北華大學本科生畢業設計（論文）電氣信息工程學院畢業設計論文課題名稱：智能高效太陽能電池的設計與實現專 業： 姓 名： 班級學號： 指導教師： 二一二年 五 月 十五 日 太陽能充、放電控制器設計畢業論文目 錄第1章 緒論11.1 課題研究背景11.2 本課題研究的主要內容4第2章 太陽能電池的研究和分析52.1 太陽能電池的原理52.2 太陽能電池的分類52.3 太陽能電池的等效電路62.4 太陽能電池板的主要參數72.5 本章小結11第3章 蓄電池充電技術研究123.1 蓄電池的一般特性123.2 太陽能-蓄電池充電技術研究153.3 本章小結18第4章 系統硬件設計194.1太陽能充/放電器原理194.2系統硬件設計204.3 單片機的防干擾技術284.4 本章小結31第5章 系統軟件設計325.1 protues仿真325.2 keil程序調試335.3流程圖355.4本章小結37結論38參考文獻39致 謝40附錄4163第1章 緒論1.1 課題研究背景1.1.1 太陽能發電太陽能是一種干凈的可再生的新能源，越來越受到人們的重視，在人們生活、工作中有廣泛的作用， 其中之一就是將太陽能轉換為電能，太陽能電池就是利用太陽能工作的。而太陽能熱電站的工作原理則是利用匯聚的太陽光，把水燒至沸騰變為水蒸氣，然后用來發電。太陽能發電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創世紀計劃。準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發電，并通過超導電纜將全球太陽能發電站聯成統一電網以便向全球供電。據測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發電供給全球能源，占地也不過為 65.11萬平方公里、 186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才占全部海洋面積 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此這一方案是有可能實現的。 另一是天上發電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太陽能發電站設想，準備在同步軌道上放一個長10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽電池，這樣便可提供500萬千瓦電力。但這需要解決向地面無線輸電問題?，F已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機實現了短距離、短時間、小功率的微波無線輸電，但離真正實用還有漫長的路程。 隨著我國技術的發展，在2006年，中國有三家企業進入了全球前十名，標志著中國將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽能光伏的廣泛應用，導致了目前缺乏的是原材料的供應和價格的上漲，我們需要將技術推廣的同時，必須采用新的技術，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長遠發展提供原動力！ 1.1.2 太陽能的應用領域1、用戶太陽能電源：1小型電源10-100W不等，用語邊遠無電地區如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；23-5KW家庭屋頂并網發電系統；3光伏水泵：解決無電地區的深水井飲用、灌溉。2、交通領域：如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。3、通訊/通信領域：太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統；農村載波電話光伏系統、小型通信機、士兵GPS 供電等。4、石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等。5、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節能燈等。6、光伏電站：10KW-50MW 獨立光伏電站、風光互補電站、各種大型停車廠充電站等。7、太陽能建筑：將太陽能發電與建筑材料相結合，使得未來的大型建筑實現電力自給，是未來一大發展方向。8、其他領域包括：1與汽車配套：太陽能汽車/電動車、電池充電設備、汽車空調、換氣扇、冷飲箱等；2太陽能制氫加燃料電池的再生發電系統；3海水淡化設備供電；4衛星、航天器、空間太陽能電站等。目前美國、歐洲各國特別是德國及日本、印度等都在大力發展太陽電池應用，開始實施的十萬屋頂計劃、百萬屋頂計劃等，極大地推動了光伏市場的發展，前途十分光明。1.1.3 光伏發電的特點太陽能利用可分為熱利用和光伏發電兩種方式，熱利用主要在采暖領域多，形式比較單一；而光伏發電可以把太陽能轉換為當今最普遍的能源利用形式電能，從而具有熱利用不可比擬的優勢。太陽能發電又分為光電發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用光伏電池這種半導體器件吸收太陽光輻射，使之轉化成電能的直接發電形式，光伏發電當今太陽能發電的主流。與常規發電和其他綠色發電技術相比，光伏發電系統具有如下的優勢：1、 是真正的無污染排放、不破壞環境的可持續發展的綠色能源。