太陽(yáng)能充、放電控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

北華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電氣信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文課題名稱：智能高效太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專 業(yè)： 姓 名： 班級(jí)學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 二一二年 五 月 十五 日 太陽(yáng)能充、放電控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)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(nèi)容4第2章 太陽(yáng)能電池的研究和分析52.1 太陽(yáng)能電池的原理52.2 太陽(yáng)能電池的分類52.3 太陽(yáng)能電池的等效電路62.4 太陽(yáng)能電池板的主要參數(shù)72.5 本章小結(jié)11第3章 蓄電池充電技術(shù)研究123.1 蓄電池的一般特性123.2 太陽(yáng)能-蓄電池充電技術(shù)研究153.3 本章小結(jié)18第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)194.1太陽(yáng)能充/放電器原理194.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)204.3 單片機(jī)的防干擾技術(shù)284.4 本章小結(jié)31第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)325.1 protues仿真325.2 keil程序調(diào)試335.3流程圖355.4本章小結(jié)37結(jié)論38參考文獻(xiàn)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(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)能是一種干凈的可再生的新能源，越來(lái)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(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，太陽(yáng)能電池就是利用太陽(yáng)能工作的。而太陽(yáng)能熱電站的工作原理則是利用匯聚的太陽(yáng)光，把水燒至沸騰變?yōu)樗魵猓缓笥脕?lái)發(fā)電。太陽(yáng)能發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀(jì)計(jì)劃。準(zhǔn)備利用地面上沙漠和海洋面積進(jìn)行發(fā)電，并通過(guò)超導(dǎo)電纜將全球太陽(yáng)能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測(cè)算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽(yáng)能發(fā)電供給全球能源，占地也不過(guò)為 65.11萬(wàn)平方公里、 186.79萬(wàn)平方公里、829.19萬(wàn)平方公里。829.19萬(wàn)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(shí)現(xiàn)的。 另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國(guó)宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電站設(shè)想，準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長(zhǎng)10公里、寬5公里的大平板，上面布滿太陽(yáng)電池，這樣便可提供500萬(wàn)千瓦電力。但這需要解決向地面無(wú)線輸電問(wèn)題?，F(xiàn)已提出用微波束、激光束等各種方案。目前雖已用模型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了短距離、短時(shí)間、小功率的微波無(wú)線輸電，但離真正實(shí)用還有漫長(zhǎng)的路程。 隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，在2006年，中國(guó)有三家企業(yè)進(jìn)入了全球前十名，標(biāo)志著中國(guó)將成為全球新能源科技的中心之一，世界上太陽(yáng)能光伏的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了目前缺乏的是原材料的供應(yīng)和價(jià)格的上漲，我們需要將技術(shù)推廣的同時(shí)，必須采用新的技術(shù)，以便大幅度降低成本，為這一新能源的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供原動(dòng)力！ 1.1.2 太陽(yáng)能的應(yīng)用領(lǐng)域1、用戶太陽(yáng)能電源：1小型電源10-100W不等，用語(yǔ)邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等；23-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；3光伏水泵：解決無(wú)電地區(qū)的深水井飲用、灌溉。2、交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通/鐵路信號(hào)燈、交通警示/標(biāo)志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無(wú)線電話亭、無(wú)人值守道班供電等。3、通訊/通信領(lǐng)域：太陽(yáng)能無(wú)人值守微波中繼站、光纜維護(hù)站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵GPS 供電等。4、石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫(kù)閘門陰極保護(hù)太陽(yáng)能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺(tái)生活及應(yīng)急電源、海洋檢測(cè)設(shè)備、氣象/水文觀測(cè)設(shè)備等。5、家庭燈具電源：如庭院燈、路燈、手提燈、野營(yíng)燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。6、光伏電站：10KW-50MW 獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光互補(bǔ)電站、各種大型停車廠充電站等。7、太陽(yáng)能建筑：將太陽(yáng)能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來(lái)的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，是未來(lái)一大發(fā)展方向。8、其他領(lǐng)域包括：1與汽車配套：太陽(yáng)能汽車/電動(dòng)車、電池充電設(shè)備、汽車空調(diào)、換氣扇、冷飲箱等；2太陽(yáng)能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng)；3海水淡化設(shè)備供電；4衛(wèi)星、航天器、空間太陽(yáng)能電站等。