太陽能光伏照明控制系統(tǒng)的硬件電路設計

1、XXXX大學畢業(yè)設計（論文） 太陽能光伏照明控制系統(tǒng)的硬件電路設計摘 要隨著化石能源的日益衰竭，開發(fā)和使用新能源已成當務之急。本論文設計了一種采用太陽能作為能源的照明系統(tǒng)，基于ATmega48單片機作為中央控制芯片，采用PWM充電控制法，具有充電效率高、可靠性高、性能好等特點。本文先是對系統(tǒng)的總體設計方案進行闡述，再對蓄電池、太陽能電池、中央控制單元等各模塊進行分析，最后對軟件部分的主程序進行設計與分析。文章還分析了影響蓄電池使用壽命各種因素和如何提高蓄電池的使用性能也作了詳細的分析和研究。其次，對電池的充電方法進行了分析，提出了高效率的PWM充電控制法。本文著重描述了系統(tǒng)控制器部分的設計。論

2、文結(jié)尾對本次設計的太陽能光伏照明控制系統(tǒng)的應用前景進行了分析，認為本設計具有一定的理論意義和實踐應用價值。關鍵詞：光伏；控制器；PWM充電控制法；ATmega48The Hardware Circuit Design for Solar PV Lighting Control SystemAbstractWith the increasingly exhaustion of fossil energy, developing and using new energy is becoming imperative affair. This paper designs a illumination

3、 system which adopt solar energy as energy, based on ATmega48 microcontroller as central control chip and adopt PWM charging control method. It has high charging efficiency, high reliability and better performance features etc.At first this paper take an elaborate on the overall design program of sy

4、stem and then analyse the modules of battery, solar energy battery and central control unit etc. Finally it will make a design and analysis for main program of software.At the end of paper writer analyse the prospect of solar PV lighting control system in this design and consider that it has a certa

5、in theoretical significance and the value of practical application. Keywords: PV ; Controller ; PWM Charging Control Method ; ATmega48目錄引言1第1章 緒論21.1 概述21.2 光伏照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)21.3 本文的主要內(nèi)容3第2章 光伏照明控制系統(tǒng)的總體設計方案42.1 充電方法的選擇42.1.1 恒流充電法42.1.2 階段充電法52.1.3 恒壓充電法52.1.4 脈沖式充電法（PWM充電控制法）62.2系統(tǒng)的總體設計72.3系統(tǒng)的工作過程8第3章 電池組部

6、分概述93.1 蓄電池部分概述93.1.1 閥控密封鉛酸蓄電池的簡介93.1.2 閥控密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及原理93.1.3 閥控密封鉛酸蓄電池的特點103.1.4 影響閥控密封鉛酸蓄電池使用壽命的因素103.2 太陽能電池部分概述123.2.1 輻射參數(shù)的確定123.2.2 相關參數(shù)的換算123.2.3 光伏板參數(shù)的確定13第4章 控制器的設計144.1 單片機元件概述144.1.1 AVR系列單片機及ATmega48單片機簡介144.1.2 AVR單片機的優(yōu)勢144.1.3 ATmega48單片機的引腳164.1.4 ATmega48單片機的特點164.2 控制器技術指標和技術要求164.

7、2.1 技術指標164.2.2 控制器的功能174.2.3 控制器工作模式的設置174.3 控制器的硬件設計方案184.4 控制器的電路設計184.4.1 單片機的最小系統(tǒng)184.4.2 電源模塊設計194.4.3 檢測電路的設計204.4.4 驅(qū)動模塊設計224.4.5 顯示模塊設計244.4.6 放大電路的設計25第5章 主程序設計265.1程序設計思路265.2 主程序流程圖設計275.3 主程序代碼28結(jié)論與展望30謝 辭31參考文獻32附錄A 外文文獻及其譯文33附錄B 主要參考文獻的提要及摘要42插圖清單圖1- 1 光伏系統(tǒng)組成框圖 2圖2- 1 最佳充電曲線 4圖2- 2 恒流充

8、電電路 4圖2- 3 恒流充電曲線 4圖2- 4 二階段法曲線 5圖2- 5 恒壓充電電路 5圖2- 6 恒壓充電曲線 6圖2- 7 脈沖式充電曲線 6圖2- 8 光伏照明控制系統(tǒng)總框圖 7圖3- 1 閥控密封鉛酸蓄電池 9 圖4- 1 ATmega48單片機引腳圖14圖4- 2 太陽能光伏照明控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖18圖4- 3 單片機的最小系統(tǒng)19圖4- 4 IRF3205圖形符號 19圖4- 5 單片機電源電路20圖4- 6 溫度檢測電路20圖4- 7 蓄電池電壓檢測電路21圖4- 8 太陽能極板檢測電路22圖4- 9 串聯(lián)PWM充電電路23圖4- 10 放電電路 23圖4- 11顯示模塊

