基于AT89S51單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì)與制作(終稿)

基于AT89S51單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì)與制作2013年3月

目錄中文摘要 11研究意義與功能介紹 12電路設(shè)計(jì) 22.1主原理圖 22.2蓄電池充電方式 32.3充放電電路 32.4電壓采集電路 42.5光耦開關(guān)電路 42.6單片機(jī)及其外圍電路 52.7A/D轉(zhuǎn)換電路 62.8單片機(jī)電源電路 62.9PCB圖 72.10作品實(shí)物 73主要器件介紹 83.1AT89S51單片機(jī) 83.2TLC549 93.3MOSFET 93.4光耦 93.5太陽能電池 104軟件設(shè)計(jì) 114.1主要程序流程圖 114.2主要C程序 115測試 146小結(jié) 15參考文獻(xiàn) 15英文摘要 1617基于AT89S51單片機(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì)與制作內(nèi)容摘要本文介紹了一種基于單片機(jī)的太陽能控制器，系統(tǒng)使用低功耗、高性能的AT89S51單片機(jī)作為控制電路的核心器件。此系統(tǒng)由太陽能電池模塊，蓄電池，充放電電路，電壓采集電路，單片機(jī)控制電路和光耦驅(qū)動電路組成。設(shè)計(jì)使用PWM（脈寬調(diào)制）控制技術(shù)來控制蓄電池充放電，通過控制MOSFET管開啟和關(guān)閉達(dá)到控制電池充放電的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器性能可靠，可以監(jiān)視太陽能電池和蓄電池電池狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電，達(dá)到延長蓄電池的使用壽命。關(guān)鍵詞太陽能；控制器；AT89S51單片機(jī)

我國現(xiàn)階段的用電主要靠水力發(fā)電，但是我國水力資源在地域分布上極不平衡，總體來看，西部多、東部少。對于水電資源缺乏的地區(qū)或者用電超負(fù)荷的城市開發(fā)新能源是當(dāng)務(wù)之急。我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古、四川等省年日照時(shí)間長，這些地區(qū)面積寬廣、人口密集低，在一些偏僻的地區(qū)傳統(tǒng)的供電設(shè)施建設(shè)成本高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當(dāng)?shù)卣浞掷锰柲馨l(fā)電解決無電地區(qū)的用電具有重大的戰(zhàn)略意義。為了更高效的利用太陽能，白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將剩余的電能儲存起來，需要用電時(shí)即可由蓄電池供電。1研究意義與功能介紹1.1研究意義隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對能源提出越來越高的要求，近年來能源供需矛盾突出，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。太陽光沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運(yùn)輸。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：1.無枯竭危險(xiǎn)；2.干凈無公害；3.不受資源分布地域的限制；4.可在用電處就近發(fā)電；5.能源質(zhì)量高；6.獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。1.2功能介紹本系統(tǒng)以ATMEL系列中的AT89S51單片機(jī)為控制中心，軟硬件的結(jié)合，利用分壓電路對蓄電池，太陽能電池的電壓、電流進(jìn)行采樣。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。單片機(jī)輸出經(jīng)光耦驅(qū)動MOSFET管來控制外接電路開啟關(guān)閉。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電，當(dāng)蓄電池電壓在14.4V+0.5時(shí)，太陽能電池停止對蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓在10.9V+0.5時(shí)，蓄電池停止對負(fù)載放電；負(fù)載電流檢測電路可進(jìn)行過流保護(hù)及負(fù)載功率檢測（如圖1）。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2電路設(shè)計(jì)2.1主原理圖如圖2所示，電路包含太陽能電池，DC-DC變換電路，蓄電池，數(shù)據(jù)采集電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)控制電路及狀態(tài)顯示部分。本設(shè)計(jì)以ATMEL系列AT89S51單片機(jī)為控制中心的軟硬件的結(jié)合，使用并聯(lián)在電池兩端的兩個(gè)串聯(lián)電阻，以分壓方式對蓄電池、太陽能電池的電壓進(jìn)行采樣，送到A/D轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字信號的電壓值，再將信號送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。單片機(jī)輸出經(jīng)光耦電路控制MOSFET管?？