目前美國(guó)、歐洲各國(guó)特別是德國(guó)及日本、印度等都在大力發(fā)展太陽(yáng)電池應(yīng)用，開始實(shí)施的十萬(wàn)屋頂計(jì)劃、百萬(wàn)屋頂計(jì)劃等，極大地推動(dòng)了光伏市場(chǎng)的發(fā)展，前途十分光明。1.1.3 光伏發(fā)電的特點(diǎn)太陽(yáng)能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為當(dāng)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(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能發(fā)電又分為光電發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用光伏電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽(yáng)光輻射，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電當(dāng)今太陽(yáng)能發(fā)電的主流。與常規(guī)發(fā)電和其他綠色發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢(shì)：1、 是真正的無(wú)污染排放、不破壞環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的綠色能源。太陽(yáng)能不用燃料，運(yùn)行成本很小，并且發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡(jiǎn)單；2、 利用場(chǎng)合廣泛和靈活，既可以獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，也可以與電網(wǎng)并行運(yùn)行；3、 可作為電力用戶供電可靠或提高電能質(zhì)量的不停電電源；4、 接近負(fù)載中心，減少電網(wǎng)的線損；5、 發(fā)電的效率不隨發(fā)電規(guī)模的大小而變；6、 就地可去，無(wú)需運(yùn)輸。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算器的幾個(gè)毫伏，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽(yáng)電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。由于太陽(yáng)能存在上述的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度的重視，發(fā)展很快。但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價(jià)格還比較高，不過(guò)其維修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價(jià)格會(huì)下降，優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來(lái)。1.1.4 單片機(jī)發(fā)展前景單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器(Microcontroller)，由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)是70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種大規(guī)模集成電路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中斷系統(tǒng)集成于同一硅片的器件。單片機(jī)用于控制有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的最小化和單片化，簡(jiǎn)化一些專用接口電路，如編程計(jì)數(shù)器、鎖相環(huán)（PLL）、模擬開關(guān)、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(tǒng)。單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價(jià)比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。單片機(jī)在智能儀表、實(shí)時(shí)控制、機(jī)電一體化、辦公機(jī)械、家用電器等方面都有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前，8位單片機(jī)主要用于工業(yè)控制，如溫度、壓力、流量、計(jì)量和機(jī)械加工的測(cè)量和控制場(chǎng)合；高效能的16位單片機(jī)（如MCS-96、MK-68200）可用在更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)?？梢哉f(shuō)，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑?？v觀單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有：1、低功耗CMOS化MCS-51系列的80C51推出時(shí)的功耗達(dá)120mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來(lái)越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(diǎn)，更適合于在要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。2、微型單片化常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(RAM)、只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如A/D轉(zhuǎn)換器、PMW(脈寬調(diào)制電路)、WDT(看門狗)、有些單片機(jī)將LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特色的單片機(jī)芯片。3、主流與多品種共存現(xiàn)在雖然單片機(jī)的品種繁多，各具特色，但仍以MCS-51為核心的單片機(jī)占主流，兼容其結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的有PHILIPS公司的產(chǎn)品，ATMEL公司的產(chǎn)品和中國(guó)臺(tái)灣的WinBond系列單片機(jī)。以8031為核心的單片機(jī)占據(jù)了半壁江山，在一定的時(shí)期內(nèi)，這種情形將得以延續(xù)，將不存在某個(gè)單片機(jī)一統(tǒng)天下的壟斷局面，走的是依存互補(bǔ)，相輔相成、共同發(fā)展的道路。1.2 本課題研究的主要內(nèi)容1、 分析太陽(yáng)能電池板和蓄電池的特性。2、 根據(jù)太陽(yáng)能電池輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計(jì)蓄電池的充/放電控制方法。3、 畫出電路圖，并生成相應(yīng)的PCB。4、 進(jìn)行仿真，并編寫單片機(jī)的執(zhí)行程序。