9、電路24圖4- 12 放大電路 25圖5- 1 主程序流程圖27表格列表表2- 1 對上述幾種充電方法的比較 6表3- 1 全國主要城市輻射參數(shù)表11表3- 2所選定光伏板的參數(shù) 13表4- 1 ATmega48單片機各引腳的功能15表4- 2 控制器的技術指標17表4- 3 控制器工作模式設置18表4- 4 BCD譯碼表2443引言傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，嚴重的環(huán)境污染制約了世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。太陽能的研究和利用受到廣泛的關注。太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生能源，因此，世界各國都把太陽能光伏發(fā)電的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展方向。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池組件和其

10、他輔助設備將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)有著巨大的發(fā)展前景。市場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對于蓄電池的保護不夠充分，不合適的充放電方式導致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。因此選擇合適的充放電方法，設計出合適的控制器對光伏系統(tǒng)尤為重要。這就是本研究課題的根本目的。第1章 緒論1.1 概述傳統(tǒng)的化石能源資源日益枯竭，嚴重的環(huán)境污染制約了世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn)略物資，化石能源儲量的有限性是發(fā)展可再生能源的主要因素之一。根據(jù)世界能源權威機構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲量以及開采速度來計算，全球石油剩余可采年限僅有

11、41 年，其年占世界能源總消耗量的40.5%，國內(nèi)剩余可開采年限為15 年；天然氣剩余可采年限61.9 年，其年占世界能源總消耗量的24.1%，國內(nèi)剩余可開采年限30 年；煤炭剩余可采年限230 年，其年占世界能源總消耗量的25.2%，國內(nèi)剩余可開采年限81 年；鈾剩余可采年限71 年，其年占世界能源總消耗量的7.6%，國內(nèi)剩余可開采年限為50 年。太陽能利用和光伏發(fā)電是最有發(fā)展前景的可再生能源，因此，世界各國都把太陽能光伏發(fā)電的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展方向，制定了相應的導向政策。在光伏發(fā)電的歷史上，最早規(guī)?；茝V的是日本，而后是德國，再發(fā)展到現(xiàn)在大力推廣的包括美國、西班牙、意大利、挪威

12、、澳大利亞、韓國、印度等超過40個國家與地區(qū)，如日本“新陽光計劃”、歐盟“可再生能源白皮書”，以及美國國家光伏發(fā)展計劃、百萬太陽能屋頂計劃、光伏先鋒計劃等的相繼推出，成為近年來推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主要動力。根據(jù)歐盟的預測：到2030年太陽能發(fā)電將占總能耗10%以上，到2050年太陽能發(fā)電將占總能耗20%。1.2 光伏照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1- 1 光伏系統(tǒng)組成框圖太陽能電池控制器蓄電池DC負載光伏照明系統(tǒng)主要由五大部分組成，即太陽能電池、蓄電池、控制器、照明電路、負載，如下圖1-1所示。在系統(tǒng)中，控制器是整個系統(tǒng)的核心。它控制蓄電池的充電及蓄電池對負載的供電，對蓄電池性能、使用壽命有非常大的影響

13、。目前，光伏系統(tǒng)主要由于控制器控制蓄電池充電方式不合理，降低了蓄電池壽命而導致整個系統(tǒng)可靠性不高，因此，在控制器的設計中采用什么樣的充電方式非常關鍵。 目前市場上的光伏控制器還存在著許多的不足之處，比如：系統(tǒng)的配置、控制精準度不夠高，系統(tǒng)的使用壽命、陰雨天的工作時間等。因此，改善太陽能路燈系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)性能優(yōu)良的太陽能控制器也成為重要的研究課題。1.3 本文的主要內(nèi)容 本論文設計了一種光伏照明控制系統(tǒng)，針對目前光伏控制系統(tǒng)控制器未能充分利用太陽能電池，對蓄電池的保護不夠充分、蓄電池的壽命縮短這種狀況，研究設計了一種基于ATmega48單片機的光伏控制器。本文在太陽能電池對蓄電池的充電方式及