太陽能不用燃料，運行成本很小，并且發電部件不易損壞，維護簡單；2、 利用場合廣泛和靈活，既可以獨立于電網運行，也可以與電網并行運行；3、 可作為電力用戶供電可靠或提高電能質量的不停電電源；4、 接近負載中心，減少電網的線損；5、 發電的效率不隨發電規模的大小而變；6、 就地可去，無需運輸。光伏發電系統建設周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算器的幾個毫伏，大到數十兆瓦的光伏電站，而且可以根據負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。由于太陽能存在上述的優勢，光伏發電在世界范圍內受到高度的重視，發展很快。但是，目前光伏發電與電網供電的比較，光伏發電價格還比較高，不過其維修費用很少，隨著發電量的增加，其價格會下降，優勢才逐漸體現出來。1.1.4 單片機發展前景單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現在最強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統集成在一塊芯片上。單片機也被稱為微控制器(Microcontroller)，由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。單片機是70年代中期發展起來的一種大規模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統集成于同一硅片的器件。單片機用于控制有利于實現系統控制的最小化和單片化，簡化一些專用接口電路，如編程計數器、鎖相環（PLL）、模擬開關、A/D和D/A變換器、電壓比較器等組成的專用控制處理功能的單板式微系統。單片機是所有微處理機中性價比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應用領域也迅速擴大。單片機在智能儀表、實時控制、機電一體化、辦公機械、家用電器等方面都有相當的應用領域。當前，8位單片機主要用于工業控制，如溫度、壓力、流量、計量和機械加工的測量和控制場合；高效能的16位單片機（如MCS-96、MK-68200）可用在更復雜的計算機網絡?？梢哉f，微機測控技術的應用已滲透到國民經濟的各個部門，微機測控技術的應用是產品提高檔次和推陳出新的有效途徑?？v觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢，大致有：1、低功耗CMOS化MCS-51系列的80C51推出時的功耗達120mW，而現在的單片機普遍都在100mW左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝)。CMOS雖然功耗較低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而CHMOS則具備了高速和低功耗的特點，更適合于在要求低功耗像電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑。2、微型單片化常規的單片機普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機存取數據存儲(RAM)、只讀程序存儲器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如A/D轉換器、PMW(脈寬調制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機將LCD(液晶)驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機芯片。3、主流與多品種共存現在雖然單片機的品種繁多，各具特色，但仍以MCS-51為核心的單片機占主流，兼容其結構和指令系統的有PHILIPS公司的產品，ATMEL公司的產品和中國臺灣的WinBond系列單片機。以8031為核心的單片機占據了半壁江山，在一定的時期內，這種情形將得以延續，將不存在某個單片機一統天下的壟斷局面，走的是依存互補，相輔相成、共同發展的道路。1.2 本課題研究的主要內容1、 分析太陽能電池板和蓄電池的特性。2、 根據太陽能電池輸出特性和蓄電池的特性，設計蓄電池的充/放電控制方法。3、 畫出電路圖，并生成相應的PCB。4、 進行仿真，并編寫單片機的執行程序。第2章 太陽能電池的研究和分析2.1 太陽能電池的原理太陽能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片。當太陽光照射時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞，于是產生電子空穴對。這樣，光能就以產生電子空穴對的形式轉變為電能。薄片的另一側和金屬薄膜之間將產生一定的電壓，這一現象稱為光伏效應。太陽能光伏電池正是一種利用光伏效應直接將光能轉化為電能的裝置。對于半導體P-N結，光伏效應更明顯。因此，太陽能光伏電池都是由半導體構成的。太陽能電池的基本結構相當于一個大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當用適當波長的太陽光照射到半導體上時，光能被半導體吸收后，在導帶和價帶中產生非平衡載流子-電子和空穴。