太陽(yáng)能;光伏系統(tǒng)控制器;設(shè)計(jì)與制作

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題 目： 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與制作 (英文)：A design and production of solar photovoltaic system controller 院 別： 自動(dòng)化學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與制作摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)化石能源的消耗量不斷增大，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益突出，可再生能源的利用也因此引起了人們的廣泛關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展，除了通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等多種手段，盡量減少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提

2、高人們的節(jié)能意識(shí)外，開(kāi)發(fā)新能源的應(yīng)用是更重要的手段，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電是主要的新能源之一。本文分析了基于PIC12F675單片機(jī)制作的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的工作原理及功能。本文中太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器結(jié)合了太陽(yáng)能電池的輸出特性，分析設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的光伏控制器系統(tǒng)，以及針對(duì)對(duì)蓄電池充放電的特性，設(shè)計(jì)了蓄電池過(guò)充電與過(guò)放電保護(hù)。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏系統(tǒng)控制器；PIC12F675；蓄電池；過(guò)充電；過(guò)放電A design and production of solar photovoltaic system controllerABSTRACTAs the rapid development of eco

3、nomy and technology as well as the population growth, and increasing concern on the use of renewable energy is caused by the growing pollution and energy crisis due to the use of fossil-fuel-based energy. To realize the sustainable development of environment and energy, in addition to technology inn

4、ovation, system innovation, industrial transformation and other means, to minimize coal, oil contour carbon energy consumption, and improve people's energy saving consciousness, development of new energy application is more important, the solar photovoltaic power generation is one of the major n

5、ew energyAnalyzed in this paper, based on PIC12F675 MCU produced by solar photovoltaic system the working principle and function of the controller. Solar photovoltaic system controller in this paper combined with the solar cell output characteristics, simple and reasonable analysis and design of pho

6、tovoltaic controller system, and the battery charge and discharge characteristics, design the battery over charge and over discharge protection.Key words: Solar Energy; Photovoltaic system controller; PIC12F675; storage battery; overcharge; over discharge目 錄1 緒論11.1太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的的概述1什么是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器1

7、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的分類11.2 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的研究意義與研究現(xiàn)狀2研究意義2研究現(xiàn)狀32 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)的組成52.1太陽(yáng)能電池板5太陽(yáng)能電池發(fā)電原理6太陽(yáng)能電池的輸出特性72.2 蓄電池2鉛酸蓄電池的充電方法3光伏系統(tǒng)蓄電池特殊性42.3 系統(tǒng)控制器5單片機(jī)5場(chǎng)效應(yīng)管7硬件元件清單83 光伏系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)103.1 電路原理圖103.2 單片機(jī)電路103.3 充放電控制器123.4 工作過(guò)程153.5 PCB布局圖163.6電路的仿真164 光伏系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計(jì)214.1軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境214.2 程序設(shè)計(jì)21主程序22定時(shí)中斷服務(wù)子程序234.2.3A/D

8、轉(zhuǎn)換子程序25數(shù)值比較子程序264.3 程序的配置與燒寫(xiě)265 結(jié)論與展望285.1 結(jié)論285.2 展望28參考文獻(xiàn)29致謝30附錄A31附錄B331 緒論1.1太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的的概述什么是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：1、離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。主要由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。2、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就是太陽(yáng)能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電這后直接接入公共電網(wǎng)。并網(wǎng)

9、發(fā)電系統(tǒng)有集中式大型并網(wǎng)電站一般都是國(guó)家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但這種電站投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、占地面積大，目前還沒(méi)有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，特別是光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是目前并網(wǎng)發(fā)電的主流。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器工作原理：白天，在光照條件下，太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)組件的串并聯(lián)形成太陽(yáng)能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能貯存起來(lái)。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過(guò)逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸

10、送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過(guò)負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。本次課題制作的小功率太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲(chǔ)藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲(chǔ)藏的電能。 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的分類光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯(lián)型光伏控制器、串聯(lián)型光伏控制器、脈寬調(diào)制型光伏控制器、智能型光伏控制器和最大功率跟蹤型光伏控制器。 1、并聯(lián)型光伏控制器。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器

11、或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。并聯(lián)型光伏控制器一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如電壓在12V、20A以內(nèi)和系統(tǒng)。這類控制器很可靠，沒(méi)有繼電器之類的機(jī)械部件。 2、串聯(lián)型光伏控制器。利用機(jī)械繼電器控制充電過(guò)程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統(tǒng)，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級(jí)。比較容易制造連續(xù)通電電流在45A以上的串聯(lián)型光伏控制器。 3、脈寬調(diào)制型光伏控制器。它以PWM脈沖方式開(kāi)關(guān)光伏陣列的輸入。當(dāng)蓄電池趨向充滿時(shí)，脈沖的頻率和時(shí)間縮短。按照美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究，這種充電過(guò)程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命。 4、智能型光伏控制器?；贛CU（

12、如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序?qū)温坊蚨嗦饭夥嚵羞M(jìn)行切離和接通控制。對(duì)中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過(guò)MCU的RS232接口配合MODEM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行距離控制。 5、最大功率跟蹤型控制器。將太陽(yáng)能電池電壓V和電流I檢測(cè)后相乘得到功率P，然后判斷太陽(yáng)能電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，剛調(diào)整脈寬，調(diào)制輸出占空比D，改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣， 并作出是否改變占空比的判斷，通過(guò)這樣的尋優(yōu)過(guò)程可保證太陽(yáng)能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽(yáng)能電池方陣的輸出能量。

