基于單片機控制的小型風(fēng)光互補裝置的設(shè)計摘要隨著化石能源的不斷枯竭，人們對地球生態(tài)環(huán)境的問題也越來越重視，也越來越迫切的希望能開發(fā)代替化石能源的清潔能源。太陽能和風(fēng)能被認(rèn)為是是自然界最基本的幾種能量之一，它們在整個自然界中體量很大，并且發(fā)電方式非常環(huán)保。所以，太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在未來的發(fā)展形勢非常好。本設(shè)計最終目標(biāo)是制作出一個小型裝置，能夠?qū)L(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電結(jié)合起來，達到能夠在陽光下或者風(fēng)力吹動下將所有的風(fēng)能和太陽能轉(zhuǎn)化成電能輸入進電池中，并且這個裝置可以將所有儲存的電能全部輸出。本設(shè)計主要的問題有風(fēng)光互補控制核心的選型，裝置各個電路的設(shè)計，風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板的選型，裝置各個部件的焊接組合以及調(diào)試，風(fēng)光互補控制器程序的設(shè)計和編寫等。本設(shè)計的核心部分就是微機控制器，主要通過STC89C52單片機來實現(xiàn)，程序的設(shè)計方面采用C語言進行匯編，整體電路主要包括電源指示燈電路，電壓采集電路，液晶顯示屏電路。電壓采集電路采用ADC0832芯片進行設(shè)計。解決以上列出的各個問題后，本次設(shè)計就能成功實現(xiàn)利用太陽能和風(fēng)能進行轉(zhuǎn)換，變成電能儲存進蓄電池然后通過設(shè)計的電路輸出給負(fù)載。關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補控制器；電壓采集；STC89C52單片機；風(fēng)光互補；目錄TOC\o"1-3"\h\u1014摘要 21106Abstract 330921.概述 680641.1風(fēng)光互補發(fā)電的背景和意義 6138091.2風(fēng)光互補發(fā)電的提出和發(fā)展前景 7266691.3本次課題的研究內(nèi)容 8311702.發(fā)電部分 10290202.1發(fā)電機的介紹 10220022.2風(fēng)力發(fā)電理論 1052992.3本設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機選型 10263242.4太陽能電池板的介紹 1124232.5太陽能電池板發(fā)電原理 11189232.6本實驗太陽能電池板選型 12299903.蓄電池部分 12155193.1蓄電池的介紹 1276513.2蓄電池工作原理 12229073.3蓄電池選型 13136254.單片機介紹 13123834.1單片機概述 1397284.2單片機工作原理 1464814.3單片機的選型 14262225.硬件電路設(shè)計 16242785.1時鐘電路 1660355.2復(fù)位電路 1610075.3轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 18178735.4顯示電路的設(shè)計 18192546.軟件程序設(shè)計 19312566.1系統(tǒng)設(shè)計語言的選擇 1940146.2系統(tǒng)設(shè)計思路 2025347.仿真與調(diào)試 21177297.1系統(tǒng)仿真軟件的選擇 21174987.2原理圖的繪制 21261157.3實物圖 22196808.總結(jié)與展望 2331407參考文獻 24概述1.1風(fēng)光互補發(fā)電的背景和意義隨著世界各國社會和經(jīng)濟的進步與發(fā)展，能源供求方式的矛盾和對于環(huán)境問題的沖擊與壓力將有機會進一步加劇,能源結(jié)構(gòu)也必然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。目前，全球化石能源儲存量越來越少，供給能源的壓力越來越嚴(yán)峻。