半導體內在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向N區，空穴驅向P區，從而使得N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，在P-N結附近形成與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分除抵消勢壘電場外，還使P型層帶正電，N型層帶負電，在N區與P區之間的薄層產生所謂光生伏特電動勢。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負載，外電路則有電流通過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、并聯起來，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽的光能就直接變成了可付諸實用的電能。另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍色氧化硅薄膜以減少入射太陽光的反射，提高太陽能電池對于入射光的吸收率。2.2 太陽能電池的分類目前，有許多材料可以用來做太陽能光伏電池的半導體層，但是能產生高能量轉換效率的光伏材料并不多。全世界應用和研究的光伏材料主要包括單晶硅、多晶硅、砷化鎵晶體材料以及非晶硅等薄膜材料。從對太陽能光吸收效率、能量轉換效率、制造技術的成熟與否以及制造成本等多個因素來看，每種光伏材料各有其有缺點。目前市場上的太陽能電池板繁多，根據太陽能電池板所用材料的不同可分為： 硅太陽能電池； 以無機鹽如砷化鎵III-V化合物，硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽能電池； 功能高分子材料(有機半導體)制備的太陽能電池； 納米晶太陽能電池等。這里采用的是硅太陽能電池。硅系列太陽能電池中，單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在電池制作中，一般都采用表面織構化、發射區鈍化、分區摻雜等技術。開發的電池主要有平面單晶硅電池和刻槽埋柵電極單晶硅電池，電池轉化效率20%左右。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠較單晶硅少，又無較大效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，電池效率達12%左右。非晶硅薄膜太陽能電池與結晶硅電池相比轉換效率偏底，但其成本低，便于大規模生產，受到人們普遍的重視并得到迅速發展，電池最高轉換效率為10%左右。2.3 太陽能電池的等效電路光伏電池受光的照射便產生電流。這個電流隨著光強的增加而增大，當接受的光強度一定時，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作P-N結型二極管，因為在光的照射下產生正向偏壓，所以在P-N結為理想狀態的情況下，可根據圖2-1表示的等效電路來考慮。太陽光圖2-1理想狀態的太陽能電池等效電路圖在這種等效電路中，加給負荷的電壓V和流過負荷的電流I之間的關系式，可由下式給出。 (2-1)當I=0時，可以得到太陽能電池的開路電壓 (2-2)其中為電池單元輸出電流；為PN結電流(A)；為二極管的反向飽和電流(A)；為外加電壓(V)；q是單位電荷(庫侖)；K是玻耳茲曼常數()；是絕對溫度()；為二極管指數。但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經負載的電流經過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯電阻來表示。同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種作用可用一個并聯電阻來等效表示。此時的等效電路可根據圖2-2來描述，其伏安特性可由2-2式給出。太陽光圖2-2 實際光伏電池等效電路 (2-3)此式叫做光伏電池的超越方程式。2.4 太陽能電池板的主要參數2.4.1光伏電池的主要參數光伏電池的幾個重要技術： 短路電流：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流。 開路電壓：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。 最大功率點電流()：在給定日照強度和溫度下相應最大功率點的電流。 最大功率點電壓()：在給定日照和溫度下相應于最大功率點的電壓。 最大輸出功率()：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。 填充因子 (2-4) 光伏電池的轉換效率：輸出功率與陽光投射到電池表面上的功率之比，其值取決于工作點。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率，。以上各個參數可以在圖2-3中表示如下：0圖2-3太陽能電池的I-V特性關系曲線圖2-4太陽能電池的P-V特性曲線圖2-3中，在I-V曲線上總可以找到一個工作點，此點處的輸出功率最大，此點就是最大功率點(MPPT)，即圖中M點。