13、同時(shí)采用PWN調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。本次課題設(shè)計(jì)是屬于智能型光伏控制器中的一種。1.2 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的研究意義與研究現(xiàn)狀研究意義隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問(wèn)題已經(jīng)成為全球最為關(guān)注的問(wèn)題之一，能源危機(jī)已經(jīng)成為全人類所面臨的主要危機(jī)，特別是我國(guó)的電力能源近年來(lái)顯得十分吃緊，電力緊張阻礙著我們的日常生產(chǎn)、生活，甚至嚴(yán)重影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)文明的進(jìn)步。常規(guī)化石燃料的無(wú)節(jié)制使用和二十世紀(jì)七十年代發(fā)生的兩次石油危機(jī)，使得人們?cè)絹?lái)越清醒地認(rèn)識(shí)到化石燃料資源遲早會(huì)枯竭耗盡。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)已探明可丌采的化石能源儲(chǔ)量的統(tǒng)計(jì)和使用這些能源的速度，可以預(yù)計(jì)，煤可以應(yīng)用

14、的時(shí)間約為54-81年，石油為15-20年，天然氣的時(shí)間28-58年，核燃料使用的時(shí)間也不會(huì)超過(guò)百年，前一個(gè)數(shù)字是預(yù)測(cè)的估計(jì)，后一個(gè)數(shù)字是保守的估計(jì)。因此找到一條可持續(xù)發(fā)展的包括太陽(yáng)能在內(nèi)的可再生能源等的新出路，將是我們避免人類能源短缺與枯竭的緊迫任務(wù)。隨著能源日益緊缺和環(huán)保壓力的不斷增大，不可再生資源的大量消耗及能源價(jià)格的飛漲，給人類帶來(lái)了不安。尋找一種廉價(jià)的新型可再生能源代替石油等不可再生能源成為世界各國(guó)的發(fā)展方向。地球表面每年接受太陽(yáng)的輻射量達(dá)5.4×1024J，相當(dāng)于1.8×1014t標(biāo)準(zhǔn)煤。若將其中的0.1%按轉(zhuǎn)換率5%轉(zhuǎn)換為電能，每年發(fā)電量可達(dá)5600TW

15、83;h，相當(dāng)于目前全世界年能耗的40倍。因此，太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)今后能源發(fā)展有著特別重要的意義。且太陽(yáng)能的諸多優(yōu)點(diǎn)使發(fā)展太陽(yáng)能已是大勢(shì)所趨，太陽(yáng)能時(shí)代的到來(lái)已為時(shí)不遠(yuǎn)了。太陽(yáng)能（Solar Energy），一般是指太陽(yáng)光的輻射能量。太陽(yáng)能一般分為兩類：太陽(yáng)能光伏和太陽(yáng)熱能。其中太陽(yáng)能光伏有著極其重要的應(yīng)用。它用由硅制成的光電板組件接受陽(yáng)光，轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能為電能并將其儲(chǔ)存在蓄電池等儲(chǔ)能器件中。儲(chǔ)存的能量能夠在人們需要的時(shí)候使用，并且太陽(yáng)能是可再生資源2，所以太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種可代替舊能源的有效、便捷的方法。太陽(yáng)能光伏發(fā)電目前具有比較成熟的技術(shù)。其具有安全可靠、無(wú)噪音、無(wú)污染、能量隨處可得、不受地域限制

16、、無(wú)需消耗燃料、建站周期短、無(wú)需架設(shè)輸電線路、可以方便地與建筑物相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)發(fā)電和其它發(fā)電方式所不及的3。發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有實(shí)際意義。將太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能最大效率地存入儲(chǔ)能器件中可帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所以設(shè)計(jì)一種對(duì)儲(chǔ)能器件合適的系統(tǒng)控制器就顯得極其重要了。研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)50年代太陽(yáng)能電池的空間應(yīng)用到如今的太陽(yáng)能光伏集成建筑，世界光伏工業(yè)已經(jīng)走過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的歷史。由于太陽(yáng)能資源分布相對(duì)廣泛、蘊(yùn)藏豐富，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有清潔、安全、壽命長(zhǎng)以及維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電被認(rèn)為將是21世紀(jì)最重要、最具活力的新能源。在世界各國(guó)尤其是美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家先后發(fā)起的大規(guī)模國(guó)家光伏發(fā)展

17、計(jì)劃和太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃的刺激和推動(dòng)下，光伏工業(yè)近幾年保持著年均30%以上的高速增長(zhǎng)。其中，以光伏集成建筑為核心的光伏并網(wǎng)發(fā)電市場(chǎng)己經(jīng)超過(guò)離網(wǎng)應(yīng)用，近幾年的增長(zhǎng)速度都在40%以上，成為世界光伏工業(yè)的最主要發(fā)動(dòng)機(jī)。并網(wǎng)光伏發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點(diǎn)。業(yè)余制作的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲(chǔ)藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲(chǔ)藏的電能，要實(shí)現(xiàn)這一功能就需要一個(gè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器。小型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電不僅能為移動(dòng)設(shè)備提供電能，而且能成為家中的備用電源。目前市面上的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器品種繁多，價(jià)格不一，所涉及到應(yīng)用場(chǎng)所也很多。其太陽(yáng)