在目前清潔能源受到越來越多關(guān)注情況下，可再生能源取之不盡、用之不竭的優(yōu)點和特點，這就決定了它會在未來的能源格局中繼續(xù)發(fā)揮一個極為重要的作用,全球各國均把清潔能源作為自身的能源結(jié)構(gòu)改革的重點和發(fā)展方向[1]。從上世紀(jì)70年代開始，尤其是進入21世紀(jì)以來，可再生清潔能源已逐步發(fā)展成為像煤炭，天然氣等不可再生化石燃料的一種不可替代性能源，世界上許多新興國家或發(fā)達地區(qū)都把可再生清潔能源發(fā)展視為其實施新一輪清潔利用能源產(chǎn)業(yè)增長發(fā)展戰(zhàn)略的主要重點和組成部分;據(jù)有關(guān)專家推測，2017年美國加利福尼亞州20%的電力將來自可再生能源(2002年就增長到12%)；2010年歐洲地區(qū)22%的電力或整年所需能源的12%將來自可再生能源(1999年整個歐洲地區(qū)可再生能源發(fā)電利用占總電量為14%)1997年占整體的6%)，2010年日本整體光伏發(fā)電將達到483萬千瓦(2003年大約為88.7萬千瓦)；2010年拉丁美洲可再生清潔能源發(fā)展至將占整個能源的10%[2]。我國的新一代能源風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的起步也很早，上世紀(jì)七十年代和八十年代，我國小中型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)就已經(jīng)開始發(fā)展，在內(nèi)蒙、新疆等一些能源匱乏偏遠的地區(qū)小中型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成為了為送電到鄉(xiāng)的“工人”加入國家“863”項目，進入農(nóng)牧民的家庭生活，那時國內(nèi)大部分公民還不認(rèn)識風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、太陽能產(chǎn)業(yè)還不知在哪個角落。我國大型民用風(fēng)電系統(tǒng)裝置和配套設(shè)備的整機制造業(yè)也已經(jīng)正式開始逐步進入了一個嶄新的高速經(jīng)濟增長期,到2008年12月底,我國己經(jīng)累計擁有將近70家風(fēng)電公司和1個企業(yè)分別正式進入了首批并網(wǎng)的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置和相關(guān)設(shè)備配套整機配件制造業(yè)和工程技術(shù)研發(fā)行業(yè),中、小型民用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝置和配套設(shè)備整機制造業(yè)也正在實現(xiàn)快速增長。目前我國太陽能發(fā)電技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)近年來在整體上已經(jīng)得到了一個飛躍性的快速發(fā)展。截至2007年底,全國各地累計完成推廣示范使用小型農(nóng)村地區(qū)太陽能燃?xì)鉄崴?286萬平方米,太陽能廚房1468萬平方米,太陽能爐灶112萬臺[3]。縱觀全球的可再生能源的發(fā)展，有以下幾個趨勢。隨著技術(shù)水平不斷提高，制造成本正在大幅降低。發(fā)展速度在加快，市場份額占比越來越多?？稍偕茉匆呀?jīng)是越來越多國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要舉措?？稍偕茉创嬖诰薮蟮慕?jīng)濟環(huán)境效益，是新興的朝陽產(chǎn)業(yè)。因此，不管是從緩減能源危機、解決環(huán)境污染、保護人類生存環(huán)境、有效的開發(fā)和利用自然資源；還是從社會和經(jīng)濟的發(fā)展角度出發(fā)，開發(fā)太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等再生能源都具有非常重要的意義。從長遠來看，利用潔凈的可再生能源代替原本的化石能源，不僅僅是人類對未來社會發(fā)展的期望，更是世界能源發(fā)展的趨勢[4]。