-.z本文由6655hao奉獻doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇T*T，或下載源文件到本機查看。本科生畢業(yè)論文〔設計〕論文〔設計〕題目：論文〔設計〕題目：基于AT89S51單片機的太陽能控制器設計與制作2010年5月目錄中文摘要……11研究意義與功能介紹……12電路設計……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光耦開關電路……42.6單片機及其外圍電路……52.7A/D轉換電路……62.8單片機電源電路……62.9PCB圖……72.10作品實物……73主要器件介紹……83.1AT89S51單片機……83.2TLC549……93.3MOSFET……93.4光耦……93.5太陽能電池……104軟件設計……114.1主要程序流程圖……114.2主要C程序……115測試……146小結……15參考文獻……15英文摘要……16致謝……17基于AT89S51單片機的太陽能控制器設計與制作內容摘要本文介紹了一種基于單片機的太陽能控制器，系統(tǒng)使用低功耗、高性能的AT89S51單片機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，單片機控制電路和光耦驅動電路組成。設計使用PWM〔脈寬調制〕控制技術來控制蓄電池充放電，通過控制MOSFET管開啟和關閉到達控制電池充放電的目的。實驗結果說明，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)，實現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電，到達延長蓄電池的使用壽命。關鍵詞太陽能；控制器；AT89S51單片機我國現(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)或者用電超負荷的城市開發(fā)新能源是當務之急。我國的西部地區(qū)，包括**、**、**、**、**等省年日照時間長，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)的供電設施建立本錢高，電能的供需矛盾顯得十分突出，因此當?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，白天將太陽能轉化為電能，利用蓄電池將剩余的電能儲存起來，需要用電時即可由蓄電池供電。1研究意義與功能介紹1.1研究意義隨著經濟的開展、社會的進步，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，且勿須開采和運輸。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點：1.無枯竭危險；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.能源質量高；6.獲取能源花費的時間短。1.2功能介紹本系統(tǒng)以ATMEL系列中的AT89S51單片機為控制中心，軟硬件的結合，利用分壓電路對蓄電池，太陽能電池的電壓、電流進展采樣。再經過A/D轉換采樣數(shù)據(jù)輸入到單片機中進展處理。單片機輸出經光耦驅動MOSFET管來控制外接電路開啟關閉。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電，當蓄電池電壓在14.4V+0.5時，太陽能電池停頓1對蓄電池充電，當蓄電池電壓在10.9V+0.5時，蓄電池停頓對負載放電；負載電流檢測電路可進展過流保護及負載功率檢測〔如圖1〕。圖1系統(tǒng)構造框圖2電路設計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轉換電路，單片機控制電路及狀態(tài)顯示局部。本設計以ATMEL系列AT89S51單片機為控制中心的軟硬件的結合，使用并聯(lián)在電池兩端的兩個串聯(lián)電阻，以分壓方式對蓄電池、太陽能電池的電壓進展采樣，送到A/D轉換得到一個數(shù)字信號的電壓值，再將信號送入到單片機中進展處理。單片機輸出經光耦電路控制MOSFET管?？刂芃OSFET管導通的方式是脈沖寬度調制(PWM)，根據(jù)程序設計的載荷變化來調制MOSFET管柵的偏置，到達實現(xiàn)開關功能。按程序設計當檢測到蓄電池的電壓低于12V，充電模式為均充，Q1為完全導通狀態(tài)，也就是導通的脈沖占空比最大；當檢測到蓄電池的電壓在12V-14.5V，充電模式為浮充，Q1導通與不導通的占空比例變??；當檢測到蓄電池的電壓等于15V，Q1截止充電停頓。當檢測到蓄電池的電壓低于10.8V，Q2關閉停頓放電。2D1U41B1R150kC1AD1R25k100uFQ1VinR3K150kAD2R45kD221B2VinGNDVin1Q2C2K2470uF2VoutC3100uF3VCCC4104RLT1LM78052VCCU4C1U4R55kR6K1J1VinC2U5R75kR8K2VCC1234CON412345678RST91011121314151617*218*11920C1C2U1AT89S51VCCP0.0/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+AINREFGNDTLC549VCCCLKDOCS87CS16DO15CLK1VCCC510uF*1C647Y111MHZ*2C747RSTR910kP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTR*D/P3.0T*D/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7*TAL2*TAL1GNDR10200R11200VCC1AD2234U3REF+AINREFGNDTLC549VCCCLKDOCSVCC87CS26DO25CLK2圖2系統(tǒng)設計電路圖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，要選擇適宜的充放電方式。所有的蓄電池充電過程都有快充、過充和浮充3個階段，每個階段都有不同的充電要求?，F(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。本設計采用最容易實現(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時停頓充電。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等構成。二極管D1是為了防反充，當陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池的電壓時，D1就生效。通過控制開關閉合跟斷開的時間〔即PWM—脈沖寬度調制〕，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3半導體場效應晶體管，所需驅動功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導電，不存在少數(shù)載流子的復合時間，因而開關頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關。