M點所對應的電流為最佳工作電流，為最佳工作電壓，為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點時，其效率都低于按此定義的效率值，甚至會低到零。原則上講，可對輸出功率求導使其為0，即可得到該電池的最佳工作點，從而求出最大輸出功率：。但是要求出其解析解，幾乎不可能。因為它受太陽能電池內部等效的串、并聯電阻的影響，其特性方程由公式2.3可知一個超越指數方程，無法用線性方程表示，具有非線性。圖2-4可表示太陽能電池的P-V曲線。從圖2.3可見，和的乘積就是最佳工作點的縱橫坐標所確定的矩形面積，在曲線范圍內這個面積越大，表明電池的輸出特性越優越。如果在一定光照下的I-V特性曲線是理想的矩形，那么和乘積就等于和的乘積。對實際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來表征光電池的這一特性，填充因子FF定義為式2-4。它表示最大輸出功率的值所占的以和為邊長的矩形面積的百分比，填充因子是表征光電池的輸出特性好壞的重要參數之一。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉換效率也越高。2.4.2太陽的光照強度對光伏電池轉換效率的影響圖2-5、圖2-6分別是太陽能電池陣列在溫度為25時，不同日照(S)下表現出的電流-電壓(I-V)和功率-電壓(P-V)特性。從圖2-5可知，太陽能電池陣列的輸出短路電流()和最大功率點電流()隨日照強度的上升而顯著增大雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結果最大輸出功率來說，變化顯著，如圖2-6中虛線與各實線的交點所示。圖2-5不同日照下的I-V關系曲線圖 圖2-6不同日照下的P-V曲線圖2.4.3 溫度對光伏電池輸出特性的影響圖2-7，圖2-8分別給出了太陽能電池陣列在日照射為，和在變化溫度(T)的情況下，表現出典型的I-V和P-V特性?？梢钥闯觯瑴囟葘μ柲茈姵仃嚵械妮敵鲭娏饔绊懖淮?，但對它的輸出開路電壓影響較大。因而對最大輸出功率影響明顯，見圖2-8中各實線的波峰的幅值變化。 圖2-7不同溫度下的I-V特性曲線 圖2-8不同溫度下的P-V特性曲線綜上，太陽能電池板的輸出特性具有以下特點： 太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源； 開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強度強成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強和溫度成非線性變化； 輸出功率在某一點達到最大值，該點即為太陽能電池板的最大功率點(MPP，Maximum Power Point)，且隨著外界環境的變化而變化。2.5 本章小結本章內容主要介紹太陽能電池板的相關知識。首先介紹了太陽能電池的原理，即太陽能電池板進行光電轉換的原理；其次對太陽能電池板的等效電路進行了分析；介紹了太陽能電池的分類；最后結合可能影響太陽能電池板內部和外部因素對其輸出特性作了分析介紹。第3章 蓄電池充電技術研究太陽能充電系統中充電器最主要的功能是控制太陽能電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負載供電，控制整個系統的正常、可靠運行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關系，為了尋求最佳方案，在設計充電器之前必須做的一項工作是對蓄電池原理作一個詳細的分析研究。3.1 蓄電池的一般特性3.1.1 主要參數指標描述蓄電池特性的參數有很多，主要的有：蓄電池的充放電容量、蓄電池效率、荷電狀態、放電深度和蓄電池壽命等。當然對于不同的蓄電池還有不同的參數，后面用到鉛酸蓄電池時再詳述。下面介紹其中一些參數的概念及相互間的關系。1 蓄電池充放電容量蓄電池充電容量：蓄電池充電時消耗的電量。 (3-1)式中為充電電流，為充電時間。蓄電池放電容量：完全充足電的蓄電池在一定放電條件下放出的電量。 (3-2)式中為放電電流，為放電時間。影響蓄電池放電容量的主要因素有：a) 放電率放電時間越短，放電電流就越大，蓄電池的終止電壓越低，蓄電池的容量就越小。b) 電解液的溫度當電解液溫度在10-35變化時，溫度每升高1，蓄電池容量約增加額定容量的0.008。通常采用25下10小時放電率取得的容量作為蓄電池的額定容量。2 蓄電池效率放電時能放出的全部電量與充電時充入的全部電量的百分比?？捎冒矔r效率或瓦時效率表示，它們的關系為 (3-3)式中和分別為蓄電池充放電時的平均電壓。3 荷電狀態(SOC)己充電量與蓄電池額定容量的比值。 (3-4)式中是蓄電池實際帶電量，是額定容量。荷電狀態是描述蓄電池實際工作狀態的重要參數。4 放電深度(DOD)蓄電池放電量與額定容量的比值。 (3-5)5 蓄電池壽命a) 浮動充電壽命：蓄電池保持在浮動充電條件下的使用壽命。即在一個固定的浮充電壓和特定的電解液溫度條件下的使用壽命。b) 循環壽命：在一定的充電條件下，蓄電池被全充全放的次數。蓄電池的壽命與放電深度、充電電壓和環境溫度密切相關。選擇放電深度30-50%，環境溫度10-25可充分延長蓄電池使用壽命。