1.2風(fēng)光互補發(fā)電的提出和發(fā)展前景1.2.1風(fēng)能和太陽能的優(yōu)點和缺陷在化石能源儲量日益減少并且對環(huán)境造成嚴(yán)重污染的今天，太陽能、風(fēng)力發(fā)電等可再生資源也越來越受到重視。它們具備了傳統(tǒng)的化石能源所沒有的特點。第一，太陽能和風(fēng)能具有可持續(xù)利用的優(yōu)點，當(dāng)太陽照射在地面時，地面升溫空氣就會流動就會產(chǎn)生風(fēng)能。第二，風(fēng)能和太陽能的采集裝置大部分比較便宜，一次性的投資就可以常年使用，除了維修費用并沒有其他較多的開支。第三，太陽能和風(fēng)能都屬于清潔可再生能源，所以在對它們綜合利用時不會給環(huán)境造成任何污染，比較環(huán)保。第四，太陽能和風(fēng)能隨處都有，特別是在缺乏常規(guī)能源的山區(qū)，野外，沙漠等，不需要進行一個長途運輸?shù)谖?，太陽能和風(fēng)力發(fā)電所可能蘊含的可再生能源儲量是巨大的。有人曾計算出來表示，把一個30000平方公里的沙漠地帶中的太陽能全部利用起來，就已經(jīng)完全能提供全球生產(chǎn)活動所需要的能量。當(dāng)然，雖然風(fēng)能、太陽能存在上述諸多優(yōu)點，但也存在著一些缺陷:第一，這兩種能源比較分散，不容易集中起來產(chǎn)生巨大的功率。第二，目前，不管是利用天然太陽能還是風(fēng)能發(fā)電，天氣氣候條件非常重要，天氣不穩(wěn)定時，發(fā)電也非常的不穩(wěn)定。第三，受地形的影響也比較大，地區(qū)差異較大。盡管太陽能和風(fēng)能存在很多優(yōu)點，但是這些缺陷的存在，使得太陽能或風(fēng)能在單獨利用時存在許多不穩(wěn)定的因素，無法將其轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟可靠的電能。不過隨著現(xiàn)代科技的進步與發(fā)展，風(fēng)能和太陽能的利用技術(shù)都已經(jīng)取得了很大的的發(fā)展與突破，特別是在風(fēng)能和太陽能結(jié)合利用的方面，充分利用兩種能源自身的優(yōu)勢建立起了一些實用性非常好，經(jīng)濟可靠的能源利用系統(tǒng)。1.2.2風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的提出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，主要強調(diào)的是風(fēng)能和太陽能的互補。風(fēng)能和太陽能有著天然互補的優(yōu)勢。太陽能輻射到地球上引起氣溫的變化產(chǎn)生風(fēng)能，所以風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化[5]。我們知道，白天一般太陽輻射大風(fēng)小，夜晚風(fēng)大太陽輻射小，夏天太陽輻射大風(fēng)小，冬天風(fēng)大太陽輻射小。風(fēng)能和太陽能能夠在季節(jié)與時間上相互補充。因此，風(fēng)光結(jié)合互補發(fā)電系統(tǒng)具有更高的可靠性和實用價值，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn)能更好的彌補太陽能和風(fēng)能提供能量間歇性、不穩(wěn)定的缺陷，實現(xiàn)可持續(xù)供電。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)有兩種主要的類型，一類是并網(wǎng)型的電力發(fā)電管理系統(tǒng)，即和各個公用動力電網(wǎng)之間通過各種標(biāo)準(zhǔn)接口互聯(lián)進行網(wǎng)絡(luò)連接,就像一個小型火力發(fā)電廠,將所有被接受到的發(fā)電能量直接通過高頻直流進行轉(zhuǎn)換后再改變成高壓千伏直流電,經(jīng)過高壓逆變器進行逆變后向公用電網(wǎng)內(nèi)部輸出與公用電網(wǎng)輸入電壓基本相等或者與電壓同頻、相等的正交余弦波和交流驅(qū)動電流;另一類是離網(wǎng)型電力發(fā)電管理系統(tǒng)，即在自己的風(fēng)光閉路發(fā)電管理系統(tǒng)內(nèi)部直接建立一條離網(wǎng)的綜合電路,系指風(fēng)光發(fā)電采用各種類型區(qū)域性單獨聯(lián)合發(fā)電、各種類型分戶單獨聯(lián)合發(fā)電的一種離網(wǎng)式風(fēng)光再生電力發(fā)電系統(tǒng)模式,將所有被接受到的發(fā)電能量直接提供給各種充電負(fù)載,并將多余電能經(jīng)過充電控制器處理后變成化學(xué)能儲存在蓄電池中。