設計中采用IRF9540NP溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導通電壓Vth<0，由下列圖可以實現(xiàn)MOSFET的驅動。當光耦U5導通時，由于Q1的G極電壓很小，G極近似接地，Vgs<0，當S極電壓到達一定值時，Q1導通。Q2的原理類似。電路如圖3。D11U4Q1VinB1K1R150kC1AD1R25k100uFR350kAD2R45kD221B2RLQ2K22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，從兩個電阻中間采集電壓。由分壓公式得出采集的電壓為VR1R21/11，當蓄電池充滿電時電壓大概為14.5V，計算出采集到的電壓為1.3V，符合A/D轉換芯片的TLC549的輸入值。圖4電壓采集電路42.5光耦開關電路當輸入信號C1為低電平時，光耦內部的發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當于開關“斷開〞；當C1為高電平時，光耦內部的發(fā)光二極管發(fā)光，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當于開關“接通〞，此時從U5輸入的電壓經光耦流向接地端，處的電壓接近為零，K1MOSEFT的Vgs<0，S極電壓到達一定值時，導通。當Q1U4C1U4R55kR6K1VinC2U5R75kR8K2圖5光耦開關電路2.6單片機及其外圍電路本設計使用AT89S51單片機，單片機及其外圍電路包括上電復位電路，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)。VCCU112345678RST91011121314151617*218*11920C1C2AT89S51VCCP0.0/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/A8D3D44039CLK138DO137CS136CLK235DO234CS2333231VCC30292827262524232221J11234VCCCON4C510uFRSTR910kP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4MOSI/P1.5MISO/P1.6SCK/P1.7RSTR*D/P3.0T*D/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7*TAL2*TAL1GNDR10200R11200圖6單片機及其外圍電路52.7A/D轉換電路AT89S51單片機沒有內置的A/D轉換模塊，因此采集的電壓需要經A/D轉換才可接入單片機。此設計采用8位串行A/D轉換器芯片TLC549〔如圖7〕。需要采集的信號從2管腳AIN輸入，1管腳的基準電壓使用5V，5、6、7三管腳連單片機。VCCU28765VCCCLKDOCSTLC549圖7A/D轉換電路VCCREF+AINREFGND1234AD12.8單片機電源電路單片機對電源質量要求嚴格，只有波形穩(wěn)定清晰的電源才能使單片機上電復位，否則無法上電復位，晶振不能起振，單片機就不工作。蓄電池提供的電壓是12V，單片機電源使用5V電壓，因此需要穩(wěn)壓后才能供單片機使用，本設計采用LM7805穩(wěn)壓后得到波形較好的電源才供單片機使用。VinT1GNDVin1C2470uFVoutC33VCCC4104LM7805100uF2圖8單片機電源電路62.9PCB圖開場畫PCB圖是使用自動布線加手工修改，但是設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作品實物圖10作品實物圖〔正面〕7圖11作品實物圖〔反面〕3主要器件介紹3.1AT89S51單片機AT89S51單片機是ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案[1]。AT89S51具有以下特點：40個引腳，4kBytesFlash圖12AT89S51單片機管腳圖片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，32個外部雙向輸入/輸出〔I/O〕口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串通信口，看門狗〔WDT〕電路，片內時鐘振蕩器。83.2TLC549TLC549是美國**儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATAOUT三條口線進展串行接口。具有4MHz片內系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17μs，TLC548允許的最高轉換速率為45500次/s，TLC549為40000次/s?？偸д{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，可按比例量程校準轉換*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*圍：0.3V～VCC＋0.3V；●輸出電壓*圍：0.3V～VCC＋0.3V；●峰值輸入電流(任一輸入端)：±10mA；●總峰值輸入電流(所有輸入端)：±30mA；●工作溫度：－55℃～125℃圖13TLC549管腳圖3.3MOSEFT管MOSEFT管是利用電場效應來控制電流的，由金屬、氧化物和半導體制成，由于場效應管的柵極被絕緣層(例如SiO2)隔離，因此其輸入電阻可達109歐以上。MOSEFT管所需驅動功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導電，不存在少數(shù)載流子的復合時間，因而開關頻率可以很高，非常適合作控制充放電開關。本設計采用IRF9540NP溝道場效應管，以下是IRF9540N的一些參數(shù)：VGS=0V,ID=-250uAVGS=-10V,ID=-11AVDS=VGS,ID=-250uAVDS=-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。光耦合器一般由三局部組成：光的發(fā)射、光的9接收及信號放大。光耦工作時對輸入、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。光耦的內部構造如圖14所示，在1、2極之間加正向電壓，內部的發(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生光電流，4極之間導通。3、反之，光耦內部的發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端兩管腳間的電阻很大，相當于開關斷開。由于單片機輸出只有5V缺乏于驅動MOSFET管，因此驅動MOSFET管的電壓從U3出接出。