18、能光伏系統(tǒng)控制器一般基于單片機(jī)所設(shè)計(jì)，外接部件有鉛蓄電池，太陽(yáng)能板，負(fù)載。本次課題制作的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲(chǔ)藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲(chǔ)藏的電能。本課題制作是以單片機(jī)電路設(shè)計(jì)來(lái)制作的。本裝置電路設(shè)計(jì)預(yù)留了夜燈控制功能，只有在天黑以后蓄電池才對(duì)外供電。本電路特色功能： 一.蓄電池過(guò)充電與過(guò)放電保護(hù)；二.自動(dòng)恢復(fù)放電功能；三.防止蓄電池與太陽(yáng)能電池反接功能。自上世紀(jì)七十年代出現(xiàn)兩次石油危機(jī)和不可再生能源的日益枯竭之后，太陽(yáng)能光伏發(fā)電更加受到全世界關(guān)注。并且隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能太陽(yáng)能電池的成本逐漸下降，各類太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)

19、換效率不斷提高。因?yàn)橐陨显颍夥l(fā)電的規(guī)模和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，成為全球增長(zhǎng)速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器是太陽(yáng)能發(fā)電的重要部件之一。不同的領(lǐng)域，場(chǎng)所所需要的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器各不同。本課題的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置是適合于家用場(chǎng)所的。2 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)的組成2.1太陽(yáng)能電池板 本次課題制作的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲(chǔ)藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲(chǔ)藏的電能。本太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器由以下幾個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能光伏控制器、鉛酸蓄電池、負(fù)載。如輸出電源為交流220或110V，還要配置逆變器。太陽(yáng)能光伏

20、系統(tǒng)控制器的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。充放電控制器12V蓄電池DC12V負(fù)載太陽(yáng)能電池圖2.1 LED光伏系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的核心部分，也是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。在眾多太陽(yáng)光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池及非晶硅太陽(yáng)能電池等有三種。有太陽(yáng)光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽(yáng)能電池為好，因?yàn)槎嗑Ч杼?yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比單晶低。在陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽(yáng)能電池為好，因?yàn)閱尉Ч杼?yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽(yáng)能電池在室外陽(yáng)光

21、不足的情況下比較好，因?yàn)榉蔷Ч杼?yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低。本次設(shè)計(jì)中由于考慮到成本的原因，使用了18V的多晶硅太陽(yáng)能板。本次設(shè)計(jì)采用的的太陽(yáng)能板實(shí)物如圖2.2所示。圖2.2 太陽(yáng)能板實(shí)物圖太陽(yáng)能電池發(fā)電原理太陽(yáng)能電池是直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件，太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)是結(jié)合光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)（圖2.3），能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使得半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)附近生成的載流子沒(méi)有被復(fù)合而到達(dá)空間電荷區(qū)，受內(nèi)建電場(chǎng)的吸引，電子流入N區(qū)，空穴流入P區(qū)，結(jié)果使N區(qū)儲(chǔ)存了過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴。它們?cè)赑N結(jié)附近形成與勢(shì)壘

22、方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)除了部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng)的作用外，還使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這就是光生伏特效應(yīng)。圖2.3 太陽(yáng)能板實(shí)物圖太陽(yáng)能電池的輸出特性目前市面上用得最多的是硅太陽(yáng)能電池，所以本文主要分析硅太陽(yáng)能電池的輸出特性，及光照、溫度對(duì)輸出特性的影響。硅太陽(yáng)能電池的輸出特性指的是太陽(yáng)能電池在一定的溫度和光照強(qiáng)度下所表現(xiàn)出來(lái)的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)半導(dǎo)體理論，為方便研究太陽(yáng)能電池的特性，人們得出太陽(yáng)能電池的理論分析模型。經(jīng)太陽(yáng)能電池的電路簡(jiǎn)化分析，再通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池實(shí)際應(yīng)用時(shí)的一些重要參數(shù)的分析，可得到太陽(yáng)能電池工程用數(shù)學(xué)模型，

23、在知道短路電流、開(kāi)路電壓、溫度和光照的情況下可確定太陽(yáng)能電池的輸出I-V和P-V曲線。太陽(yáng)能電池的輸出I-V和P-V曲線，如圖2.4所示。圖2.4 太陽(yáng)能電池的輸出I-V和P-V曲線圖中的VOC、ISC、Vm、Im分別是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓。這些是太陽(yáng)能電池在實(shí)際應(yīng)用中的重要技術(shù)參數(shù)10：開(kāi)路電壓VOC：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下的最大輸出電壓。短路電流ISC：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下的最大輸出電流。最大功率點(diǎn)電壓Vm：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。最大功率點(diǎn)電流Im：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。最大功率點(diǎn)功率Pm：

24、在給定溫度和日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的輸出功率，即Pm=Vm×Im太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率Po與光照投射到電池表面上的功率Ps之比，其值取決于太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)。通常采用太陽(yáng)能電池的最大效率值作為其效率= Pm/Ps太陽(yáng)能電池輸出特性是非線性的，受外界多種因素影響，主要因素是光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度。根據(jù)得到的工程用數(shù)學(xué)模型，在已知相應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可繪制出在環(huán)境變化下太陽(yáng)能電池的I-V、P-V特性曲線，如圖2.5和圖2.6所示。圖2.5 相同光照強(qiáng)度(1000W/m2)不同溫度下的I-V和P-V特性曲線圖2.5是太陽(yáng)能電池在相同光照強(qiáng)度不同溫度下的I-V、P-V特性曲線。從曲線中可以看