離網(wǎng)型較并網(wǎng)型發(fā)電而言，它的發(fā)電投資小、見效快，占地面積小，從發(fā)電設(shè)備投入安裝使用開始至設(shè)備投入正常運行所需要花費的大量時間就視其為最大工程量,少則一天或者兩個人每月,無須同時有行業(yè)專人進行看護或人員值守,易于運行管理。本文將以擬擇離網(wǎng)式小型發(fā)電配套系統(tǒng)為例進行相關(guān)研究[6]。1.3本次課題的研究內(nèi)容本次課題研究旨設(shè)計出一個小功率的離網(wǎng)式風(fēng)光互補發(fā)電裝置。1.利用太陽能光電池進行光電轉(zhuǎn)換和風(fēng)力發(fā)電機對蓄電池進行充電2.設(shè)計出系統(tǒng)電路，把蓄電池中的直流電變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電來保證交流負(fù)載的正常使用3.在完成以上兩子節(jié)點的情況下，實現(xiàn)裝置的控制單元能夠根據(jù)太陽輻射強度、風(fēng)力的大小及負(fù)載的變化，不斷對蓄電池工作電壓進行實時的監(jiān)視和調(diào)整。本文將針對小型風(fēng)光互補裝置的風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池板和控制器的選型問題進行展開，主要分為以下幾個部分。發(fā)電理論及選型。蓄電池介紹。單片機部分。硬件電路設(shè)計。軟件程序設(shè)計。仿真與調(diào)試。1.4系統(tǒng)總體設(shè)計方案風(fēng)光互補發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如下圖：該發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機，太陽能電池板，單片機控制器，蓄電池等組件構(gòu)成。以下是各個部分的功能。風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板；完成風(fēng)能向電能；光能向電能的轉(zhuǎn)換，并且通過整個裝置的充放電電路完成對蓄電池的充電工作。微機控制器：完成裝置各個部分的連接、組合以及對蓄電池工作狀態(tài)的自動控制。蓄電池：完成裝置全部的電能儲存。器件的選擇：控制核心：采用STC89C52系列單片。蓄電池：采用TP4056鋰電池。風(fēng)力發(fā)電機：采用5V微型風(fēng)力發(fā)電機太陽能電池板：選用5V/1.5W的單晶太陽能電池板。電壓采集電路：采用ADC0832芯片設(shè)計。發(fā)電理論及選型2.1發(fā)電機的介紹發(fā)電機就是指將其他各種動力形式的機械能量直接驅(qū)動轉(zhuǎn)化電力為機械電能的一種機械驅(qū)動裝置,它由一臺水輪機、汽輪機、柴油機或其他各種大型動力機械設(shè)備進行動力驅(qū)動,把經(jīng)過水流,氣流、燃料的加熱焚燒等所作用產(chǎn)生的機械動能直接變化轉(zhuǎn)換電能為各種機械提供電能功率,再由發(fā)電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)換為機械電能[7]。發(fā)電機已經(jīng)在現(xiàn)代社會、國防工程技術(shù)以及人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)得到許多的廣泛使用。雖然發(fā)電機的驅(qū)動類型有很多，但它們的基本結(jié)構(gòu)和主要工作驅(qū)動原理均基于其對電磁場的感應(yīng)驅(qū)動定律和電磁力驅(qū)動定律,發(fā)電機的主要工作基礎(chǔ)驅(qū)動原件及其構(gòu)成部分有，如發(fā)電機的主要原動力、轉(zhuǎn)子、定子。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需要的能量由原動機驅(qū)動提供，也可以說是利用磁場過?