14、蓄電池對負載的供電方面做了分析，完成了硬件電路設計和軟件主程序的設計，結(jié)合PWM充電控制法，實現(xiàn)了對蓄電池充放電的管理，以滿足本系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能。本論文由以下四部分組成：第一部分是系統(tǒng)的總體設計方案，先通過對常用幾種充電方法的比較，從而確定本系統(tǒng)采用的是PWM充電控制法，基于此種充電方法設計出光伏控制系統(tǒng)的總體方案。第二部分簡單介紹了電池組的基本情況，包括蓄電池的結(jié)構(gòu)和鉛酸蓄電池的工作原理，以及根據(jù)系統(tǒng)的設計要求與自然條件選擇合適的太陽能電池板。第三部分是本論文的核心內(nèi)容，介紹了光伏系統(tǒng)控制器的設計，重點闡述了充放電電路以及檢測電路的設計。第四部分闡述本系統(tǒng)的軟件設計方案，主要介紹了系統(tǒng)軟件

15、的主程序流程。 第2章 光伏照明控制系統(tǒng)的總體設計方案2.1 充電方法的選擇圖2- 1 最佳充電曲線一般情況下，充電電流的安培數(shù)不應超過蓄電池待充電的安培時數(shù)。常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和產(chǎn)生的氣體量所限制。以上兩點對于為蓄電池選擇合適的充電方法有著重要的意義。2.1.1 恒流充電法恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法。恒流充電電路如圖2-2所示?？刂品椒ê唵危捎陔姵氐目山邮茈娏髂芰κ请S著充電過程的進行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，一般情況下不選用此方法。圖2- 2 恒流充

16、電電路圖2- 3 恒流充電曲線2.1.2 階段充電法1.二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖2-4所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。圖2- 4 二階段法曲線2.三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。2.1.3 恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最佳充電

17、曲線。用恒定電壓快速充電, 如圖2-6所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電電流很大，隨著充電的進行，電流將逐漸減少，因此，只需簡易控制系統(tǒng)。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。圖2- 5 恒壓充電電路圖2- 6 恒壓充電曲線2.1.4 脈沖式充電法（PWM充電控制法）這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖2-7所示。充電

18、脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。3圖2- 7 脈沖式充電曲線表2- 1 對上述幾種充電方法的比較充電方法優(yōu)點缺點恒流充電法可以任意選擇和調(diào)整充電電流，特別適合蓄電池容量恢復的小電流長時間充電初始充電電流過小，充電后期電流又過大充電時間長、析出氣體多、對極板的沖擊較大、能耗較高、效電率較低，充電時間長階段充電法產(chǎn)生氣體少，較其他兩種

19、方法充電快不易控制，前后兩段都包括恒流與恒壓充電的缺點恒壓充電法接近最佳曲線，電解水少，避免了蓄電池過充，控制裝置簡單充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使電池極板彎曲，造成電池報廢脈沖式充電法充電過程不產(chǎn)生大量，且不熱，從而可大量縮短充電時間快速充電轉(zhuǎn)換效率低，易造成極板的活性物質(zhì)脫落通過幾種蓄電池充電方法的分析，可知，脈沖式充電法（PWM充電控制法），有其它充電方法無法比擬的優(yōu)點。所以采用PWM充電控制法，設計太陽能光伏照明智能控制器。該控制器提高了充電效率，延長了蓄電池的使用壽命，增強了太陽能路燈系統(tǒng)運行可靠性。2.2系統(tǒng)的總體設計通過對蓄電池的幾種充電方法的比較，可知不同

20、的充電方法對蓄電池的充電效率及使用壽命有著重要的影響。光伏照明控制系統(tǒng)主要由五大部分組成，即太陽能電池、蓄電池、控制器、照明電路、負載，如圖2-8所示。圖2- 8 光伏照明控制系統(tǒng)總框圖1太陽能電池（光伏板）太陽能電池在整個系統(tǒng)中的作用有兩個，其一是把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，即白天時，太陽能電池給蓄電池充電。其二是太陽能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽能電池兩端電壓的大小即可判斷光亮程度，也就是從太陽能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。太陽能電池方陣是由太陽能電池單體按照一定的排列組合而成。太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，太陽能電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為20-25mA/cm2一般不

21、能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率。2蓄電池蓄電池也是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關鍵部位，它是整個太陽能系統(tǒng)的儲備能源設備。白天時太陽能電池給蓄電池充電；晚上及陰雨天，系統(tǒng)和負載所用電全部由蓄電池來提供。本系統(tǒng)采用的是12V-12AH的閥控密封鉛酸蓄電池。3控制器 控制器是整個系統(tǒng)的智能核心，控制整個太陽能路燈系統(tǒng)的正常運行，能自動防止蓄電池組過充電和過放電的設備。本設計采用ATmega48單片機做為中央控