25、出，當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)，電池溫度升高，太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓VOC降低，太陽(yáng)能電池的短路電流ISC增加，但其增加的程度不如開(kāi)路電壓VOC，所以溫度主要影響太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓VOC。電池溫度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池的最大輸出功率隨之降低。在光照強(qiáng)度一定，溫度確定的條件下有其唯一的最大功率點(diǎn)。圖2.6相同溫度(25)不同光照強(qiáng)度下的I-V和P-V特性曲線圖2.6為太陽(yáng)能電池在相同溫度不同光照強(qiáng)度下的I-V、P-V特性曲線，從曲線中可以看出，當(dāng)溫度一定時(shí)隨光照強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)能電池短路電流ISC和開(kāi)路電壓VOC都增加了。但是VOC增加的幅度沒(méi)有ISC的大，所以光照強(qiáng)度主要影響太陽(yáng)能電池的短路電流ISC。光照強(qiáng)

26、度升高時(shí)，太陽(yáng)能電池的最大輸出功率隨之升高。在太陽(yáng)能電池溫度一定，光照強(qiáng)度確定的條件下有其唯一的最大功率點(diǎn)。由以上可知：在溫度和光照強(qiáng)度確定的條件下，太陽(yáng)能電池的輸出具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)其工作在該點(diǎn)時(shí)，能輸出當(dāng)前溫度和光照強(qiáng)度下的最大功率。此時(shí)能夠?qū)μ?yáng)能進(jìn)行最大效率的利用。由于實(shí)際應(yīng)用中不能保證太陽(yáng)能電池總是工作在最大功率點(diǎn)上，所以在應(yīng)用中要用到帶有最大功率點(diǎn)跟蹤的控制裝置，以保證太陽(yáng)能電池的輸出功率保持在最大功率點(diǎn)的附近。2.2 蓄電池常用的蓄電池有開(kāi)口鉛酸蓄電池、閥控鉛酸蓄電池、鎘鎳（Ni-Cd）、鎳氫（Ni-H）電池。在這三大類電池中，開(kāi)口鉛酸蓄電池由于在其使用過(guò)程中存在水的易揮發(fā)

27、、易泄漏、比容量低等缺點(diǎn)，而鎳鈣、鎳氫電池容量雖大，但價(jià)格昂貴，免維護(hù)蓄電池由于其容量大、價(jià)格低、自放電率低、結(jié)構(gòu)緊湊、不存在錫鎳電池的“記憶效應(yīng)”、壽命長(zhǎng)、基本免維護(hù)等優(yōu)越性，對(duì)于無(wú)人值守或缺少技術(shù)人員的偏遠(yuǎn)地區(qū)使用特別有利，因而在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中大量應(yīng)用，而且將在今后一段時(shí)期繼續(xù)大量使用。在光伏系統(tǒng)中蓄電池起著至關(guān)重要的作用：白天它既能作為太陽(yáng)能不足補(bǔ)充，又能作為多余太陽(yáng)能的存儲(chǔ)：夜晚它是負(fù)載的唯一能源。雖然在不同地方（光照、溫度不同），不同要求（負(fù)載、可靠性等）的光伏系統(tǒng)中蓄電池配置的容量有較大不同，但對(duì)于使用蓄電池的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)的初期投資中它一般占到1/4到1/2,而蓄電池又是整個(gè)光

28、伏系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)，使在光伏系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行壽命中蓄電池成為最昂貴的部件，這主要由于許多蓄電池達(dá)不到其使用壽命，而提前失效，系統(tǒng)不得不更換。本次設(shè)計(jì)所使用的蓄電池如圖2.6所示。圖2.7 蓄電池鉛酸蓄電池的充電方法目前鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到了廣泛的使用。在太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池投人使用后，必然會(huì)進(jìn)行充電和放電過(guò)程。太陽(yáng)能電池發(fā)電充足時(shí)會(huì)對(duì)蓄電池貯存電能、恢復(fù)容量，以避免產(chǎn)生的電能因無(wú)法存儲(chǔ)而浪費(fèi)。當(dāng)太陽(yáng)能電池發(fā)電不足時(shí)蓄電池自身放電提供電能。蓄電池充電和放電狀況的好壞，將直接影響到蓄電池的電性能及使用壽命。目前對(duì)蓄電池充電的方法很多，選擇科學(xué)合理的充電方

29、法將會(huì)大大提高蓄電池的供電能力和維護(hù)效果。本文中不對(duì)充放電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行介紹，下面各方法對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響可參見(jiàn)文獻(xiàn)。1、恒流充電法。恒流充電就是以一確定的電流進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行調(diào)整使電流恒定不變。這種方法特別適合于多個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量容易得到恢復(fù)，此方法最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)間的充電模式。這種充電方式的不足之處在于：鉛酸蓄電池開(kāi)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(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。2、恒壓充電法。恒壓充電就是以一恒定電壓對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，固其充電電流較大