；蛘呖梢允抢弥绷麟姶艌鰜碇苯赢a(chǎn)生一個磁場,當(dāng)一個轉(zhuǎn)子可以高速旋轉(zhuǎn)時與一個定子就成為可以直接產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)子切割力與磁力。而線圈的運動,在一個定子上就直接可以產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢,當(dāng)一個定子與外部的電子回路導(dǎo)線連接好之后就會產(chǎn)生一個閉合電動勢，這個電動勢便可以將定子電流快速傳遞到一個負(fù)載上。2.2風(fēng)力發(fā)電理論按照風(fēng)輪的形狀結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置不同，風(fēng)力發(fā)電機又可以分成水平或豎向軸式風(fēng)力發(fā)電機。水平軸式的風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪圍繞某一個水平軸進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向垂直。目前，國內(nèi)外研制最多，應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的就是水平軸式風(fēng)力發(fā)電機。它的葉片一般切割成兩到三片，安裝時要和風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)方向呈一定角度。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的特征是其啟動時力矩相對較大，而且風(fēng)能的利用率也很高，但是要想風(fēng)輪一直保持迎風(fēng)，則必需安裝調(diào)向器[8]。不管風(fēng)力發(fā)電機是水平軸式還是豎直軸式，要設(shè)想其能夠在風(fēng)速不停地變化下始終保持最高功率的輸入,主要方法之一就是通過調(diào)整發(fā)電機風(fēng)葉片的受到風(fēng)面。所以當(dāng)發(fā)動機的風(fēng)速太快時,在能夠保證發(fā)動機安全運行的前提下,適當(dāng)?shù)販p小發(fā)動機風(fēng)葉片的受到吹入面積,使得發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不至于太快。所以當(dāng)風(fēng)速超標(biāo)時,就要加大風(fēng)葉的承受風(fēng)量和面積,來提高電動式風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。2.3本設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機選型風(fēng)葉：直徑17.5cm,具有11片風(fēng)葉，質(zhì)量較好，能承受的轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)力發(fā)電機：選用卓業(yè)280直流碳刷微型電機。主要參數(shù)如下；額定轉(zhuǎn)速：9500轉(zhuǎn)/分額定電壓：5V額定功率：1KW軸伸出長度約：1.5cm電機殼體外徑約：2.4cm殼體長度約：2.8cm該電機的主要優(yōu)點有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速和功率較高。2.4太陽能電池板的介紹硅太陽能材料電池板主要種類有單晶硅復(fù)合太陽能材料電池板、多晶硅復(fù)合太陽能材料電池板和一種非晶硅復(fù)合太陽能材料電池板等。其中以新型單晶硅材料太陽能電池組在進行電能轉(zhuǎn)換時發(fā)電效率最好,技術(shù)也可說是最為成熟[9]。實驗室中研究產(chǎn)生的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化結(jié)果效率一般大約為24.7%,但是當(dāng)企業(yè)進行大型化和規(guī)模化產(chǎn)品生產(chǎn)時的轉(zhuǎn)化效率一般僅僅為15%。