第2章 太陽(yáng)能電池的研究和分析2.1 太陽(yáng)能電池的原理太陽(yáng)能光伏電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導(dǎo)體吸收或透過(guò)。被吸收的光，當(dāng)然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導(dǎo)體的原子價(jià)電子碰撞，于是產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這樣，光能就以產(chǎn)生電子空穴對(duì)的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋１∑牧硪粋?cè)和金屬薄膜之間將產(chǎn)生一定的電壓，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。太陽(yáng)能光伏電池正是一種利用光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對(duì)于半導(dǎo)體P-N結(jié)，光伏效應(yīng)更明顯。因此，太陽(yáng)能光伏電池都是由半導(dǎo)體構(gòu)成的。太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)大面積二極管，其基本特性也與二極管類似。當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子-電子和空穴。半導(dǎo)體內(nèi)在P型和N型交界面兩邊形成勢(shì)壘電場(chǎng)，能將電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)，從而使得N區(qū)有過(guò)剩的電子，P區(qū)有過(guò)剩的空穴，在P-N結(jié)附近形成與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。光生電場(chǎng)的一部分除抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏特電動(dòng)勢(shì)。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線，接通負(fù)載，外電路則有電流通過(guò)。如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來(lái)，就能輸出一定的電壓、電流和功率。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可付諸實(shí)用的電能。另外，在受光面上，覆蓋著一層很薄的天藍(lán)色氧化硅薄膜以減少入射太陽(yáng)光的反射，提高太陽(yáng)能電池對(duì)于入射光的吸收率。2.2 太陽(yáng)能電池的分類目前，有許多材料可以用來(lái)做太陽(yáng)能光伏電池的半導(dǎo)體層，但是能產(chǎn)生高能量轉(zhuǎn)換效率的光伏材料并不多。全世界應(yīng)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(duì)太陽(yáng)能光吸收效率、能量轉(zhuǎn)換效率、制造技術(shù)的成熟與否以及制造成本等多個(gè)因素來(lái)看，每種光伏材料各有其有缺點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池板繁多，根據(jù)太陽(yáng)能電池板所用材料的不同可分為： 硅太陽(yáng)能電池； 以無(wú)機(jī)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(yáng)能電池； 功能高分子材料(有機(jī)半導(dǎo)體)制備的太陽(yáng)能電池； 納米晶太陽(yáng)能電池等。這里采用的是硅太陽(yáng)能電池。硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在電池制作中，一般都采用表面織構(gòu)化、發(fā)射區(qū)鈍化、分區(qū)摻雜等技術(shù)。開發(fā)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(zhuǎn)化效率20%左右。多晶硅薄膜電池所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)較大效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，電池效率達(dá)12%左右。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池與結(jié)晶硅電池相比轉(zhuǎn)換效率偏底，但其成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，受到人們普遍的重視并得到迅速發(fā)展，電池最高轉(zhuǎn)換效率為10%左右。2.3 太陽(yáng)能電池的等效電路光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，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(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在P-N結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2-1表示的等效電路來(lái)考慮。太陽(yáng)光圖2-1理想狀態(tài)的太陽(yáng)能電池等效電路圖在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓V和流過(guò)負(fù)荷的電流I之間的關(guān)系式，可由下式給出。 (2-1)當(dāng)I=0時(shí)，可以得到太陽(yáng)能電池的開路電壓 (2-2)其中為電池單元輸出電流；為PN結(jié)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(kù)侖)；K是玻耳茲曼常數(shù)()；是絕對(duì)溫度()；為二極管指數(shù)。但是在實(shí)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(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過(guò)它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)表示。同時(shí)，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(guò)負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻來(lái)等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖2-2來(lái)描述，其伏安特性可由2-2式給出。太陽(yáng)光圖2-2 實(shí)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(yáng)能電池板的主要參數(shù)2.4.1光伏電池的主要參數(shù)光伏電池的幾個(gè)重要技術(shù)： 短路電流：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。 開路電壓：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。 最大功率點(diǎn)電流()：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)最大功率點(diǎn)的電流。 