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2、意义与功能介绍12电路设计22.1主原理图22.2蓄电池充电方式32.3充放电电路32.4电压采集电路42.5光耦开关电路42.6单片机及其外围电路52.7A/D转换电路62.8单片机电源电路62.9PCB图72.10作品实物73主要器件介绍83.1AT89S51单片机83.2TLC54993.3MOSFET93.4光耦93.5太阳能电池104软件设计114.1主要程序流程图114.2主要C程序115测试146小结15参考文献15英文摘要16致谢17基于AT89S51单片机的太阳能控制器设计与制作内容摘要本文介绍了一种基于单片机的太阳能控制器，系统使用低功耗、高性能的AT89S51单片机作为控
3、制电路的核心器件。此系统由太阳能电池模块，蓄电池，充放电电路，电压采集电路，单片机控制电路和光耦驱动电路组成。设计使用PWM（脉宽调制）控制技术来控制蓄电池充放电，通过控制MOSFET管开启和关闭达到控制电池充放电的目的。实验结果表明，该控制器性能可靠，可以监视太阳能电池和蓄电池电池状态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。关键词太阳能；控制器；AT89S51单片机我国现阶段的用电主要靠水力发电，但是我国水力资源在地域分布上极不平衡，总体来看，西部多、东部少。对于水电资源缺乏的地区或者用电超负荷的城市开发新能源是当务之急。我国的西部地区，包括西藏、新疆、青海、内蒙古、四川等省年
4、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，白天将太阳能转化为电能，利用蓄电池将剩余的电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。1研究意义与功能介绍1.1研究意义随着经济的发展、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。太阳光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
5、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.能源质量高；6.获取能源花费的时间短。1.2功能介绍本系统以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1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及负载功率检测（如图1）。图1系统结构框图2电
6、路设计2.1主原理图如图2所示，电路包含太阳能电池，DC-DC变换电路，蓄电池，数据采集电路，A/D转换电路，单片机控制电路及状态显示部分。本设计以ATMEL系列AT89S51单片机为控制中心的软硬件的结合，使用并联在电池两端的两个串联电阻，以分压方式对蓄电池、太阳能电池的电压进行采样，送到A/D转换得到一个数字信号的电压值，再将信号送入到单片机中进行处理。单片机输出经光耦电路控制MOSFET管。控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM)，根据程序设计的载荷变化来调制MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。按程序设计当检测到蓄电池的电压低于12V，充电模式为均充，Q1为完全导通状态
7、，也就是导通的脉冲占空比最大；当检测到蓄电池的电压在12V-14.5V，充电模式为浮充，Q1导通与不导通的占空比例变小；当检测到蓄电池的电压等于15V，Q1截止充电停止。当检测到蓄电池的电压低于10.8V，Q2关闭停止放电。2D1U41B1R150kC1AD1R25k100uFQ1VinR3K150kAD2R45kD221B2VinGNDVin1Q2C2K2470uF2VoutC3100uF3VCCC4104RLT1LM78052VCCU4C1U4R55kR6K1J1VinC2U5R75kR8K2VCC1234CON412345678RST91011121314151617X218X11920
8、C1C2U1AT89S51VCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8D3D44039CLK138DO137CS136CLK235DO234CS2333231VCC3029J22812722632542452362221CON6VCCU21AD1234REF+AINREFGNDTLC549VCCCLKDOCS87CS16DO15CLK1VCCC510
9、uFX1C647Y111MHZX2C747RSTR910kP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1GNDR10200R11200VCC1AD2234U3REF+AINREFGNDTLC549VCCCLKDOCSVCC87CS26DO25CLK2图2系统设计电路图2.2蓄电池充电方式作为太阳能储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适的充放电方式。所有的蓄电池充电过程都有快充、