30、。但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，充電電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過(guò)。相對(duì)恒流充電法來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減少，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低。這種充電方法不足之處在于：在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過(guò)深，即蓄電池電壓很低，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電設(shè)備的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方法在小型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因?yàn)檫@種系統(tǒng)中來(lái)自太陽(yáng)能電池陣列的電流不會(huì)太大，而且這

31、種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。這兩種方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)此類控制。但其自身都有缺點(diǎn)，并且現(xiàn)在控制器上的芯片性能十分優(yōu)越，可采用充電性能更好的方法。3、階段充電法。階段充電法中主要包括二階段充電法和三階段充電法。二階段充電法是采用恒流充電法和恒壓充電法相結(jié)合的快速充電方法。它首先對(duì)鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達(dá)一定容量后，采用恒壓充電方式充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段恒壓的電壓。采用這種充電方式，在充電初期，蓄電池不會(huì)因低電壓出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不會(huì)出現(xiàn)因蓄電池電壓過(guò)高產(chǎn)生析氣。三階段充電法在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒流充電，中間階段用恒壓

32、充電。相當(dāng)于在二階段充電法后，再加入一個(gè)恒流充電階段。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段，再繼續(xù)以很小的電流向蓄電池充電。這種以小電流充電的方式也稱為浮充充電。在浮充時(shí)，蓄電池的充電電壓比恒壓階段的充電電壓要低，這種方法可以將出氣量減到最少，提高蓄電池的電性能及延長(zhǎng)使用壽命。但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。4、快速充電法。比較流行的幾種快速充電方法有：脈沖式充電法：脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停止充電一段時(shí)間，之后繼續(xù)脈沖電流充電，如此循環(huán)。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量提高了蓄電池的充電電流接受率。變電壓間歇充電法：在每個(gè)恒壓間

33、歇充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流的可接受率隨著充電進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)，可提高充電效率。變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法：綜合了多種充電的優(yōu)點(diǎn)，此方法控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號(hào)的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)。在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。綜上所述，為了較好的保護(hù)蓄電池，并實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電，可采用快速充電法和三階段充電法相結(jié)合的方法，即把三階段充電法第一階段的恒流階段改為快速充電階段，這樣既可快速給蓄電池充電，又能夠通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。本設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)的要求所以了采用浮

34、充的方式。光伏系統(tǒng)蓄電池特殊性在光伏系統(tǒng)中蓄電池容量一般設(shè)計(jì)要能滿足日常生活需要的備用電要求，而由于考慮系統(tǒng)成本。光伏陣列的容量又偏小，因而存在充電率非常低，如何此光伏系統(tǒng)控制器應(yīng)用于路燈時(shí)，時(shí)而由于天氣原因出現(xiàn)一定深度放電的普遍現(xiàn)象。這樣使得蓄電池難以得到完全的再充滿，而使其長(zhǎng)期處于欠充狀態(tài)導(dǎo)致蓄電池底部酸濃度高于頂部酸濃度的酸分層現(xiàn)象，從而使極板由于在其上的硫酸濃度的不同，導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化，正極板腐蝕和膨脹，使蓄電池的壽命縮短。 由于光伏系統(tǒng)中的蓄電池放電電流很小，而根據(jù)結(jié)晶核作用理論這樣會(huì)形成大的結(jié)晶，加速極板的極化。經(jīng)常設(shè)置高的充電電壓，提高充電電流，來(lái)減少蓄電池的欠充。在日照不

35、足時(shí)，有一定的效果。但由于季節(jié)的變化，在日照充足時(shí)，使蓄電池產(chǎn)生過(guò)充。蓄電池的過(guò)分的過(guò)充是引起其壽命縮短的主要原因。一但出現(xiàn)充電不足或負(fù)荷超常規(guī)量放電，經(jīng)常造成很長(zhǎng)時(shí)間得不到足夠補(bǔ)充，使蓄電池工作在低的荷電狀態(tài)。造成蓄電池的壽命降低。2.3 系統(tǒng)控制器單片機(jī)系統(tǒng)控制器主要由PIC12F675單片機(jī)、場(chǎng)效應(yīng)管、三極管、電阻、電容、發(fā)光二極管等元件組成。它在整個(gè)系統(tǒng)中的作用：系統(tǒng)控制器上電時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始工作，控制器采用A/D轉(zhuǎn)換的方式測(cè)量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)和已儲(chǔ)存的過(guò)充電電壓、過(guò)放電電壓、恢復(fù)供電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的控制。電路中R11、R

36、12和R15、R16分別組成蓄電池和太陽(yáng)能電池的電壓取樣電路，太陽(yáng)能電池的電壓取樣電路在增加夜燈控制功能時(shí)使用。PIC12F675的GP0、GP1分別作兩個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端。通過(guò)單片機(jī)GP4、GP5端口輸出高低電平，從而控制充放電電路。PIC12F675是Microchip公司下的12F系列8引腳閃存8位CMOS單片機(jī)。PIC12F675單片機(jī)有以下特點(diǎn)：高性能的RISC CPU,特殊單片機(jī)功能，低功耗功能，多樣的外設(shè)功能。圖2.21為PIC12F675封裝。PIC12F675片內(nèi)含1KB的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、64B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和128B的EEPROM，工作速度為02