3.1.2 鉛酸蓄電池的充放電特性鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩定物質-氫氧化鉛（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發生反應，變成鉛離子（），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）?？梢姡谖唇油ㄍ怆娐窌r（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，如圖3-1所示，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。圖3-1鉛酸蓄電池電動勢產生原理其原理可通過下面的反應方程式來表示：負極： (3-8)正極： (3-9)總反應： (3-10)圖3-2 是固定放電電流下電池端電壓與放電時間的示意圖。從圖可以看出，在大部分放電過程中，電池端電壓是穩定下降的，說明電池釋放的能量與電池端電壓的降低量間存在一定的關系。但到了放電末期，出現轉折點，此時電池端電壓急劇下降，這是因為電解液中，硫酸的濃度已經很低，電解液擴散到極板的速度不及放電的速度，在電解質不足的情況下，極板的電動勢急劇降低，造成電池端電壓的下降，至此應停止放電，否則會造成電池的過度放電。過放電會致使電池內部大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，造成電池陰極“硫酸鹽化”，由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對蓄電池的充、放電性能產生很大的負面影響，因此在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內阻也越大，電池的充、放電性能就越差，從而使蓄電池的壽命縮短。放電時間電池端電壓轉折點圖3-2 鉛酸電池端電壓與放電時間的關系3.2 太陽能-蓄電池充電技術研究對蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法3.2.1 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個蓄電池串聯的蓄電池組進行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復，最好用于小電流長時間的充電模式。這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過大的缺點，一種改進型的恒流方法得到應用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時間以及何時轉換為小電流，必須參照蓄電池維護使用說明書中的有關規定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關系如圖3-3所示。I 圖3-3恒流充電曲線 圖3-4恒壓充電曲線3.2.2 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調整電流。相對恒流充電來說，此法的充電電流自動減小，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達80%，如充電電壓選擇適當，可在8小時內完成充電。此法的充電特性曲線如圖3-4所示，此法也有其不足之處： 在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。 如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯數量多的電池組充電。 蓄電池端電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統中常采用，由于其充電電源來自太陽能陣列，其功率不足以使蓄電池產生很大的電流，所以在這樣的系統中蓄電池組串聯不多。3.2.3 恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時初始電流過大而進行改進的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯一限流電阻，當電流大時，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當電流小時，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動調整了充電電流，使之在某個限定范圍內，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱這種方式為準恒壓方式。3.2.4 兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結合的一種充電策略。它要求首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達一定容量后，然后采用恒壓方式進行充電。這樣蓄電池在初期充電不會出現很大的電流，在后期也不會出現高電壓，使蓄電池產生析氣。其充電特性如圖3-5所示。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達其額定容量(當時環境條件下)時，許多充電控制器允許對蓄電池繼續以小電流進行充電，以彌補蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。