22、制芯片。本設計所研究的智能控制器，具有測量、計算和推理功能，采用了一對MOS晶體管（Power MOSFET）（如圖2-8中的Q1、Q2），構(gòu)成串聯(lián)式PWM充電主電路，電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，提高了充電效率。4負載 按要求選取額定電壓是12V、額定功率是10W的白熾燈。2.3系統(tǒng)的工作過程當系統(tǒng)連接正常且有陽光照射到太陽能電池上時，控制器面板上的指示燈為綠色常亮，表示系統(tǒng)充電電路正常；當充電指示燈出現(xiàn)綠色快速閃爍時，說明系統(tǒng)過電壓。蓄電池充電過程使用了PWM方式，如果過放保護動作，在恢復充電時，控制器先要提升充電電壓到設定值，并保持10min，而后降到直充電壓，保持30分鐘，

23、以激活蓄電池，避免蓄電池硫化結(jié)晶，最后降到浮充電壓，并保持浮充電壓。如果沒有發(fā)生過放，將不會進入提升充電電壓方式，以防蓄電池失水。這些自動控制過程將使蓄電池達到最佳充電效果并保證或延長其使用壽命。蓄電池電壓在正常范圍時，控制器面板上的狀態(tài)提示燈為綠色常亮；充滿后狀態(tài)提示燈為綠色慢閃；當蓄電池電壓降到欠壓時，狀態(tài)提示燈變成橙黃色；當蓄電池電壓繼續(xù)降低到過放電壓時，狀態(tài)指示燈變?yōu)榧t色，此時控制器將自動關閉輸出。當蓄電池電壓恢復到正常工作范圍內(nèi)時，將自動使輸出開關導通，狀態(tài)指示燈為綠色。第3章 電池組部分概述3.1 蓄電池部分概述3.1.1 閥控密封鉛酸蓄電池的簡介 普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短、效

24、率低，維護復雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍有限，目前已逐漸被淘汰。在本系統(tǒng)中，我們使用閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池。閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池誕生于20世紀70年代，到1975年時，在一些發(fā)達國家已經(jīng)形成了相當?shù)纳a(chǎn)規(guī)模，很快就形成了產(chǎn)業(yè)化并大量投放市場。這種電池雖然也是鉛酸蓄電池，但是它與原來的鉛酸蓄電池相比具有很多優(yōu)點，而倍受用戶歡迎，特別是讓那些需要將電池配套設備安裝在一起(或一個工作間)的用戶青睞，例如UPS、電信設備、移動通信設備、計算機、摩托車等。這是因為VRLA電池是全密封的，不會漏酸，而且在充放電時不會象老式鉛酸蓄電池那樣會有酸霧放出來而腐蝕設備，污染環(huán)境

25、，所以從結(jié)構(gòu)特性上人們把VRLA電池又叫做密閉（封）鉛酸蓄電池。為了區(qū)分，把老式鉛酸蓄電池叫做開口鉛酸蓄電池。由于VRLA電池從結(jié)構(gòu)上來看，它不但是全密封的，而且還有一個可以控制電池內(nèi)部氣體壓力的閥，所以VRLA鉛酸蓄電池的全稱便成了“閥控式密閉鉛酸蓄電池”閥控式鉛酸蓄電池的密封機理。3.1.2 閥控密封鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及原理PbPbSO4負極板PbO2PbSO4正極板O2電解液H2SO4隔板AGM整流器4e安全閥I+-閥控密封鉛酸蓄電池由極板、隔板、防爆帽、外殼等部分組成，采用全密封、貧液式結(jié)構(gòu)和陰極吸附式原理，在電池內(nèi)部通過實現(xiàn)氧氣與氫氣的再化合，達到全密封的效果。閥控密封鉛酸蓄電池工作原

26、理如圖所示。正極板采用鉛鈣合金、鉛鎘合金或低銻合金，負極板采用鉛鈣合金。圖3- 1 閥控密封鉛酸蓄電池VRLA蓄電池有兩種：一種是采用超細玻璃纖維隔膜的VRLA蓄電池（AGM）；另一種是采用膠體電解液的VRLA蓄電池（GFL）。不論是采用玻璃纖維隔膜的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱AGM密封鉛蓄電池)還是采用膠體電解液的閥控式密封鉛蓄電池(以下簡稱膠體密封鉛蓄電池)，它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。電池充電時，正極會析出氧氣，負極會析出氫氣。正極析氧是在正極充電量達到70%時就開始了。析出的氧到達負極，跟負極起下述反應，達到陰極吸收的目的。2Pb+O2=2PbO （3-1）2PbO+2