最大功率點(diǎn)電壓()：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)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(zhuǎn)換效率：輸出功率與陽(yáng)光投射到電池表面上的功率之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率，。以上各個(gè)參數(shù)可以在圖2-3中表示如下：0圖2-3太陽(yáng)能電池的I-V特性關(guān)系曲線圖2-4太陽(yáng)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(gè)工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)(MPPT)，即圖中M點(diǎn)。M點(diǎn)所對(duì)應(yīng)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(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。原則上講，可對(duì)輸出功率求導(dǎo)使其為0，即可得到該電池的最佳工作點(diǎn)，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?yàn)樗芴?yáng)能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，其特性方程由公式2.3可知一個(gè)超越指數(shù)方程，無(wú)法用線性方程表示，具有非線性。圖2-4可表示太陽(yáng)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(diǎn)的縱橫坐標(biāo)所確定的矩形面積，在曲線范圍內(nèi)這個(gè)面積越大，表明電池的輸出特性越優(yōu)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(duì)實(shí)際光電池，引人填充因子FF(Fill factor)概念來(lái)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(zhǎng)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(shù)之一。它的值越大，表明輸出特性曲線越“方”，電池的轉(zhuǎn)換效率也越高。2.4.2太陽(yáng)的光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響圖2-5、圖2-6分別是太陽(yáng)能電池陣列在溫度為25時(shí)，不同日照(S)下表現(xiàn)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(yáng)能電池陣列的輸出短路電流()和最大功率點(diǎn)電流()隨日照強(qiáng)度的上升而顯著增大雖然日照的變化對(duì)陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對(duì)為電流與電壓相乘的結(jié)果最大輸出功率來(lái)說(shuō)，變化顯著，如圖2-6中虛線與各實(shí)線的交點(diǎn)所示。圖2-5不同日照下的I-V關(guān)系曲線圖 圖2-6不同日照下的P-V曲線圖2.4.3 溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響圖2-7，圖2-8分別給出了太陽(yáng)能電池陣列在日照射為，和在變化溫度(T)的情況下，表現(xiàn)出典型的I-V和P-V特性。可以看出，溫度對(duì)太陽(yáng)能電池陣列的輸出電流影響不大，但對(duì)它的輸出開路電壓影響較大。因而對(duì)最大輸出功率影響明顯，見圖2-8中各實(shí)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(yáng)能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)： 太陽(yáng)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(shí)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(qiáng)度強(qiáng)成正比；太陽(yáng)能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化； 輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)(MPP，Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化。2.5 本章小結(jié)本章內(nèi)容主要介紹太陽(yáng)能電池板的相關(guān)知識(shí)。首先介紹了太陽(yáng)能電池的原理，即太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的原理；其次對(duì)太陽(yáng)能電池板的等效電路進(jìn)行了分析；介紹了太陽(yáng)能電池的分類；最后結(jié)合可能影響太陽(yáng)能電池板內(nèi)部和外部因素對(duì)其輸出特性作了分析介紹。第3章 蓄電池充電技術(shù)研究太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中充電器最主要的功能是控制太陽(yáng)能電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，為了尋求最佳方案，在設(shè)計(jì)充電器之前必須做的一項(xiàng)工作是對(duì)蓄電池原理作一個(gè)詳細(xì)的分析研究。3.1 蓄電池的一般特性3.1.1 主要參數(shù)指標(biāo)描述蓄電池特性的參數(shù)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(tài)、放電深度和蓄電池壽命等。當(dāng)然對(duì)于不同的蓄電池還有不同的參數(shù)，后面用到鉛酸蓄電池時(shí)再詳述。下面介紹其中一些參數(shù)的概念及相互間的關(guān)系。1 蓄電池充放電容量蓄電池充電容量：蓄電池充電時(shí)消耗的電量。 (3-1)式中為充電電流，為充電時(shí)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(shí)間。影響蓄電池放電容量的主要因素有：a) 放電率放電時(shí)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(dāng)電解液溫度在10-35變化時(shí)，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(shí)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(shí)能放出的全部電量與充電時(shí)充入的全部電量的百分比。可用安時(shí)效率或瓦時(shí)效率表示，它們的關(guān)系為 (3-3)式中和分別為蓄電池充放電時(shí)的平均電壓。3 荷電狀態(tài)(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(shí)際帶電量，是額定容量。荷電狀態(tài)是描述蓄電池實(shí)際工作狀態(tài)的重要參數(shù)。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(dòng)充電壽命：蓄電池保持在浮動(dòng)充電條件下的使用壽命。