這就是在兩階段基礎上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖3-5的虛線段。本系統采用的就是三階段充電階段。UI圖3-5兩階段、三階段充電曲線3.2.5 快速充電正常充電方式蓄電池從0%到100%容量比，一般需要8-20小時，充電時間長。在某些場合需要縮短充電時間，但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快，對蓄電池有損害，且電流利用率也下降。快速充電就是采用大電流和高電壓對蓄電池充電，在1-2小時內把蓄電池充好，而且在這個過程中不會使蓄電池產生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高(一般在45以下)。這種方式解決不產生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結合方法。短時反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時間。當然脈沖充電電流、持續時間和放電電流以及持續時間必須根據蓄電池的要求進行。3.2.6 智能充電智能充電是以美國人J.A.MAS（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規律為基礎。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。雖說可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小。但是在光伏系統中因為充電電源本身并不是真正意義上的“無限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個“有限電源”，對蓄電池充電的同時還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。因此還未見到在光伏系統中采用充電可接受電流控制的智能充電的研究報道。3.3 本章小結介紹了蓄電池的相關知識。首先通過對蓄電池的概念和一般特性的介紹，使我們對蓄電池有了更多的了解；并結合上一章對太陽能電池板的介紹，簡單的對太陽能-蓄電池充電技術作了簡單的研究。第4章 系統硬件設計4.1太陽能充/放電器原理太陽能充放/電控制器的作用是有效地控制太陽能電池板給蓄電池充電，同時控制蓄電池為負載放電，以12V蓄電池為例，以其配套的太陽能電池板在有一定光照強度下的開路電壓為21V，接入控制器后的電壓為17V，蓄電池的電壓為1014V，不同的蓄電池其充放電特性是不同的，若為小容量蓄電池，當接通太陽能電池板與蓄電池后，蓄電池的電壓會在很短的時間內被電池板充到14V，若不加控制，蓄電池電壓甚至會更高，我們判斷蓄電池是否已經充滿的標準就是檢測蓄電池的電壓值，實際上在這種方式下檢測出的結果是不準確的，因此此時檢測到得蓄電池電壓是虛電壓，而等電池穩定后，再測量電壓，會發現電壓下降了許多，我們加入控制器的目的就是當檢測到蓄電池電壓達到一定值時，使用控制器控制連接太陽能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關，以一種脈寬調制的方式，降低充電電流以進一步為蓄電池充電，直到最后用很微小的電流將蓄電池電壓維持在某一固定值。控制負載是需要注意，當蓄電池電壓放電到一定電壓值以下時，要關斷負載，以保護蓄電池不能太過放電，若控制器控制充電部分電路出現問題，蓄電池電壓將有可能一直被充到16V以上，這樣的電壓連進負載時，極有可能燒毀負載，因此，也要保證當蓄電池電壓高于一定電壓值時同樣要關斷負載。以充/放電最大電流10A、額定電壓12V控制系統為例，其主要實現功能如下：要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池電壓則開始充電：若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成電量損耗。負載放電電流達到12A時控制器通過蜂鳴器報警，提示用戶負載已經過載請降低負載功率運行：當放電電流達到15A時控制器會自動切斷負載輸出，以保護控制器不被燒壞。切斷負載輸出后，控制器要能夠自動檢測負載功率，當負載功率降低到額定功率一下時，控制器又可自動開啟負載。當蓄電池電壓低于10.8V時，自動關斷負載（欠壓關斷），同時有報警提示；當從低于10.8V回升到13.2V時自動接通負載（欠壓恢復）。當蓄電池電壓高于14.8V時，自動關斷負載（欠壓關斷），同時有報警提示；當從高于14.8V回落到14.7V時自動接通負載（過壓恢復）。當蓄電池處于浮充狀態時電壓值控制在13.7V。當用戶將太陽能電池板反接至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被損壞的功能。當用戶將蓄電池反接至控制器時，要有報警功能，并且具有保護控制器不被損壞的功能。當負載發生短路時，控制器要具有自我保護能力，同時能檢驗出短路狀態并給予報警提示；當短路解除時能夠自動恢復正常。不同的溫度對于蓄電池的浮充電壓點是不同的，要有自動檢測溫度功能，并且能夠自動調節蓄電池的各個電壓點。