27、H2SO4=2PbSO4+2H2O （3-2）負極析氫則要在充電到90%時開始，再加上氧在負極上的還原作用及負極本身氫過電位的提高，從而避免了大量析氫反應。對AGM密封鉛蓄電池而言，AGM隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液，但必須使10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。對膠體密封鉛蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiQ質(zhì)點作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后，骨架要進一步收縮，使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負極板之間，給正極析出的氧提供了到達負極的通道。3.1.3 閥控密封鉛酸蓄電池的特點鉛酸蓄電池密封的難點就是

28、充電時水的電解。當充電達到一定電壓時（一般在2.30V/單體以上）在蓄電池的正極上放出氧氣，負極上放出氫氣。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時間進行補加水維護。閥控式鉛酸蓄電池就是為克服這些缺點而研制的產(chǎn)品，其產(chǎn)品特點為：（1）采用多元優(yōu)質(zhì)板柵合金，提高氣體釋放的過電位。即普通蓄電池板柵合金在2.30V/單體（25）以上時釋放氣體。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，在2.35V/單體（25）以上時釋放氣體，從而相對減少了氣體釋放量。（2）讓負極有多余的容量，即比正極多出10%的容量。充電后期正極釋放的氧氣與負極接觸，發(fā)生反應，重新生成水，如式（3-1）、（3-2）所示，使

29、負極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài)，因而不產(chǎn)生氫氣。這種正極的氧氣被負極鉛吸收，再進一步化合成水的過程，即所謂陰極吸收。（3）為了讓正極釋放的氧氣盡快流通到負極，必須采用和普通鉛酸蓄電池所采用的微孔橡膠隔板不同的新型超細玻璃纖維隔板。其孔率由橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易于流通到負極，再化合成水。另外，超細玻璃纖維隔板具有將硫酸電解液吸附的功能，因此即使電池傾倒，也無電解液溢出。（4）采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)，使酸霧不能逸出，達到安全、保護環(huán)境的目的。（5）殼體上裝有安全排氣閥，當VRLA蓄電池內(nèi)部壓力超過安全閥的閾值時自動開啟保證VRLA蓄電池的安全3.1.4 影響閥控密封鉛酸蓄

30、電池使用壽命的因素 閥控蓄電池特有的氧復合機理和閥控密封的結(jié)構(gòu)，雖然在一定程度上減少了它的維護工作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可靠性和魯棒性上有所下降，更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。影響閥控密封鉛酸蓄電池壽命的外部因素主要有以下幾個方面：1環(huán)境溫度 環(huán)境溫度過高對閥控蓄電池使用壽命的影響很大。溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。閥控蓄電在使用中對溫度有一定要求。典型的閥控蓄電池高于25 時，每升高69 ，電池壽命縮短一半。因此，其浮充電壓應根據(jù)溫度進行補償，一般為24 m V / ，而現(xiàn)有很多充電機沒有此功能。為達到閥控蓄電池的最佳使用壽命

31、，應盡可能創(chuàng)造恒溫下的使用環(huán)境，同時保持蓄電池良好的通風和散熱條件。具體來說，安放蓄電池的房間應有空調(diào)設備。蓄電池擺放要留有適當?shù)拈g距，改善電池與環(huán)境媒介的熱交換。電池間保持不小于15mm的間隙，電池與上層隔板間有不小于150mm的間距的“通風道”來降低溫升。表3- 1 全國主要城市輻射參數(shù)表城市緯度日輻射量Ht最佳傾角op斜面日輻射量修正系數(shù)Kop哈爾濱45.6812703+3158381.1400長春43.9013572+1171271.1548沈陽41.7713793+1165631.0671北京39.8015261+4180351.0976天津39.1014356+5167221.06

32、92呼和浩特40.7816574+3200751.1468太原37.7815061+5173941.1005烏魯木齊43.7814464+12165941.0092西寧36.7516777+1196171.1360蘭州36.0514966+8158420.9489銀川38.4816553+2196151.1559西安34.3012781+14129520.9275上海31.1712760+3136910.9900南京32.0013099+5142071.0249合肥31.8512525+9132990.9988杭州30.2311668+3123720.9362南昌28.6713094+2137