10、过充和浮充3个阶段，每个阶段都有不同的充电要求。现行的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、间隙式充电法等，这些充电方法各有利弊。本设计采用最容易实现的恒压充电。蓄电池的电压在10.8V-12V之间为快充；蓄电池的电压在12V-14.5V之间为浮充；蓄电池的电压为14.5V时停止充电。2.3充放电电路电路由防反充二极管D1、滤波电容C1、续流二极管D2、MOSFET管Q1、滤波电容C2、MOSFET管Q1等构成。二极管D1是为了防反充，当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池的电压时，D1就生效。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。所使用的MOSF
11、ET是电压控制单极性金属氧化物3半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。设计中采用IRF9540NP沟道MOSFET管，P沟道MOSFET的导通电压Vth0，由下图可以实现MOSFET的驱动。当光耦U5导通时，由于Q1的G极电压很小，G极近似接地，Vgs0，当S极电压达到一定值时，Q1导通。Q2的原理类似。电路如图3。D11U4Q1VinB1K1R150kC1AD1R25k100uFR350kAD2R45kD221B2RLQ2K22图3充放电电路2.4电压采集电路如图4所示，电压采
12、集电路使用两个串联的电阻，大小比例为10:1，然后并联在需要检测的电压两端，从两个电阻中间采集电压。由分压公式得出采集的电压为VR1R21/11，当蓄电池充满电时电压大概为14.5V，计算出采集到的电压为1.3V，符合A/D转换芯片的TLC549的输入值。图4电压采集电路42.5光耦开关电路当输入信号C1为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，输出端两管脚间的电阻很大，相当于开关“断开”；当C1为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U5输入的电压经光耦流向接地端，处的电压接近为零，K1MOSEFT的Vgs14.5VNVbat12VNY
13、Vbat10.8VN停止放电Y停止充电浮充充电快速充电结束4.2主要C程序#include/51芯片管脚定义头文件#include/内部包含_nop_();#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitCLKsbitCSsbitDOUTsbitFuZaisbitPWMsbitLED1sbitLED2=P00;=P02;=P01;=P11;=P10;=P20;=P21;/*AD时钟信号*/*AD片选信号*/*数据输出*/11uchart0,battery_v;voiddelay(uintn)/延时函数while(n-)_nop_();/*/v
14、oidinit()/初始化函数TMOD=0x01;TH0=(65536-50)/256;TL0=(65536-50)%256;EA=1;ET0=1;PWM=0;LED1=1;LED2=1;/*/ucharadc_549(void)/AD转换uintdata_out=0;uchari;CS=1;_nop_();CS=0;for(i=0;i8;i+)/*读取8位数据*/CLK=0;data_out=(data_out186)/蓄电池电压大于10VLED1=1;LED2=0;if(224battery_v204)TR0=1;/开启固定PWM充电if(t0=5)PWM=1;if(t0=12)t0=0;
15、PWM=0;elseTR0=0;LED1=1;LED2=1;elseLED1=0;LED2=1;FuZai=0;/关闭负载voidtimer0()interrupt1/定时器0，用来产生PWMTH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;13t0+;5测试分析由于太阳能电池价格比较贵，所以设计中使用12V直流电源模拟太阳能电池。测试所用的蓄电池规格：12V，36Ah。测试用到的仪器：万能表，可调直流电源，示波器。测试的内容：检测蓄电池电压低于10.8V时，控制器是否中断放电电路；检测蓄电池电压在12V-14.5V是否PWM充电；检测蓄电池电压大于等于1
16、4.5V时控制器是否停止对蓄电池充电。由于测试使用的12V蓄电池容量太大（36Ah），假如此控制器以1A的电流对蓄电池充电，完成一次完整的充电所需时间大概为36小时，因此没能完全完成测试充电过程。使用此12V蓄电池测得的结果是控制器能够充放电。而测试控制器功能是否达到设计要求，所用的方法是用一个电压模拟蓄电池。以下是模拟充电得到的参数：当模拟蓄电池的电压低于10V，MOSFET管Q2关闭停止对负载供电，同时红灯亮；当模拟蓄电池的电压在10V-12V之间，Q1导通对蓄电池充电，同时绿灯亮；当模拟蓄电池的电压在12V-14V之间，PWM充电，同时绿灯亮；当模拟蓄电池的电压高于14V，MOSFET管