即在一個(gè)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(huán)壽命：在一定的充電條件下，蓄電池被全充全放的次數(shù)。蓄電池的壽命與放電深度、充電電壓和環(huán)境溫度密切相關(guān)。選擇放電深度30-50%，環(huán)境溫度10-25可充分延長(zhǎng)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(wěn)定物質(zhì)-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(fù)極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e）。可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖3-1所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。圖3-1鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理其原理可通過(guò)下面的反應(yīng)方程式來(lái)表示：負(fù)極： (3-8)正極： (3-9)總反應(yīng)： (3-10)圖3-2 是固定放電電流下電池端電壓與放電時(shí)間的示意圖。從圖可以看出，在大部分放電過(guò)程中，電池端電壓是穩(wěn)定下降的，說(shuō)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(guān)系。但到了放電末期，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)電池端電壓急劇下降，這是因?yàn)殡娊庖褐?，硫酸的濃度已?jīng)很低，電解液擴(kuò)散到極板的速度不及放電的速度，在電解質(zhì)不足的情況下，極板的電動(dòng)勢(shì)急劇降低，造成電池端電壓的下降，至此應(yīng)停止放電，否則會(huì)造成電池的過(guò)度放電。過(guò)放電會(huì)致使電池內(nèi)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(duì)蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因此在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內(nèi)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(shí)間電池端電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)圖3-2 鉛酸電池端電壓與放電時(shí)間的關(guān)系3.2 太陽(yáng)能-蓄電池充電技術(shù)研究對(duì)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(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，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(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)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(guò)大的缺點(diǎn)，一種改進(jìn)型的恒流方法得到應(yīng)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(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說(shuō)明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過(guò)程中電壓、電流變化關(guān)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(duì)蓄電池進(jìn)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(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá)80%，如充電電壓選擇適當(dāng)，可在8小時(shí)內(nèi)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(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷。 如果蓄電池電壓過(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)量多的電池組充電。 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來(lái)自太陽(yáng)能陣列，其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流，所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)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(shí)初始電流過(guò)大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻，當(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時(shí)，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(dòng)調(diào)整了充電電流，使之在某個(gè)限定范圍內(nèi)，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(zhǔn)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(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它要求首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)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(dá)其額定容量(當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下)時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)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(chǔ)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(tǒng)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(shí)，充電時(shí)間長(zhǎng)。在某些場(chǎng)合需要縮短充電時(shí)間，但采用電流過(guò)大時(shí)蓄電池的溫度會(huì)升高過(guò)快，對(duì)蓄電池有損害，且電流利用率也下降?？焖俪潆娋褪遣捎么箅娏骱透唠妷簩?duì)蓄電池充電，在1-2小時(shí)內(nèi)把蓄電池充好，而且在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)使蓄電池產(chǎn)生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過(guò)高(一般在45以下)。