刂芃OSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，根據(jù)程序設(shè)計(jì)的載荷變化來調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。按程序設(shè)計(jì)當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導(dǎo)通狀態(tài)，也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；當(dāng)檢測到蓄電池的電壓在12V-14.5V，充電模式為浮充，Q1導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小；當(dāng)檢測到蓄電池的電壓等于15V，Q1截止充電停止。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于10.8V，Q2關(guān)閉停止放電。圖2系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖2.2蓄電池充電方式作為太陽能儲能用的蓄電池由于存在過放、過充、使用壽命短等問題，要選擇合適的充放電方式。所有的蓄電池充電過程都有快充、過充和浮充3個(gè)階段，每個(gè)階段都有不同的充電要求。現(xiàn)行的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、間隙式充電法等，這些充電方法各有利弊。本設(shè)計(jì)采用最容易實(shí)現(xiàn)的恒壓充電。蓄電池的電壓在10.8V-12V之間為快充；蓄電池的電壓在12V-14.5V之間為浮充；蓄電池的電壓為14.5V時(shí)停止充電。2.3充放電電路電路由防反充二極管D1、濾波電容C1、續(xù)流二極管D2、MOSFET管Q1、濾波電容C2、MOSFET管Q1等構(gòu)成。二極管D1是為了防反充，當(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池的電壓時(shí)，D1就生效。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)間（即PWM—脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。所使用的MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。設(shè)計(jì)中采用IRF9540NP溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth<0，由下圖可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動。當(dāng)光耦U5導(dǎo)通時(shí)，由于Q1的G極電壓很小，G極近似接地，Vgs<0，當(dāng)S極電壓達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。Q2的原理類似。電路如圖3。圖3充放電電路2.4電壓采集電路如圖4所示，電壓采集電路使用兩個(gè)串聯(lián)的電阻，大小比例為10:1，然后并聯(lián)在需要檢測的電壓兩端，從兩個(gè)電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為VR1R21/11，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)電壓大概為14.5V，計(jì)算出采集到的電壓為1.3V，符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的TLC549的輸入值。圖4電壓采集電路2.5光耦開關(guān)電路當(dāng)輸入信號C1為低電平時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)C1為高電平時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”，此時(shí)從U5輸入的電壓經(jīng)光耦流向接地端，K1處的電壓接近為零，MOSEFT的Vgs<0，當(dāng)S極電壓達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。圖5光耦開關(guān)電路2.6單片機(jī)及其外圍電路本設(shè)計(jì)使用AT89S51單片機(jī)，單片機(jī)及其外圍電路包括上電復(fù)位電路，晶振，LED指示燈如圖6所示，其中D3、D4為高電平有效，用來顯示工作狀態(tài)。圖6單片機(jī)及其外圍電路2.7A/D轉(zhuǎn)換電路AT89S51單片機(jī)沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此采集的電壓需要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。此設(shè)計(jì)采用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC549（如圖7）。需要采集的信號從2管腳AIN輸入，1管腳的基準(zhǔn)電壓使用5V，5、6、7三管腳連單片機(jī)。圖7A/D轉(zhuǎn)換電路2.8單片機(jī)電源電路單片機(jī)對電源質(zhì)量要求嚴(yán)格，只有波形穩(wěn)定清晰的電源才能使單片機(jī)上電復(fù)位，否則無法上電復(fù)位，晶振不能起振，單片機(jī)就不工作。蓄電池提供的電壓是12V，單片機(jī)電源使用5V電壓，因此需要穩(wěn)壓后才能供單片機(jī)使用，本設(shè)計(jì)采用LM7805穩(wěn)壓后得到波形較好的電源才供單片機(jī)使用。圖8單片機(jī)電源電路2.9PCB圖開始畫PCB圖是使用自動布線加手工修改，但是設(shè)成以單層板的形式自動布線，生成的PCB圖走線彎彎區(qū)區(qū)太不規(guī)則，后來使用以雙層面板的形式自動布線，然后將TopLayer層手工修改，得到的PCB圖走線才像塊板。