33、140.8640福州26.0812001+4124510.8978濟南36.6814043+6159941.0630鄭州34.7213332+7145581.0476武漢30.6313201+7137070.9036長沙28.2011377+6115890.8028廣州23.1312110-7127020.8850?？?0.0313835+12135100.8761南寧22.8212515+5127340.8231成都30.6710392+2103040.7553貴陽26.5810327+8102350.8135昆明25.0214194-8153330.9216拉薩29.7021301-824

34、1511.09642過度充電提升浮充電壓，或環(huán)境溫度升高，使充入電流陡升，氣體再化合效率隨充電電流增大而變小，在0.05C時復合率為90%，當電流在0.1C時，氣體再化合效率近似為零。由于過充電將使產(chǎn)生的氣體不可能完全被再化合，從而引起電池內(nèi)部壓力增加，當?shù)竭_一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致電池容量下降或早期失效。其次，在長期過充電狀態(tài)下，H+增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池的壽命。為避免產(chǎn)生多余的氣體，閥控蓄電池對充電機穩(wěn)壓限流精度提出了較高的要求。3過度放電或小電流放電 蓄

35、電池過度放電主要發(fā)生在交流電源停電后，蓄電池長時間為負載供電。當蓄電池被過度放電時，會在電池的陰極造成“硫酸鹽化”。因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(chǎn)生很大的負面影響。在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內(nèi)阻越大，電池的充、放電性能就越差，蓄電池的使用壽命就越短。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的，若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。過度放電或小電流放電對閥控蓄電池的影響比對常規(guī)蓄電池的影響更大。因此在直流系統(tǒng)交流電源失去后，要嚴密監(jiān)視蓄電池的電壓和電流，防止閥控蓄電池過度放電。為避免小電流放電，閥控蓄電池不應長期退出系統(tǒng)運行。

36、3.2 太陽能電池部分概述3.2.1 輻射參數(shù)的確定如表3-1所示，本設計中，參考合肥地區(qū)的相關參數(shù)。3.2.2 相關參數(shù)的換算1.傾斜面上太陽總輻射的換算傾斜面上的太陽總輻射計算公式： HT=Kop*HL （3-1）式中：HT傾斜面上的太陽總輻射量；Kop斜面最佳輻射系數(shù)；HL水平面上的年平均日輻射量。2. 白熾燈的日功耗計算出白熾燈每天的功耗，計算公式如下： Q=Pi*hi （3-2）式中：Q白熾燈每天功耗；Pi白熾燈的額定功率，Pi=10W；hi每天平均工作的小時數(shù)，hi=8h。3.太陽能電池總功率的計算所消耗太陽能電池總功率的計算公式：P=5168*A*QKop*HL (3-3)式中：

37、P太陽能電池總用量；A安全系數(shù)，一般取A=1.11.3。 4.太陽能電池輸出電壓Vs 的確定太陽能電池方陣的輸出電壓Vs與負載工作電壓(VfV1）應滿足電壓平衡方程式：Vs=Vf+V1 （3-4）式中：Vs太陽能電池輸出電壓；Vf蓄電池的浮充電壓，Vf=13.6V；V1所有串聯(lián)入回路的元器件和線路引起的電壓降，一般取V1=1V。可由經(jīng)驗公式確定：Vs=1.3VB （3-5）式中：VB蓄電池的工作電壓，VB=12V；VS和VB的比例設計合理，太陽能光電池可近似實現(xiàn)最大功率輸出，提高太陽能光電池的光電轉(zhuǎn)化效率。5.太陽能電池輸出電流Is的確定太陽能電池輸出電流與太陽能電池總功率滿足如下計算公式：P

38、=Vs*Is （3-6）3.2.3 光伏板參數(shù)的確定綜上可得，光伏板最終的參數(shù)為：表3- 2所選定光伏板的參數(shù)開路電壓Voc2428V短路電流Isc13001600mA工作電壓Vop14.520V工作電流Iop9301120mA峰值功率Pm1521W第4章 控制器的設計4.1 單片機元件概述4.1.1 AVR系列單片機及ATmega48單片機簡介AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。AVR單片機廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指

39、令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。ATmega48是基于AVR 增強型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega48的數(shù)據(jù)吞吐率高達1Mimps/ MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。圖4- 1 ATmega48單片機引腳圖4.1.2 AVR單片機的優(yōu)勢1.簡便易學，費用低廉選擇AVR單片機的最主要原因，是進入AVR單片機開發(fā)的門檻非常低，只要會操作電腦就可以學習AVR單片機的開發(fā)。AVR