37、0MHz，工作電壓為25.5V。有6個(gè)具有復(fù)用功能的I/O引腳GP0GP5。PIC12F675可以選擇外部或內(nèi)部振蕩器，這里使用了內(nèi)部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內(nèi)有一個(gè)帶有8 位可編程預(yù)分頻器的8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0和一個(gè)帶有預(yù)分頻器的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器Timer1，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)模擬比較器。圖2.8 PIC12F675封裝為了更好地了解PIC12F675這個(gè)單片機(jī)，我們可以從它的框圖了解。PIC12F675的框圖如圖2.9所示。圖2.9 PIC12F675框圖PIC12F675單片機(jī)的引腳說(shuō)明如表2.1所示。表2.1 元件清單引腳號(hào)符號(hào)說(shuō)

38、明1VDD正電源輸入腳，最高工作電壓為5.2V2GP5復(fù)用功能輸出端口3GP4復(fù)用功能輸出端口4MCLR上電復(fù)位端5GP2復(fù)用功能輸出端口6AN1A/D轉(zhuǎn)換器7AN0A/D轉(zhuǎn)換器8Vss接地腳場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。 場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制元件，這一特點(diǎn)類似于電子管，但它的構(gòu)造與工作原理和電子管是截然不同的。場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理就是“漏極-源極間流

39、經(jīng)溝道的ID，用以柵極與溝道間的PN結(jié)形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說(shuō)，ID流經(jīng)通路的寬度，即溝道截面積，它是由PN結(jié)反偏的變化，產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區(qū)域，表示的過(guò)渡層的擴(kuò)展因?yàn)椴缓軋?chǎng)效應(yīng)管大，根據(jù)漏極-源極間所加VDS的電場(chǎng)，源極區(qū)域的某些電子被漏極拉去，即從漏極向源極有電流ID流動(dòng)。從門(mén)極向漏極擴(kuò)展的過(guò)度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型，ID飽和。將這種狀態(tài)稱為夾斷。這意味著過(guò)渡層將溝道的一部分阻擋，并不是電流被切斷。在過(guò)渡層由于沒(méi)有電子、空穴的自由移動(dòng)，在理想狀態(tài)下幾乎具有絕緣特性，通常電流也難流動(dòng)。但是此時(shí)漏極-源極間的電場(chǎng)，實(shí)際上是兩個(gè)過(guò)渡層接觸漏極

40、與門(mén)極下部附近，由于漂移電場(chǎng)拉去的高速電子通過(guò)過(guò)渡層。因漂移電場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎不變產(chǎn)生ID的飽和現(xiàn)象。其次，VGS向負(fù)的方向變化，讓VGS=VGS(off)，此時(shí)過(guò)渡層大致成為覆蓋全區(qū)域的狀態(tài)。而且VDS的電場(chǎng)大部分加到過(guò)渡層上，將電子拉向漂移方向的電場(chǎng)，只有靠近源極的很短部分，這更使電流不能流通。 本次采用的場(chǎng)效應(yīng)管是SB560（5A60V），這類場(chǎng)效應(yīng)管也稱肖特基二極管。硬件元件清單太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器硬件元件清單表如表2.2所示。表2.2 元件清單序號(hào)元件名稱位號(hào)型號(hào)規(guī)格數(shù)量1單片機(jī)ICPIC12F67512電阻器R10金屬膜1/4W 68013R7、R8金屬膜1/8W 1k24R1、R4、

41、R12、R16金屬膜1/8W 2k45R11金屬膜1/8W 6.2k16R15金屬膜1/8W 6.8k17R2、R5、R9、R13金屬膜1/8W 10k48R3、R6、R14金屬膜1/8W 20k39電容器C2瓷0.1F110電解電容器C1100F/16V111C310F/16V112二極管VD1、VD2、VD610V穩(wěn)壓二極管313VD55V穩(wěn)壓二極管114VD71N5401115VD8、VD9SB560（5A60V）216發(fā)光二極管VD33 綠色117VD43 紅色118三極管VT2、VT4、VT52SC945319場(chǎng)效應(yīng)管VT1、VT3、VT6IRF3205320集成電路插座-DIP81

42、21保險(xiǎn)絲FUSE5A122電路板-PCB板13 光伏系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1 電路原理圖本文介紹的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)使用額定輸出電壓為18V的太陽(yáng)能電池板，配用12V蓄電池，太陽(yáng)能電池板的功率和蓄電池的容量可根據(jù)實(shí)際需要確定，同時(shí)考慮到充電時(shí)間和用電時(shí)間的長(zhǎng)短，進(jìn)行合理搭配。本次設(shè)計(jì)采用額定輸出功率為10W、額定輸出電壓為18V的太陽(yáng)能電池板，容量為4.5Ah、額定電壓為12V的蓄電池。太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的電路原理圖如圖3.1所示。電路由單片機(jī)電路、充電控制電路、放電控制電路等部分組成。圖3.1 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的原理圖3.2 單片機(jī)電路IC1、R9、C3等組成單片機(jī)最小系統(tǒng)電

43、路，其中R9、C3為上電復(fù)位電路，IC使用PIC12F675，它雖然只有8只引腳，功能卻比較強(qiáng)大，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理如圖3.2所示。圖3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖    PIC12F675片內(nèi)含1KB的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、64B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和128B的EEPROM，工作速度為020MHz，工作電壓為25.5V。有6個(gè)具有復(fù)用功能的I/O引腳GP0GP5。PIC12F675可以選擇外部或內(nèi)部振蕩器，這里使用了內(nèi)部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內(nèi)有一個(gè)帶有8 位可編程預(yù)分頻器的8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0和一個(gè)帶有預(yù)分頻器的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)