最后，以上設計中的所有參考點都可手動調節，同時可手動微調以校準單片機的AD參考電壓，使所有控制器的參考點統一。4.2系統硬件設計 4.2.1 主控芯片的設計單片機是整個路燈制器的智能核心模塊，在此選用STC12C5412AD單片機，如圖4-1所示，該芯片具有4路PWM輸出，這里使用其中一路PWM控制充電MOS管的開關，自帶8路10位A/D，用來采集系統中所有需要處理的模擬信號， R1和R2采用精密電阻，主要用來分壓蓄電池電壓后，讓單片機采集，通過R1和R2大小關系計算出蓄電池實際電壓，然后根據項目實現功能進行相應的控制。其中R1、R2一定要使用精密電阻，其他電阻可選用普通電阻。所謂精密電阻是指誤差小于1%的電阻，普通電阻的精度為5%0%。圖4-1主控芯片主控芯片采用STC12C5412AD單片機，該單片機具有以下特性：增強型8051CPU，指令代碼完全兼容8051內核1個時鐘/機器周期高速運行SOP-28超小封裝4路PWM/PCA/CCU/捕獲/比較單元8路10位高速A/D轉換12KBFlash程序存儲器片上集成512字節RAM內置EPROM數據存儲器外部中斷9路，下降沿中斷或低電平觸發中斷內置硬件看門狗兩個定時器全雙工異步串行口（UART）高速硬件SPI通信端口，主模式/從模式片內R/C振蕩器寬電壓范圍3.85.5V低功耗設計，包含空閑模式和掉電模式工作頻率為035MHz，相當于普通8051的0420MHz加密性強，無法解密超強抗干擾工作溫度范圍：-40+85(工業級)/075（商業級）6個16位定時器其中兩個與傳統8051兼容的定時器/計數器，16位定時器T0和T1，沒有定時器T2，PCA模塊可實現4個16位定時器4.2.2 串口通信設計如圖4-2所示，串口通信部分采用MAX232芯片進行TTL電平和RS-232電平之間的轉換。MAX232CSETTL電平與RS-232電平轉換芯片，4路轉換，外圍接5個104電容。加入串口的目的主要有三個：一是給單片機下載程序；二是使控制器具有遠程通信或遠程監視的功能；三是將控制器每天采集到得數據的極限值和發生異常狀態時的數據記錄在其內部的EPROM中，當工作人員需要查看數據時，可直接通過串口讀取數據。最后，還需要與上位機軟件配合使用。圖4-2 串口通信4.2.3 液晶接口的設計控制器板上預留有1602液晶接口，如圖4-3所示，可根據用戶需要選擇安裝1602液晶。1602液晶可顯示兩行，每行16個字母，工作電壓4.55.5V,帶背光，并口操作方式。特點：單5V電源電壓，低功耗，長壽命，高可靠性。內置192種字符。具有64個字節的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。圖4-3 1602液晶接口4.2.4 發光二極管的設計圖4-4為控制器發光二極管指示燈，它有6個狀態指示：蓄電池接入指示燈；系統正常工作狀態指示燈；蓄電池欠壓指示燈；蓄電池過壓指示燈；充電狀態指示燈；負載工作狀態指示燈。 圖4-4發光二極管指示燈4.2.5 蜂鳴器的設計蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器用于系統出現異常是報警，如圖4-5所示，其中使用了4個二極管，其作用是當用戶不小心將蓄電池反接至控制器時，蜂鳴器會以長響報警，用戶提示接入有異常，同時還保證在蓄電池正確接入系統的條件下 當BEEP端為單片機輸出高電平時，蜂鳴器也可發聲報警。圖4-5 蜂鳴器4.2.6 按鍵設計圖4-6 中按鍵用來調節系統的各個參數及狀態。圖4-6 按鍵4.2.7 電源接口設計圖4-7為電源接口，控制器采用太陽能電池板、蓄電池和負載共用正極的方式接入，通過蓄電池負極與太陽能電池板負極之間的MOS管控制充電的開/關，通過蓄電池負極與負載負極之間的MOS管控制負載放電的開/關，圖7中各個電氣符號意義如下：PV+ 太陽能電池板正極PV- 太陽能電池板負極VCC(12V)蓄電池正極BAT-蓄電池負極FU+負載正極FU-負載負極圖4-7 電源接口其中，PV+、VCC(12V)、FU+連接在一起。4.2.8 晶振設計圖4-8為單片機晶振電路，晶振頻率采用12MHz。單片機系統里都有晶振，在單片機系統里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十，高級的精度更高。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。晶振通常與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。圖4-8 晶振電路4.2.9 電源部分和控制部分電路設計圖4-9為電源轉換及控制器部分電路，蓄電池正極從二極管DD6的陽極接入，DD6為防電源反接構成反向回路設計。Q3，R16，DW2為一級降壓電路，將蓄電池電壓鉗位在9.4V左右。DW2為10V穩壓管，當蓄電池電壓高于10V時，通過三極管Q3和穩壓管DW2后降壓到9.4V。降壓到9.4V的原因是三極管的基極電壓被穩壓管穩定在10V，通過BE極之間的PN結后電壓下降0.6V，所以為9.4V。然后通過二級降壓電路R17，Q4和DW3將輸出電壓鉗位到5V,這5V電壓用來給單片機系統提供電源，兩級降壓電路中使用三極管的作用是為了擴流，單純用穩壓管同樣可以穩壓到期望的電壓值，可是輸出的電流會非常小，以至根本無法帶負載。電阻R25，R26和二極管DD8用來檢測太陽能電池板電壓值，標號“PV-”為太陽能電池板負極，“JCPV”接單片機A/D輸入口。