17、Q1关闭停止充电，同时两个灯亮。6小结本设计是基于AT89S51单片机的太阳能充放电控制器，以恒压限流的方式给蓄电池充电,使用开关频率很高的P沟道MOSFET管，控制充放电开关。通过采集太阳能电池的电压电流实现太阳能电池最大功率跟踪，并检测蓄电池的端电压，防止蓄电池的过充及过放。实践证明,该太阳能充放电控制器所组成的太阳能控制系统简单、快速、实时性强,有利于提高太阳能电池的转换效率；有利于改善蓄电池的工作状态，提高了蓄电池的使用寿命。在系统的设计以及在论文的写作过程中，查阅了大量的资料，包括图书馆的相关书籍和各种期刊，从中获得了不少的启示。通过这次设计，使我在理论和实践上都增长了很多经验。开始
18、画PCB图是使用自动布线加手工修改，但是设成以单层板的形式自动布线，生成的PCB图走线弯弯区区太不规则，后来使用以双层面板的形式自动布线，然后将TopLayer层手工修改，得到的PCB图走线才像块板。然后是去基地刷板，第一次去做板过板时直接报废，第二次做板，腐蚀液浓度太低，腐蚀了一个多钟还是一点轮廓，第三次自己买了氯化铁重新打印再腐蚀。做了两块板同时不断改进，才得到最14终设计电路。最后就是调试，这一步花了几天时间，觉得做设计最麻烦的还是调试，有时出不来结果，但不知问题出在哪。在本设计中已经提高了太阳能电池的转换效率，但由于能力有限，所以没有对太阳电池进行最大功率跟踪设计，没能更进一步提高太阳
19、能的利用效率。注释1百度百科参考文献1刘宏,吴达成等.家用太阳能光伏电源系统M.北京:化学工业出版社,20072沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术M.北京:化学工业出版社;20053罗晓曙,闭金杰,杨日星,张露.AVR单片机的太阳能电池控制器设计J.现代电子技术,2009(10).4百度百科15TheDesignandProductionofTangyurongSolarControllerAbstractThispaperhasintroduceasolarcontrollerwhichisbaseonaMCU,whichisusedalow-powerandhigh-performanceM
20、CUwhichiscalledAT89S51asthecoredevicesofcontrolcircuit.Thissystemiscomposedofasolarpanelsmodule,battery,chargeanddischargecircuit,Voltageandcurrentacquisitioncircuit,MCUcontrolcircuit,Optocouplerdrivecircuit.ItusesthePWM(PulseWidthModulation)technologytocontrolthesolarpanelsrechargetobattery,bycontr
21、ollingtheopeningandturn-offofMOSFETintheanalogcontrolcircuit.Theexperimentalresultsshowthatthetheperformanceofthecontrollerisreliable.canbeoverseethestatusofsolarpanelsandbattery.Itcanbringouttheoptimizationoftheabattery,andKeywordsextendsthelifeofbattery.Controller；MCU；Solar16致谢我这次的设计能顺利完成，得益于老师和同学
22、的指导和帮助，在这里，我对他们的热心表示诚挚的谢意。衷心感谢指导教师黄国现老师在这几个月来的悉心指导与督促，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助。让我从原来对单片机一无所知到对单片机有所了解再到现在的会用C语言在keil软件上编写程序，让我对硬件电路的设计从原来惧怕到现在从容查资料，设计电路，调试电路。同时也由衷的感谢同班薛量云同学提供了宝贵意见，使得设计符合要求。最后，自己之所以能顺利完成，还是要感谢还是自己的父母，如果没有他们每日辛苦的劳动与从小对我学习有着严格要求和培养我严格做人做事的态度，正是他们的养育和教导，才有了今天的我现在的成绩。17广西师范大学本科毕业论文(设计学生诚信保证书广西师范大学本科毕业论文设计)学生诚信保证书设计本人郑重承诺：毕业论文（设计）基于单片机AT89S51的太阳能控制器的设计与制作的内容真实、可靠，系本人在黄国现指导教师的指导下独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人愿承担全部责任。学生签名：唐喻荣2010年05月08日181-