44、器Timer1，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)模擬比較器。 R10、VD5、C1、C2等組成單片機(jī)5V穩(wěn)壓電源。VT5、VT6等組成充電控制電路，當(dāng)PIC12F675的GP2腳輸出低電平時(shí)，VT5截止、VT6飽和導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池通過(guò)VD9、VT6給蓄電池充電。VT1、VT2和VT3、VT4等分別組成兩路蓄電池放電控制電路，使用兩路負(fù)載可增加使用的靈活性，當(dāng)程序?qū)IC12F675的GP4、GP5腳采取不同的控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如GP4作常規(guī)控制，GP5增加夜燈控制功能，只有在天黑以后蓄電池才對(duì)外供電。GP4、GP5如果采用相同的控制功能，兩個(gè)輸出端也可以并聯(lián)使用。以第一

45、路（負(fù)載1）為例，當(dāng)GP5輸出低電平時(shí)，蓄電池通過(guò)VD8、VT1向負(fù)載供電。3.3 充放電控制器本文介紹的充放電控制器采用A/D轉(zhuǎn)換的方式測(cè)量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)和已儲(chǔ)存的過(guò)充電電壓、過(guò)放電電壓、恢復(fù)供電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的控制。電路中R11、R12和R15、R16分別組成蓄電池和太陽(yáng)能電池的電壓取樣電路，PIC12F675有4通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，這里使用了AN0和AN1兩個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果10位二進(jìn)制輸出到ADRESH和ADRESL寄存器中，輸出格式采用左對(duì)齊，即前8位存入ADRESH，后兩位存入ADRESL， A/D轉(zhuǎn)換器的參考

46、電壓為5V，能轉(zhuǎn)換的最大模擬電壓值就是5V，因此取樣電路要使用分壓電阻。太陽(yáng)能電池的電壓取樣電路在增加夜燈控制功能時(shí)使用。PIC12F675的GP0、GP1分別作兩個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端，PIC12F675的GP3、GP4、GP5分別作三個(gè)功能輸出端。 A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的VDD，即5V作為參考電壓。VD9能防止太陽(yáng)能電池板接反。當(dāng)太陽(yáng)能電池接反時(shí)也不會(huì)影響到電路的完整性。VD7、保險(xiǎn)絲FUSE組成防蓄電池反接電路，當(dāng)蓄電池接反時(shí)VD7導(dǎo)通，通過(guò)保險(xiǎn)絲FUSE使蓄電池短路，燒斷保險(xiǎn)絲，從而蓄電池?cái)嗦?，起到保護(hù)電路和負(fù)載的作用。保險(xiǎn)絲FUSE同時(shí)也起到過(guò)載保護(hù)作用。

47、蓄電池電壓采樣電路如圖3.3所示。蓄電池兩端電壓通過(guò)R11、R12分壓作用，R12所承受的電壓通過(guò)7腳端AN0進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)比較7腳輸入的電壓從而做出相應(yīng)的控制。圖3.3 蓄電池電壓采樣電路太陽(yáng)能電壓采樣電路如圖3.4所示。太陽(yáng)能板兩端電壓通過(guò)R15、R16分壓作用，R16所承受的電壓通過(guò)6腳端AN1進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)比較6腳輸入的電壓從而做出相應(yīng)的控制。這里的6腳端AN1是預(yù)留的端口，利用這個(gè)端口的功能可以做成太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)控制器。當(dāng)天黑時(shí)，控制器可以控制蓄電池向路燈放電。圖3.4 太陽(yáng)能電壓采樣電路充電控制電路如圖3.5所示。當(dāng)GP2輸出低電平時(shí)，VT5截止，VD6兩端電壓為10V

48、。VT6場(chǎng)效應(yīng)管的G端為10V，因而VT6飽和導(dǎo)通，太陽(yáng)能板從而能為蓄電池充電。圖3.5 充電控制電路放電控制電路如圖3.6所示。原理與以上所說(shuō)的充電控制原理一樣。圖3.6 放電控制電路3.4 工作過(guò)程太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器電路的參數(shù)：    1.最大充電電流（A）：5    2.最大放電電流（A）：5    3.蓄電池額定工作電壓（V）：12    4.太陽(yáng)能電池額定輸出電壓（V）：18    5.太陽(yáng)能電池最大開(kāi)路電壓（V）：25 &

49、#160;  6.過(guò)充電電壓（V）：14.8    7.過(guò)放電電壓（V）：10.8    8.恢復(fù)供電電壓（V）：12.3太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的工作過(guò)程：接上太陽(yáng)能電池板和蓄電池后，電路的工作情況如下（設(shè)蓄電池的電壓為U）：充電工作情況：1、當(dāng)U14.8V時(shí)GP2輸出低電平，通過(guò)三極管與場(chǎng)效應(yīng)管等所組合的電路，太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電；當(dāng)U14.8V時(shí)GP2輸出高電平，太陽(yáng)能電池停止對(duì)蓄電池充電。放電工作情況：1.當(dāng)U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5輸出低電平，通過(guò)三極管與場(chǎng)效應(yīng)管等所組合的電路，蓄電池對(duì)負(fù)載

