯片进行TTL电平和RS-232电平之间的转换，加入串口的目的主要是使控制器具有远程通信或远程监控功能，同时方便将每天的异常状态数据记录下来，供工作人员查看。数据存储电路模块，使得当电压出现异常时，让蜂鸣器报警，同时把异常电压值通过I2C总线存放在E2PROM中，作为以后分析使用。3.2 单片机最小系统3.2.1 STC89C52的简介STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用STC公司高密度非易失性
28、高加密性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在芯片内部，拥有很高频率8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52具有低功耗设计，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切
29、工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。而且STC89C52的工作频率很宽，可以在035MHz之间选择，芯片具有超强抗干扰性，加密性强。STC89C52常见的是PDIP封装，是一个有40个引脚的芯片，引脚如图3.2所示。按其功能类别将它们分为三类：（1）电源和时钟引脚。如VCC、GND、XTAL1、XTAL2。（2）编程控制引脚。RST、ALE/、/VPP。（3）I/O口引脚。如P0、P1、P2、P3。图 3.2 STC89C52引脚图这里仅详细介绍编程引脚：（1）RST：复位输入。晶振工作时，RST引脚持续2个
30、机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。（2）ALE/：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚()也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的振荡频率输出脉冲，可作为外部定时器或时钟使用。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地
31、址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。（3）：外部程序存储器选通信号()是外部程序存储器选通信号。当STC89C52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。（4）/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编 程期间，也接收12伏Vpp电压。3.2.2 单片机的最小系统及扩展电路单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路得到很好的控制，首先必须构建最小系统是单片机可以工作起来。本设计单片机最小系统扩展
32、电路包括上电复位电路，时钟电路，工作指示灯和蜂鸣器报警电路等。（1）时钟电路单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入端和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz12MHz之间选取。时钟电路如图3.3所示。电路中C6、C7是反馈电容，其值在5pF30pF之间选取，本电路选用的电容为30pF，晶振频率为11.0952MHz。图 3.3 时钟电路 图 3.4 复位电路（2）复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。单片机的复位电路如图3.4所示。本系统采用的是上电+电平按钮复位，上电复位