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過(guò)大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時(shí)間放電相結(jié)合方法。短時(shí)反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過(guò)程中產(chǎn)生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。當(dāng)然脈沖充電電流、持續(xù)時(shí)間和放電電流以及持續(xù)時(shí)間必須根據(jù)蓄電池的要求進(jìn)行。3.2.6 智能充電智能充電是以美國(guó)人J.A.MAS（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。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(shuō)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(duì)蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因?yàn)槌潆婋娫幢旧聿⒉皇钦嬲饬x上的“無(wú)限電源”，而是來(lái)自太陽(yáng)能光伏陣列這個(gè)“有限電源”，對(duì)蓄電池充電的同時(shí)還必須考慮電源電流的“來(lái)源”是否足夠。因此還未見到在光伏系統(tǒng)中采用充電可接受電流控制的智能充電的研究報(bào)道。3.3 本章小結(jié)介紹了蓄電池的相關(guān)知識(shí)。首先通過(guò)對(duì)蓄電池的概念和一般特性的介紹，使我們對(duì)蓄電池有了更多的了解；并結(jié)合上一章對(duì)太陽(yáng)能電池板的介紹，簡(jiǎn)單的對(duì)太陽(yáng)能-蓄電池充電技術(shù)作了簡(jiǎn)單的研究。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1太陽(yáng)能充/放電器原理太陽(yáng)能充放/電控制器的作用是有效地控制太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，同時(shí)控制蓄電池為負(fù)載放電，以12V蓄電池為例，以其配套的太陽(yáng)能電池板在有一定光照強(qiáng)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(dāng)接通太陽(yáng)能電池板與蓄電池后，蓄電池的電壓會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)被電池板充到14V，若不加控制，蓄電池電壓甚至?xí)?，我們判斷蓄電池是否已?jīng)充滿的標(biāo)準(zhǔn)就是檢測(cè)蓄電池的電壓值，實(shí)際上在這種方式下檢測(cè)出的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，因此此時(shí)檢測(cè)到得蓄電池電壓是虛電壓，而等電池穩(wěn)定后，再測(cè)量電壓，會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓下降了許多，我們加入控制器的目的就是當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，使用控制器控制連接太陽(yáng)能電池板與蓄電池之間的MOS管的開關(guān)，以一種脈寬調(diào)制的方式，降低充電電流以進(jìn)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(fù)載是需要注意，當(dāng)蓄電池電壓放電到一定電壓值以下時(shí)，要關(guān)斷負(fù)載，以保護(hù)蓄電池不能太過(guò)放電，若控制器控制充電部分電路出現(xiàn)問(wèn)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(jìn)負(fù)載時(shí)，極有可能燒毀負(fù)載，因此，也要保證當(dāng)蓄電池電壓高于一定電壓值時(shí)同樣要關(guān)斷負(fù)載。以充/放電最大電流10A、額定電壓12V控制系統(tǒng)為例，其主要實(shí)現(xiàn)功能如下：要能自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)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(huì)反向流向太陽(yáng)能電池板而造成電量損耗。負(fù)載放電電流達(dá)到12A時(shí)控制器通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，提示用戶負(fù)載已經(jīng)過(guò)載請(qǐng)降低負(fù)載功率運(yùn)行：當(dāng)放電電流達(dá)到15A時(shí)控制器會(huì)自動(dòng)切斷負(fù)載輸出，以保護(hù)控制器不被燒壞。切斷負(fù)載輸出后，控制器要能夠自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載功率，當(dāng)負(fù)載功率降低到額定功率一下時(shí)，控制器又可自動(dòng)開啟負(fù)載。當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時(shí)有報(bào)警提示；當(dāng)從低于10.8V回升到13.2V時(shí)自動(dòng)接通負(fù)載（欠壓恢復(fù)）。當(dāng)蓄電池電壓高于14.8V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時(shí)有報(bào)警提示；當(dāng)從高于14.8V回落到14.7V時(shí)自動(dòng)接通負(fù)載（過(guò)壓恢復(fù)）。當(dāng)蓄電池處于浮充狀態(tài)時(shí)電壓值控制在13.7V。當(dāng)用戶將太陽(yáng)能電池板反接至控制器時(shí)，要有報(bào)警功能，并且具有保護(hù)控制器不被損壞的功能。當(dāng)用戶將蓄電池反接至控制器時(shí)，要有報(bào)警功能，并且具有保護(hù)控制器不被損壞的功能。當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，控制器要具有自我保護(hù)能力，同時(shí)能檢驗(yàn)出短路狀態(tài)并給予報(bào)警提示；當(dāng)短路解除時(shí)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。不同的溫度對(duì)于蓄電池的浮充電壓點(diǎn)是不同的，要有自動(dòng)檢測(cè)溫度功能，并且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)蓄電池的各個(gè)電壓點(diǎn)。最后，以上設(shè)計(jì)中的所有參考點(diǎn)都可手動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)可手動(dòng)微調(diào)以校準(zhǔn)單片機(jī)的AD參考電壓，使所有控制器的參考點(diǎn)統(tǒng)一。4.