50、放電。2、當(dāng)U10.8V時(shí)，GP4、GP5輸出高電平，通過(guò)三極管與場(chǎng)效應(yīng)管等所組合的電路，蓄電池停止對(duì)負(fù)載放電。3. U隨著充電逐漸上升，當(dāng)U10.8V時(shí)，電路并不立刻恢復(fù)蓄電池的供電，否則會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)因電壓下降又停止供電，形成一種振蕩的供電狀態(tài)，即一會(huì)通一會(huì)斷，為了解決這一問(wèn)題，設(shè)置了一個(gè)電壓的回差，當(dāng)蓄電池充電恢復(fù)到U12.3V時(shí)，通過(guò)三極管與場(chǎng)效應(yīng)管等所組合的電路，GP4、GP5再輸出低電平恢復(fù)供電。 本文中的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器的電路特色功能：1、蓄電池過(guò)充電與過(guò)放電保護(hù)；2.自動(dòng)恢復(fù)放電功能；3.通過(guò)VD7、VD9，防止蓄電池與太陽(yáng)能電池反接功能。3.5 PCB布局圖太陽(yáng)能光伏系

51、統(tǒng)控制器的PCB布局如圖3.7所示。在畫(huà)PCB時(shí)，有個(gè)地方需要注意：VD7、VD8、VD9焊盤(pán)的內(nèi)徑與外徑要比平常的大很多。圖3.7 硬件PCB圖紙3.6電路的仿真太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器電路仿真在PROTEUS（ISIS Professional）軟件環(huán)境下進(jìn)行。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AV

52、R、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。仿真界面如圖3.8所示。圖3.8 仿真界面太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器電路仿真原理圖如圖3.9所示。圖3.9 電路仿真原理圖以下的仿真，太陽(yáng)能電池的額定電壓都為18V。當(dāng)蓄電池電壓（U）為10.8V，放電指示燈不亮，充電指示燈亮，見(jiàn)圖AN0端口的輸入電壓為，GP2端口輸出低電平，VT5截止，VT6因飽和導(dǎo)通。GP4、GP5端口輸出高電平，VT1最終截止，負(fù)載1兩端電壓為0V。圖3.10 U為10.8V的仿真圖當(dāng)蓄電池電壓（U

53、）為10.9V，充放電指示燈都亮，見(jiàn)圖AN0端口的輸入電壓為，GP2端口輸出低電平，VT5截止，VT6因飽和導(dǎo)通，能夠充電。GP4、GP5端口輸出低電平，VT1最終導(dǎo)通，負(fù)載1兩端電壓為10.9V。圖3.11 U為10.9V的仿真圖當(dāng)蓄電池電壓（U）為12.2V，充放電指示燈都亮，見(jiàn)圖AN0端口的輸入電壓為，GP2端口輸出低電平，VT5截止，VT6因飽和導(dǎo)通，能夠充電。GP4、GP5端口輸出低電平，VT1最終導(dǎo)通，負(fù)載1兩端電壓為12.2V。圖3.12 U為12.2V的仿真圖當(dāng)蓄電池電壓（U）為14.8V，放電充電指示燈都亮，見(jiàn)圖AN0端口的輸入電壓為，GP2端口輸出低電平，VT5截止，VT1

54、中G端口電壓為9.9V，VT6因飽和導(dǎo)通，達(dá)到充電的目的。GP4、GP5端口輸出低電平， VT1導(dǎo)通。圖3.13 U為14.8V的仿真圖當(dāng)蓄電池電壓（U）為14.9V，放電指示燈亮，充電指示燈不亮，見(jiàn)圖AN0端口的輸入電壓為，GP2端口輸出高電平，VT5導(dǎo)通，VT1中G端口電壓為0V，VT6截止，不充電。GP4、GP5端口輸出低電平，VT2截止，VT1導(dǎo)通，達(dá)到對(duì)負(fù)載放電的目的。圖3.14 U為14.9V的仿真圖4 光伏系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件部分的程序是在MPLAB IDE編譯器中進(jìn)行編譯，程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、延時(shí)子程序、數(shù)值比較子程序

55、等組成。MPLAB 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）是綜合的編輯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)，適用于使用Microchip 的PICmicro® 系列單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。MPLAB IDE 是適用于PICmicro® 系列單片機(jī)和dsPICTM 數(shù)字信號(hào)控制器，基于Windows® 操作系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，MPLAB IDE的操作界面如圖4.1所示。圖4.1 MPLAB IDE操作界面4.2 程序設(shè)計(jì)軟件部分的程序是在MPLAB IDE編譯器中進(jìn)行編譯，最終生成目標(biāo)文件。本課題的光伏系統(tǒng)控制器的程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、延時(shí)子程序、數(shù)值比較子程序等組成。PIC12F675有4通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，這里使用了AN0和AN1兩個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果10位二進(jìn)制輸出到ADRESH和ADRESL寄存器中，輸出格式采用左對(duì)齊，即前8位存入ADRESH，后兩位存入ADRESL，ADRES寄存器如圖4.2所示。圖4.2 ADRES寄存器程序中要用到的蓄電池各種控制電壓值所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表4.1所示。表4.1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果名稱電壓（V）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADRESHADRESL過(guò)充電電壓14.8739B8HC0H過(guò)放電電壓10.853986H