當“PV-”電壓等于或大于“BAT-”電壓時，說明太陽能電池板電壓等于或小于蓄電池電壓，這時不能開啟充電控制。R12，R13，R14，R15，DW1，Q2，T1為控制負載開關電路。DW1用來保證MOS管與GS之間電壓最大不得超過10V，否則會損壞MOS管，三極管Q3導通時，MOS管T1關閉；Q2不導通時，MOS管T1開啟。標號“ADC1”有三個作用，一用于單片機控制負載通斷；二用于采集MOS管在開啟狀態下的DS壓降，從而檢測負載消耗電流大小；三當負載過度或短路時，“ADC1”由硬件自動時MOS關閉，從而保護MOS管及負載的進一步損壞。R21，R20用來啟動硬件自動關閉充電，當太陽能電池板低于蓄電池電壓時，可由“PV-”直接控制Q5三極管，Q6的控制將失效。 T2，T3兩個MOS管對接才可有效控制充電回路，因為MOS管內部自身會有一個二極管，N溝道為S指向D，P溝道為D指向S，DW4為T2和T3MOS管穩壓。T2和T3MOS管的開/關由Q3和Q6兩個三極管的狀態共同決定。其中三極管9012PNP型，低頻放大，50V，0.5A，0.625W,150MHz。9013NPN型，低頻放大，50V，0.5A，0.625W,150MHz。BC337NPN型，低頻放大，45V，0.5A，0.625W,100MHz。而二極管IN4148電流150mA，反向最大電壓75V,截止頻率100MHz。MOS管IRL2703N溝道功率MOS管， =30V, =0.04， =24A,最高運行溫度175。圖4-9 電源轉換及控制部分電路4.2.10 生成并設計PCB電路圖設計完畢之后進行PCB的設計，首先進行驗證，程序將驗證結果顯示在Check字段，如圖4-10所示，在進行數據更新，程序將數據更新結果顯示在Done字段，如圖4-11所示。再對其進行布局布線，結果如圖4-12所示。 4-10 數據驗證 4-11 數據更新 4-12 PCB圖4.3 單片機的防干擾技術4.3.1 干擾分析1、干擾產生的原因總的來說，干擾信號的產生主要有三類：(1) 放電干擾：主要是雷電、靜電、大功率開關觸電斷開等放電產生的干擾；(2) 高頻振蕩干擾：主要指感應電爐、中頻電弧、開關電源、直流-交流變換器產生高頻振蕩時形成的；(3) 浪涌干擾：主要是交流系統中電動機啟動電流、電爐合閘電流、開關調節器等設備產生涌流引起的。這些干擾可能通過各種形式作用于計算機測控系統，對它們的性能有嚴重的影響，其中以各類開關分斷電感性負載所產生的干擾最難以抑制與消除。本系統最有可能產生干擾的就是靜電引起的放電干擾，還有開關電源引起的高頻振蕩干擾。2、干擾的危害干擾對于不同設計的控制系統的影響范圍和影響程度不一樣，基本上干擾產生的后果有以下五個方面：(1) 數據采集誤差加大。干擾侵入計算機系統測量單元模擬信號的輸入通道，疊加在有用信號上，會使數據采集誤差加大，特別是對于比較微弱的信號，干擾更加嚴重。(2) 控制狀態失靈。一般計算機輸出的控制信號較大，不易受到外界的干擾。但計算機輸出的控制信號常依據某些條件的狀態輸入信號和這些信號的邏輯處理結果。若這些輸入的信號受到干擾，引入虛假的狀態信號，將導致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。(3) 數據受干擾發生變化。就是在進行數據的讀/寫操作時，由于一些錯誤的信號使得數據發生異變，而這些數據的變化可能使得控制狀態失靈，也可能改變程序的運行狀態。(4) 程序運行失常。這個嚴重的后果表現為程序執行一系列毫無意義的指令，最后進入死循環，這將使輸出嚴重混亂或系統失靈。(5) 器件損壞。某些干擾：靜電可能會使得芯片上加上一個較大的電壓，這樣一個芯片的某些部件將很快的燒毀。4.3.2 硬件抗干擾方法在上面的分析中已經很清楚的闡述了干擾帶來的危害，所以必須采取措施抵抗干擾的出現，或者把干擾帶來的危害降到最低。下面是一些常用的抗干擾措施，并且在本文的硬件設計中也用到了其中的一些措施。1、抑制干擾源。這里常用的措施有：繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾；適當增加電路板上各個集成塊的濾波電路，并且要注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則等于增大了電容的等效串聯電阻，會影響濾波效果；布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發射。如下圖4-13所示。圖4-13抗干擾電路圖中主要采用了兩種電容來對抗可能的干擾，采用大容量的濾波電容可以有效地抑制電源上出現的紋波，即輕微的電壓波動，并且能夠構成電壓快速變化分量的泄放電路，防止電壓的快速波動；而退藕電容是并接在芯片的電源和地線之間的，用于消除高速跳變的電流產生的阻抗噪聲。其中C5是退藕電容C6是濾波電容。2、切斷干擾傳播途徑。這里就有幾個需要注意的方面了：充分考慮電源對單片機的影響；有可能的話抑制電場、磁場的干擾，這個現在最常見的就是光耦器件，本系統并沒有采用；注意晶振布線，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地并固定；電路板合理分區，盡可能把干擾源與敏感元件隔離；模擬地和數字地的隔離（如圖4-14）；上拉電阻的使用（如圖4-15）。R1模擬地模擬電路1模擬電路2數字電路1數字電路1數字地電源地R3R