40、單片機費用低廉。學習AVR單片機可使用ISP在線下載編程方式(即把PC機上編譯好的程序?qū)懙絾纹瑱C的程序存儲器中)，不需購買仿真器、編程器、擦抹器和芯片適配器等，即可進行所有AVR單片機的開發(fā)應用，這可節(jié)省很多開發(fā)費用。程序存儲器擦寫可達10000次以上，不會產(chǎn)生報廢品。2.高速、低耗、保密AVR單片機是高速嵌入式單片機：AVR單片機具有預取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預先把下一條指令取進來；AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行；中斷響應速度快；耗能低，有的器件最低1.8V即可工作；保密性能好。它具有不可破解的位加密鎖L0ckBit技術，保密位單元深藏于芯片

41、內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到。3.I/O口的功能強大，具有AD轉(zhuǎn)換電路AVR單片機的I/0是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入輸出的真實情況。工業(yè)級產(chǎn)品，具有大電流(灌電流)1040mA，可直接驅(qū)動可控硅SSR或繼電器，節(jié)省了外圍驅(qū)動器件；AVR單片機內(nèi)帶模擬比較器，I/O口可用作AD轉(zhuǎn)換，可組成廉價的AD轉(zhuǎn)換器。表4- 1 ATmega48單片機各引腳的功能端口引腳功能VCC數(shù)字電路的電源GND地端口 B (PB7.0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2端口B 為8 位雙向I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使

42、用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B保持為高阻態(tài)。通過對系統(tǒng)時鐘選擇位的設定，PB6 可作為反向振蕩放大器與內(nèi)部時鐘操作電路的輸入 。通過對系統(tǒng)時鐘選擇位的設定，PB7 可作為反向振蕩放大器的輸出。系統(tǒng)使用內(nèi)部RC振蕩器時，通過設置 ASSR 寄存器的 AS2 位，可以將 PB7.6作為異步定時器/ 計數(shù)器2 的輸入口TOSC2.1 使用。端口 C (PC5.0)端口C 為7 位雙向I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時

43、將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 保持為高阻態(tài)。PC6/RESETRSTDISBL位被編程時，可將PC6 作為一個I/O 口使用。因此，PC6 引腳與端口C 其他引腳的電特性是有區(qū)別的。RSTDISBL 位未編程時，PC6將作為復位輸入引腳Reset。此時，即使系統(tǒng)時鐘沒有運行，該引腳上出現(xiàn)的持續(xù)時間超過最小脈沖寬度的低電平將產(chǎn)生復位信號。持續(xù)時間不到最小脈沖寬度的低電平不會產(chǎn)生復位信號。端口 D (PD7.0)端口D為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低

44、時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D呈現(xiàn)為三態(tài)。AVCCAVCC 為A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。當引腳PC3.0與PC7.6用于ADC時，AVCC應通過一個低通濾波器與VCC連接。不使用ADC時該引腳應直接與VCC連接。PC6.4的電源則是由VCC提供的。AREFAREF為ADC的模擬基準輸入引腳。ADC7.6 （TQFP 與 MLF 封裝）TQFP與MLF封裝芯片的ADC7.6引腳為兩個10位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入口，它們的電壓由AVCC提供。4.功能強大的定時器計數(shù)器及通訊接口定時計數(shù)器TC有8位和16位，可用作比較器。計數(shù)器外部中斷和PWM可用于控制輸出。Atmega48是在A

45、VR大家庭中尤為突出的是一款新型的AVR高檔單片機，它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位單片機，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，它具備AVR高檔單片機的MEGE系列的全部性能和特點，但由于其采用了小引腳封裝(為DIP28和TQFPMLF32)，所以其價格僅與低檔單片機相當，成為AVR高檔單片機中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價格比最好的品種。4.1.3 ATmega48單片機的引腳如圖4-1，ATmega48單片機各引腳功能如表4-1所示4.1.4 ATmega48單片機的特點4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在編程過程中還可以讀的能力，即RWW)，256字

46、節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，23個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個SPI串行端口，一個6路10位ADC(TQFP與MLF封裝的器件具有8路10位ADC)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式?？臻e模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時

47、間基準，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時CPU和所有的I/O模塊停止運行，而異步定時器和ADC 繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時的開關噪聲；Standby模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力。ATmega48是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導程序進行多次編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導程序區(qū)的代碼繼續(xù)運行，從而實現(xiàn)了FLASH的RWW操作。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯

48、片內(nèi)，ATmega48為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。4.2 控制器技術指標和技術要求4.2.1 技術指標 本課題所研究的控制器專為12V光伏照明控制系統(tǒng)設計?？刂破髂苓_到的技術指標如表4-2所示。4.2.2 控制器的功能本系統(tǒng)中使用的控制器是專為太陽能直流供電系統(tǒng)、太陽能直流負載系統(tǒng)設計的。采用一鍵式輕觸開關，完成所有操作及設置。具有短路、過載、防反接、充滿、過放自動關段、恢復等保護功能，實時顯示充電、蓄電池狀態(tài)、負載及各種故障指示?？刂破魍ㄟ^微處理器對蓄電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù)進行采樣。通過專用控制模型計算，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放大率、溫度補償?shù)?/p>

49、高精度控制，并采用高效的PWM充電模式，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，有效地延長蓄電池的使用壽命，具有多種工作模式、輸出狀態(tài)，滿足各種應用需要。表4- 2 控制器的技術指標額定充電電流5A額定負載電流5A系統(tǒng)電壓12V過載、短路保護1.25倍額定電流60秒時過載保護動作；1.5倍額定電流5S時過載保護動作；3倍額定電流短路動作保護空載損耗6mA充電回路壓降不大于0.26V放電回路壓降不大于0.15V超壓保護17V工作溫度-35+55提升充電電壓14.6V直充充電電壓14.4V浮充13.6V充電返回電壓13.2V溫度補償-5mV/2V欠壓電壓12.0V過放電壓11.1V過放返回電壓12.6V控制方式

50、充電為PWM脈寬調(diào)制4.2.3 控制器工作模式的設置（1）設置方法。按下開關設置按鈕持續(xù)5s，模式（MODE）顯示數(shù)字LED閃爍，松開按鈕，每按一次轉(zhuǎn)換一個數(shù)字，直到LED顯示的數(shù)字與表4-3中所選用的模式對應的數(shù)字即停止按鍵，等到LED數(shù)字不閃爍即完成設置。每按一次按鈕，LED數(shù)字點亮，可觀察到設置的值。（2）純光控方式。當沒有陽光時，光強降到啟動點，控制器延時10min確認啟動信號后，開通負載，負載開始工作；當沒有陽光時，光強升到啟動點，控制器延時10min確認關閉輸出信號后關閉輸出，負載停止工作。（3）光控開+延時關方式。啟動過程同前。當負載工作到設定的時間就關閉負載，時間設定見表4-6

51、。（4）通用控制器方式。此方式僅取消光控、時控功能、輸出延時及相關的功能，保留其他所有功能。作為一般的通用控制器使用。（5）系統(tǒng)調(diào)試方式。系統(tǒng)調(diào)試方式和純光控模式相同，只取消了判斷光信號控制輸出的10min延時，保留其他所有功能。有光信號即接通負載，無光信號即關斷負載，可方便地檢查系統(tǒng)安裝的正確性。表4- 3 控制器工作模式設置LED數(shù)碼01234模式測試4/OFF5/OFF6/OFF7/OFFLED數(shù)碼56789模式8/OFF9/OFF10/OFF純光控通用4.3 控制器的硬件設計方案微控制器太陽能電池板電壓采集模塊蓄電池端電壓采集模塊負載電流檢測模塊溫度檢測PWM功率驅(qū)動充電驅(qū)動放電驅(qū)動輸

52、出保護功率驅(qū)動鍵盤顯示模塊光伏照明控制系統(tǒng)通過微控制器對太陽電池板電壓、蓄電池端電壓、負載電流、環(huán)境溫度等參數(shù)進行采樣，通過軟件設置，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率，溫度補償修正的高效、高準確率控制，并采用高效PWM模式對蓄電池充放電，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命?？刂破骶哂蟹览讚?、蓄電池防反充、蓄電池防反接、過載、負載短路等保護措施，并且有充放電、蓄電池狀態(tài)、負載工作及各種故障的指示。8圖4- 2 太陽能光伏照明控制系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)圖4.4 控制器的電路設計4.4.1 單片機的最小系統(tǒng)單片機是整個控制器的智能核心。該智能控制器，采用8位AVR微處理器ATmega48作用主控制芯片。ATmega48是基于AVR增強型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可獨立訪問的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。ATmega48處理器包含有4 KB片內(nèi)可編程FL