圖9系統(tǒng)PCB圖2.10作品實(shí)物圖10作品實(shí)物圖（正面）圖11作品實(shí)物圖（背面）3主要器件介紹3.1AT89S51單片機(jī)圖12AT89S51單片機(jī)管腳圖圖AT89S51單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及圖12AT89S51單片機(jī)管腳圖圖AT89S51具有以下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。3.2TLC549TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長17μs，TLC548允許的最高轉(zhuǎn)換速率為45500次/s，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于較小信號的采樣[2]。TLC548/549的極限參數(shù)如下：●電源電壓：6.5V；●輸入電壓范圍：0.3V～VCC＋0.3V；●輸出電壓范圍：0.3V～VCC＋0.3V；●峰值輸入電流(任一輸入端)：±10mA；圖13TLC549管腳圖13TLC549管腳圖圖●工作溫度：－55℃～125℃3.3MOSEFT管MOSEFT管是利用電場效應(yīng)來控制電流的，由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，由于場效應(yīng)管的柵極被絕緣層(例如SiO2)隔離，因此其輸入電阻可達(dá)109歐以上。MOSEFT管所需驅(qū)動功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開關(guān)頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關(guān)。本設(shè)計(jì)采用IRF9540NP溝道場效應(yīng)管，以下是IRF9540N的一些參數(shù)：VGS=0V,ID=-250uAVGS=-10V,ID=-11AVDS=VGSVDS=-50V,ID=-11AVDS=-80VVGS=0V,IDSS=250uAVGS=20V,IGSS=100nA3.4光耦光耦合器是以光為媒介傳輸電信號。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。光耦工作時(shí)對輸入、輸出的電信號有很好的隔離作用，因此被廣泛用在各種電路中。光耦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示，在1、2極之間加正向電壓，內(nèi)部的發(fā)光二極管（LED）將會發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，3、4極之間導(dǎo)通。反之，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)斷開。由于單圖14光耦合器片機(jī)輸出只有5V不足于驅(qū)動MOSFET管，因此驅(qū)動MOSFET管的電壓從U3出接出。圖14光耦合器3.5太陽能電池圖15太陽能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng)如右圖所示，太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的，能夠直接將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能的器件。具有很強(qiáng)的光伏效應(yīng)半導(dǎo)體材料，當(dāng)吸收一定能量的光子后其內(nèi)部導(dǎo)電的載流子分布和濃度發(fā)生變化。光照在半導(dǎo)體P/N結(jié)上，就會在其兩端產(chǎn)生光生電壓，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。在這個(gè)過程中，光電池本身不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，也沒有轉(zhuǎn)動磨損，因此使用太陽能電池的過程中沒有噪聲，沒有環(huán)境污染，這是其他方式發(fā)電所不能比擬的。圖15太陽能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng)3.6蓄電池國內(nèi)目前被廣泛使用的太陽能蓄電池主要是鉛酸蓄電池，它的主要特點(diǎn)：壽命長，免維護(hù)安全可靠，具有比較好的循環(huán)充放電能力，具有很好的過充和過放能力。電池的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛(Pb)，電解液是硫酸液(H2SO4)。本設(shè)計(jì)采用密封型鉛酸電池，設(shè)計(jì)的蓄電池電壓值為：12V，充滿斷開電壓為：14.1～14.5V；恢復(fù)連接電壓為：13.2V。4軟件設(shè)計(jì)4.1程序主要流程圖4.2主要C程序#include<reg51.h>//51芯片管腳定義頭文件#include<intrins.h>//內(nèi)部包含_nop_();#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitCLK=P0^0;/*AD時(shí)鐘信號*/sbitCS=P0^2;/*AD片選信號*/sbitDOUT=P0^1;/*數(shù)據(jù)輸出*/sbitFuZai=P1^1;sbitPWM=P1^0;sbitLED1=P2^0;sbitLED2 =P2^1;uchart0,battery_v;voiddelay(uintn) //延時(shí)函數(shù){ while(n--) { _nop_(); }}/*************************************/voidinit()//初始化函數(shù){ TMOD=0x01; TH0=(65536-50)/256; TL0=(65536-50)%256; EA=1; ET0=1; PWM=0; LED1=1; LED2=1; }/***********************************/ucharadc_549(void) //AD轉(zhuǎn)換{uintdata_out=0;uchari;CS=1;_nop_();CS=0;for(i=0;i<8;i++)/*讀取8位數(shù)據(jù)*/{CLK=0;data_out=(data_out<<1)|DOUT;CLK=1;_nop_();}CLK=0;CS=1;delay(3);/*延時(shí)21us以上*/return(data_out);}/**********************************/voidmain(void){ init(); while(1) { battery_v=adc_549(); FuZai=1;//打開負(fù)載 if(battery_v>186)//蓄電池電壓大于10V { LED1=1; LED2=0; if(224>battery_v>204) { TR0=1; //開啟固定PWM充電 if(t0==5) { PWM=1; } if(t0==12) { t0=0; PWM=0; } } else { TR0=0; LED1=1; LED2=1; } } else { LED1=0; LED2=1; FuZai=0;//關(guān)閉負(fù)載 } }}voidtimer0()interrupt1 //定時(shí)器0，用來產(chǎn)生PWM{ TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; t0++;}5測試分析由于太陽能電池價(jià)格比較貴，所以設(shè)計(jì)中使用12V直流電源模擬太陽能電池。測試所用的蓄電池規(guī)格：12V，36Ah。測試用到的儀器：萬能表，可調(diào)直流電源，示波器。測試的內(nèi)容：檢測蓄電池電壓低于10.8V時(shí)，控制器是否中斷放電電路；檢測蓄電池電壓在12V-14.5V是否PWM充電；檢測蓄電池電壓大于等于14.5V時(shí)控制器是否停止對蓄電池充電。由于測試使用的12V蓄電池容量太大（36Ah），假如此控制器以1A的電流對蓄電池充電，完成一次完整的充電所需時(shí)間大概為36小時(shí)，因此沒能完全完成測試充電過程。使用此12V蓄電池測得的結(jié)果是控制器能夠充放電。而測試控制器功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所用的方法是用一個(gè)電壓模擬蓄電池。以下是模擬充電得到的參數(shù)：當(dāng)模擬蓄電池的電壓低于10V，MOSFET管Q2關(guān)閉停止對負(fù)載供電，同時(shí)紅燈亮；當(dāng)模擬蓄電池的電壓在10V-12V之間，Q1導(dǎo)通對蓄電池充電，同時(shí)綠燈亮；當(dāng)模擬蓄電池的電壓在12V-14V之間，PWM充電，同時(shí)綠燈亮；當(dāng)模擬蓄電池的電壓高于14V，MOSFET管Q1關(guān)閉停止充電，同時(shí)兩個(gè)燈亮。6小結(jié)本設(shè)計(jì)是基于AT89S51單片機(jī)的太陽能充放電控制器，以恒壓限流的方式給蓄電池充電,使用開關(guān)頻率很高的P溝道MOSFET管，控制充放電開關(guān)。通過采集太陽能電池的電壓電流實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率跟蹤，并檢測蓄電池的端電壓，防止蓄電池的過充及過放。實(shí)踐證明,該太陽能充放電控制器所組成的太陽能控制系統(tǒng)簡單、快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng),有利于提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率；有利于改善蓄電池的工作狀態(tài)，提高了蓄電池的使用壽命。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及在論文的寫作過程中，查閱了大量的資料，包括圖書館的相關(guān)書籍和各種期刊，從中獲得了不少的啟示。通過這次設(shè)計(jì)，使我在理論和實(shí)踐上都增長了很多經(jīng)驗(yàn)。開始畫PCB圖是使用自動布線加手工修改，但是設(shè)成以單層板的形式自動布線，生成的PCB圖走線彎彎區(qū)區(qū)太不規(guī)則，后來使用以雙層面板的形式自動布線，然后將TopLayer層手工修改，得到的PCB圖走線才像塊板。然后是去基地刷板，第一次去做板過板時(shí)直接報(bào)廢，第二次做板，腐蝕液濃度太低，腐蝕了一個(gè)多鐘還是一點(diǎn)輪廓，第三次自己買了氯化鐵重新打印再腐蝕。做了兩塊板同時(shí)不斷改進(jìn)，才得到最終設(shè)計(jì)電路。最后就是調(diào)試，這一步花了幾天時(shí)間，覺得做設(shè)計(jì)最麻煩的還是調(diào)試，有時(shí)出不來結(jié)果，但不知問題出在哪。在本設(shè)計(jì)中已經(jīng)提高了太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，但由于能力有限，所以沒有對太陽電池進(jìn)行最大功率跟蹤設(shè)計(jì)，沒能更進(jìn)一步提高太陽能的利用效率。

元器件數(shù)據(jù)數(shù)量LM78051CON41AT89S511CON61TLC5492電阻50kΩ25kΩ4未知（R6.R8）220Ω210kΩ1滑動變阻器未知1電容100pF1470pF1100uF10.1uF110uF147pF2二極管未知2場效應(yīng)管未知2晶振11MHz1發(fā)光二極管未知4三極管未知2

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