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.2.1 主控芯片的設(shè)計(jì)單片機(jī)是整個(gè)路燈制器的智能核心模塊，在此選用STC12C5412AD單片機(jī)，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(guān)，自帶8路10位A/D，用來(lái)采集系統(tǒng)中所有需要處理的模擬信號(hào)， R1和R2采用精密電阻，主要用來(lái)分壓蓄電池電壓后，讓單片機(jī)采集，通過(guò)R1和R2大小關(guān)系計(jì)算出蓄電池實(shí)際電壓，然后根據(jù)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行相應(yīng)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(jī)，該單片機(jī)具有以下特性：增強(qiáng)型8051CPU，指令代碼完全兼容8051內(nèi)核1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期高速運(yùn)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(zhuǎn)換12KBFlash程序存儲(chǔ)器片上集成512字節(jié)RAM內(nèi)置EPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部中斷9路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷內(nèi)置硬件看門狗兩個(gè)定時(shí)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(nèi)R/C振蕩器寬電壓范圍3.85.5V低功耗設(shè)計(jì)，包含空閑模式和掉電模式工作頻率為035MHz，相當(dāng)于普通8051的0420MHz加密性強(qiáng)，無(wú)法解密超強(qiáng)抗干擾工作溫度范圍：-40+85(工業(yè)級(jí))/075（商業(yè)級(jí)）6個(gè)16位定時(shí)器其中兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器T2，PCA模塊可實(shí)現(xiàn)4個(gè)16位定時(shí)器4.2.2 串口通信設(shè)計(jì)如圖4-2所示，串口通信部分采用MAX232芯片進(jìn)行TTL電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232CSETTL電平與RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，4路轉(zhuǎn)換，外圍接5個(gè)104電容。加入串口的目的主要有三個(gè)：一是給單片機(jī)下載程序；二是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能；三是將控制器每天采集到得數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄在其內(nèi)部的EPROM中，當(dāng)工作人員需要查看數(shù)據(jù)時(shí)，可直接通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)。最后，還需要與上位機(jī)軟件配合使用。圖4-2 串口通信4.2.3 液晶接口的設(shè)計(jì)控制器板上預(yù)留有1602液晶接口，如圖4-3所示，可根據(jù)用戶需要選擇安裝1602液晶。1602液晶可顯示兩行，每行16個(gè)字母，工作電壓4.55.5V,帶背光，并口操作方式。特點(diǎn)：?jiǎn)?V電源電壓，低功耗，長(zhǎng)壽命，高可靠性。內(nèi)置192種字符。具有64個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個(gè)58點(diǎn)陣字符或四個(gè)511點(diǎn)陣字符。圖4-3 1602液晶接口4.2.4 發(fā)光二極管的設(shè)計(jì)圖4-4為控制器發(fā)光二極管指示燈，它有6個(gè)狀態(tài)指示：蓄電池接入指示燈；系統(tǒng)正常工作狀態(tài)指示燈；蓄電池欠壓指示燈；蓄電池過(guò)壓指示燈；充電狀態(tài)指示燈；負(fù)載工作狀態(tài)指示燈。 圖4-4發(fā)光二極管指示燈4.2.5 蜂鳴器的設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)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(tǒng)出現(xiàn)異常是報(bào)警，如圖4-5所示，其中使用了4個(gè)二極管，其作用是當(dāng)用戶不小心將蓄電池反接至控制器時(shí)，蜂鳴器會(huì)以長(zhǎng)響報(bào)警，用戶提示接入有異常，同時(shí)還保證在蓄電池正確接入系統(tǒng)的條件下 當(dāng)BEEP端為單片機(jī)輸出高電平時(shí)，蜂鳴器也可發(fā)聲報(bào)警。圖4-5 蜂鳴器4.2.6 按鍵設(shè)計(jì)圖4-6 中按鍵用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)及狀態(tài)。圖4-6 按鍵4.2.7 電源接口設(shè)計(jì)圖4-7為電源接口，控制器采用太陽(yáng)能電池板、蓄電池和負(fù)載共用正極的方式接入，通過(guò)蓄電池負(fù)極與太陽(yáng)能電池板負(fù)極之間的MOS管控制充電的開/關(guān)，通過(guò)蓄電池負(fù)極與負(fù)載負(fù)極之間的MOS管控制負(fù)載放電的開/關(guān)，圖7中各個(gè)電氣符號(hào)意義如下：PV+ 太陽(yáng)能電池板正極PV- 太陽(yáng)能電池板負(fù)極VCC(12V)蓄電池正極BAT-蓄電池負(fù)極FU+負(fù)載正極FU-負(fù)載負(fù)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(shè)計(jì)圖4-8為單片機(jī)晶振電路，晶振頻率采用12MHz。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十，高級(jí)的精度更高。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。圖4-8 晶振電路4.2.9 電源部分和控制部分電路設(shè)計(jì)圖4-9為電源轉(zhuǎn)換及控制器部分電路，蓄電池正極從二極管DD6的陽(yáng)極接入，DD6為防電源反接構(gòu)成反向回路設(shè)計(jì)。Q3，R16，DW2為一級(jí)降壓電路，將蓄電池電壓鉗位在9.4V左右。DW2為10V穩(wěn)壓管，當(dāng)蓄電池電壓高于10V時(shí)，通過(guò)三極管Q3和穩(wěn)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(wěn)壓管穩(wěn)定在10V，通過(guò)BE極之間的PN結(jié)后電壓下降0.6V，所以為9.4V。然后通過(guò)二級(jí)降壓電路R17，Q4和DW3將輸出電壓鉗位到5V,這5V電壓用來(lái)給單片機(jī)系統(tǒng)提供電源，兩級(jí)降壓電路中使用三極管的作用是為了擴(kuò)流，單純用穩(wěn)壓管同樣可以穩(wěn)壓到期望的電壓值，可是輸出的電流會(huì)非常小，以至根本無(wú)法帶負(fù)載。電阻R25，R26和二極管DD8用來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓值，標(biāo)號(hào)“PV-”為太陽(yáng)能電池板負(fù)極，“JCPV”接單片機(jī)A/D輸入口。當(dāng)“PV-”電壓等于或大于“BAT-”電壓時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)能電池板電壓等于或小于蓄電池電壓，這時(shí)不能開啟充電控制。