圖14光耦合器3.5太陽能電池如右圖所示，太陽能電池是利用半導體光伏效應制成的，能夠直接將太陽輻射轉換成電能的器件。具有很強的光伏效應半導體材料，當吸收一定能量的光子后其內部導電的載流子分圖15太陽能電池產生光伏效應布和濃度發(fā)生變化。光照在半導體P/N結上，就會在其兩端產生光生電壓，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。在這個過程中，光電池本身不發(fā)生任何化學反響，也沒有轉動磨損，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)電所不能比較的。3.6蓄電池國內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：壽命長，免維護平安可靠，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是二氧化鉛(PbO2)，負極活性物質是海綿狀金屬鉛(Pb)，電解液是硫酸液(H2SO4)。本設計采用密封型鉛酸電池，設計的蓄電池電壓值為：12V，充滿斷開電壓為：14.1～14.5V；恢復連接電壓為：13.2V。104軟件設計4.1程序主要流程圖開場初始化變量電壓采集YVbat>14.5VNVbat>12VNYVbat>10.8VN停頓放電Y停頓充電浮充充電快速充電完畢4.2主要C程序*include<reg51.h>//51芯片管腳定義頭文件*include//內部包含_nop_();*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedintsbitCLKsbitCSsbitDOUTsbitFuZaisbitPWMsbitLED1sbitLED2=P0^0;=P0^2;=P0^1;=P1^1;=P1^0;=P2^0;=P2^1;/*AD時鐘信號*//*AD片選信號*//*數(shù)據(jù)輸出*/11uchart0,battery_v;voiddelay(uintn)//延時函數(shù){while(n--){_nop_();}}/*************************************/voidinit()//初始化函數(shù){TMOD=0*01;TH0=(65536-50)/256;TL0=(65536-50)%256;EA=1;ET0=1;PWM=0;LED1=1;LED2=1;}/***********************************/ucharadc_549(void)//AD轉換{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21us以上*/return(data_out);}/**********************************/12voidmain(void){init();while(1){battery_v=adc_549();FuZai=1;//翻開負載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;//關閉負載}}}voidtimer0()interrupt1//定時器0，用來產生PWM{TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;13t0++;}5測試分析由于太陽能電池價格比較貴，所以設計中使用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，可調直流電源，示波器。測試的內容：檢測蓄電池電壓低于10.8V時，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時控制器是否停頓對蓄電池充電。由于測試使用的12V蓄電池容量太大〔36Ah〕，假設此控制器以1A的電流對蓄電池充電，完成一次完整的充電所需時間大概為36小時，因此沒能完全完成測試充電過程。使用此12V蓄電池測得的結果是控制器能夠充放電。而測試控制器功能是否到達設計要求，所用的方法是用一個電壓模擬蓄電池。以下是模擬充電得到的參數(shù)：當模擬蓄電池的電壓低于10V，MOSFET管Q2關閉停頓對負載供電，同時紅燈亮；當模擬蓄電池的電壓在10V-12V之間，Q1導通對蓄電池充電，同時綠燈亮；當模擬蓄電池的電壓在12V-14V之間，PWM充電，同時綠燈亮；當模擬蓄電池的電壓高于14V，MOSFET管Q1關閉停頓充電，同時兩個燈亮。6小結本設計是基于AT89S51單片機的太陽能充放電控制器，以恒壓限流的方式給蓄電池充電,使用開關頻率很高的P溝道MOSFET管，控制充放電開關。通過采集太陽能電池的電壓電流實現(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、實時性強,有利于提高太陽能電池的轉換效率；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)的設計以及在論文的寫作過程中，查閱了大量的資料，包括圖書館的相關書籍和各種期刊，從中獲得了不少的啟示。通過這次設計，使我在理論和實踐上都增長了很多經歷。開場畫PCB圖是使用自動布線加手工修改，但是設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直接報廢，第二次做板，腐蝕液濃度太低，腐蝕了一個多鐘還是一點輪廓，第三次自己買了氯化鐵重新打印再腐蝕。做了兩塊板同時不斷改良，才得到最14終設計電路。最后就是調試，這一步花了幾天時間，覺得做設計最麻煩的還是調試，有時出不來結果，但不知問題出在哪。在本設計中已經提高了太陽能電池的轉換效率，但由于能力有限，所以沒有對太陽電池進展最大功率跟蹤設計，沒能更進一步提高太陽能的利用效率。注釋[1]百度百科baike.baidu./view/1641206.htm?fr=ala0_1[2]百度文庫wenku.baidu./view/1d000f4e767f5acfa1c7cd13.html參考文獻[1]*宏,吳達成等.家用太陽能光伏電源系統(tǒng)[M].:化學工業(yè),2007[2]沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術[M].:化學工業(yè);2005[3]羅曉曙,閉金杰,楊日星,*露.AVR單片機的太陽能電池控制器設計[J].現(xiàn)代電子技術,2009(10).[4]百度百科baike.baidu./view/1641206.htm?fr=ala0_1[5]中國工控.gongkong./webpage/paper/201001/03.htm[6]百度文庫wenku.baidu./view/1d000f4e767f5acfa1c7cd13.html[7]黃海宏，黃長杰，王海欣著太陽能控制器設計[J].電子技術應用，May200615TheDesignandProductionofTangyurongSolarControllerAbstractThispaperhasintroduceasolarcontrollerwhichisbaseonaMCU,whichisusedalow-powerandhigh-performanceMCUwhichiscall