R12，R13，R14，R15，DW1，Q2，T1為控制負(fù)載開關(guān)電路。DW1用來(lái)保證MOS管與GS之間電壓最大不得超過(guò)10V，否則會(huì)損壞MOS管，三極管Q3導(dǎo)通時(shí)，MOS管T1關(guān)閉；Q2不導(dǎo)通時(shí)，MOS管T1開啟。標(biāo)號(hào)“ADC1”有三個(gè)作用，一用于單片機(jī)控制負(fù)載通斷；二用于采集MOS管在開啟狀態(tài)下的DS壓降，從而檢測(cè)負(fù)載消耗電流大??；三當(dāng)負(fù)載過(guò)度或短路時(shí)，“ADC1”由硬件自動(dòng)時(shí)MOS關(guān)閉，從而保護(hù)MOS管及負(fù)載的進(jìn)一步損壞。R21，R20用來(lái)啟動(dòng)硬件自動(dòng)關(guān)閉充電，當(dāng)太陽(yáng)能電池板低于蓄電池電壓時(shí)，可由“PV-”直接控制Q5三極管，Q6的控制將失效。 T2，T3兩個(gè)MOS管對(duì)接才可有效控制充電回路，因?yàn)镸OS管內(nèi)部自身會(huì)有一個(gè)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(wěn)壓。T2和T3MOS管的開/關(guān)由Q3和Q6兩個(gè)三極管的狀態(tài)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(yùn)行溫度175。圖4-9 電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路4.2.10 生成并設(shè)計(jì)PCB電路圖設(shè)計(jì)完畢之后進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行驗(yàn)證，程序?qū)Ⅱ?yàn)證結(jié)果顯示在Check字段，如圖4-10所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，程序?qū)?shù)據(jù)更新結(jié)果顯示在Done字段，如圖4-11所示。再對(duì)其進(jìn)行布局布線，結(jié)果如圖4-12所示。 4-10 數(shù)據(jù)驗(yàn)證 4-11 數(shù)據(jù)更新 4-12 PCB圖4.3 單片機(jī)的防干擾技術(shù)4.3.1 干擾分析1、干擾產(chǎn)生的原因總的來(lái)說(shuō)，干擾信號(hào)的產(chǎn)生主要有三類：(1) 放電干擾：主要是雷電、靜電、大功率開關(guān)觸電斷開等放電產(chǎn)生的干擾；(2) 高頻振蕩干擾：主要指感應(yīng)電爐、中頻電弧、開關(guān)電源、直流-交流變換器產(chǎn)生高頻振蕩時(shí)形成的；(3) 浪涌干擾：主要是交流系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、電爐合閘電流、開關(guān)調(diào)節(jié)器等設(shè)備產(chǎn)生涌流引起的。這些干擾可能通過(guò)各種形式作用于計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)它們的性能有嚴(yán)重的影響，其中以各類開關(guān)分?jǐn)嚯姼行载?fù)載所產(chǎn)生的干擾最難以抑制與消除。本系統(tǒng)最有可能產(chǎn)生干擾的就是靜電引起的放電干擾，還有開關(guān)電源引起的高頻振蕩干擾。2、干擾的危害干擾對(duì)于不同設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的影響范圍和影響程度不一樣，基本上干擾產(chǎn)生的后果有以下五個(gè)方面：(1) 數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)量單元模擬信號(hào)的輸入通道，疊加在有用信號(hào)上，會(huì)使數(shù)據(jù)采集誤差加大，特別是對(duì)于比較微弱的信號(hào)，干擾更加嚴(yán)重。(2) 控制狀態(tài)失靈。一般計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)較大，不易受到外界的干擾。但計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)常依據(jù)某些條件的狀態(tài)輸入信號(hào)和這些信號(hào)的邏輯處理結(jié)果。若這些輸入的信號(hào)受到干擾，引入虛假的狀態(tài)信號(hào)，將導(dǎo)致輸出控制誤差加大，甚至控制失常。(3) 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化。就是在進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫操作時(shí)，由于一些錯(cuò)誤的信號(hào)使得數(shù)據(jù)發(fā)生異變，而這些數(shù)據(jù)的變化可能使得控制狀態(tài)失靈，也可能改變程序的運(yùn)行狀態(tài)。(4) 程序運(yùn)行失常。這個(gè)嚴(yán)重的后果表現(xiàn)為程序執(zhí)行一系列毫無(wú)意義的指令，最后進(jìn)入死循環(huán)，這將使輸出嚴(yán)重混亂或系統(tǒng)失靈。(5) 器件損壞。某些干擾：靜電可能會(huì)使得芯片上加上一個(gè)較大的電壓，這樣一個(gè)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(jīng)很清楚的闡述了干擾帶來(lái)的危害，所以必須采取措施抵抗干擾的出現(xiàn)，或者把干擾帶來(lái)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(shè)計(jì)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(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾；適當(dāng)增加電路板上各個(gè)集成塊的濾波電路，并且要注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果；布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)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(lái)對(duì)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(xiàn)的紋波，即輕微的電壓波動(dòng)，并且能夠構(gòu)成電壓快速變化分量的泄放電路，防止電壓的快速波動(dòng)；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(chǎn)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(gè)需要注意的方面了：充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響；有可能的話抑制電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，這個(gè)現(xiàn)在最常見的就是光耦器件，本系統(tǒng)并沒有采用；注意晶振布線，晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定；電路板合理分區(qū)，盡可能把干擾源與敏感元件隔離；模擬地和數(shù)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(shù)字電路1數(shù)字電路1數(shù)字地電源地R3R