多晶硅材料薄膜電池太陽能材料電池成本相對于其他單晶硅薄膜電池,成本低廉,而轉(zhuǎn)換效率則遠遠需要高于其他非晶硅材料薄膜太陽電池,其中應(yīng)用實驗室的最高產(chǎn)品可以進行轉(zhuǎn)換最高效率約18%,工業(yè)產(chǎn)品大型化所需要生產(chǎn)的產(chǎn)品可以進行轉(zhuǎn)換最高效率約10%。非晶硅陽光薄膜材料太陽能電池由于制造成本低,重量輕,轉(zhuǎn)換電能速度和發(fā)電效率都相對更高,便于企業(yè)進行大量的規(guī)模研發(fā)生產(chǎn),具備極大的行業(yè)市場潛力。但是由于其他光電材料所應(yīng)用引發(fā)的光電反應(yīng)效率值的衰減以及反射光電效應(yīng),穩(wěn)定性并不高,直接影響決定了其不能夠在實踐中的廣泛應(yīng)用。太陽能電池片可根據(jù)所需電壓和尺寸大小的要求，由不同種類和數(shù)量的太陽能電池片共同組成，其轉(zhuǎn)化和效率受到多方面因素的影響,例如太陽能光照、太陽能動力電池片的制造技術(shù)和工藝等等,2010年中國的平均效率大約為17.2%。常見的太陽能動力電池供應(yīng)的電壓主要有3v、6v、9v、12v、18v、32v、48v等,更大的是適合太陽能發(fā)電工廠建設(shè)項目。2.5太陽能電池板發(fā)電原理光伏電池進行能量自動轉(zhuǎn)換的主要工作原理為一個pn-n相連結(jié)的復(fù)合光生伏特效應(yīng)[10]。當(dāng)太陽能量輻射到PN結(jié)上時，會產(chǎn)生電子與空穴復(fù)合對，屬于半導(dǎo)體內(nèi)部PN結(jié)附近的載流子沒有得到復(fù)合而到達空間電荷輻射區(qū)，在內(nèi)建電場的作用下，P區(qū)中空穴較多，而N區(qū)流入許多電子，導(dǎo)致N區(qū)和P區(qū)電子和空穴數(shù)量的不平衡。而這種不平衡就會產(chǎn)生光生電場并且它的作用方向與勢壘方向相反。光生伏特電場除了部分地直接抵消勢壘電場作用外,還同樣可以直接使它的P區(qū)區(qū)域帶正電,N區(qū)區(qū)帶正或負(fù)電,在N區(qū)和P區(qū)之間的導(dǎo)電薄層就這樣可以直接產(chǎn)生電動勢,這也就是俗稱光生伏特效應(yīng)。將太陽光伏電池的正、負(fù)電極和外接負(fù)載連接，那么光生電流就會直接流進外接負(fù)載。晶體硅薄膜太陽能電池主要可以被細(xì)分為各種單晶硅晶體太陽能材料電池、多晶硅晶體薄膜薄層太陽能材料電池和各種非晶硅晶體薄層薄膜太陽能材料電池。單體式直流太陽能離子蓄電池的電流工作時其輸出穩(wěn)壓電流一般可以設(shè)定為20malcm2,工作時的輸出直流電壓一般可以設(shè)定為0.450sv,固通常也就是不能單獨獨立地把它作為一個備用電源[11]。將光伏太陽能電池的單體分別進行了串、并聯(lián)和密封后,成為一種具有穩(wěn)定利用率和高效益的太陽電池串,然后就已經(jīng)可以被封裝為一種具有穩(wěn)定的機械運動強度的光伏太陽電池單體,將多個組件分別固定到一個支架上,用導(dǎo)線相互連在一起,就已經(jīng)可以形成光伏系統(tǒng)的陣列,從而使其產(chǎn)生整個系統(tǒng)必須要求的電壓和電流。2.6本實驗太陽能電池板選型本設(shè)計太陽能電池板的選型是105*105的單晶硅太陽能電池板，它的最大額定工作電壓是5V,，額定電流范圍是0.3A，額定功率是1.5W，長度為13.5cm,寬度為12.5cm。所以我們選用了單晶硅太陽能電池板主要原因是由于其轉(zhuǎn)化效率比較高,也相對穩(wěn)定,還有一個原因就是單晶硅太陽能電池板成本相對較低,大小也非常適合小型風(fēng)光互補裝置的制作。2.7本章小結(jié)本章對小型風(fēng)光互補裝置的發(fā)電部分進行了介紹，主要分為太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電兩個部分，對發(fā)電機和太陽能電池板從他們的工作原理，基本組件，用途等方面進行了簡單的介紹。經(jīng)過與其他型號器件的簡單對比，并且與本次設(shè)計想要實現(xiàn)的功能相結(jié)合，最終確定了發(fā)電機與電池板的選型，并且對該型號器件基本參數(shù)做了簡單介紹。蓄電池介紹3.1蓄電池的介紹蓄電池就是能夠?qū)⒆陨砘瘜W(xué)性質(zhì)和電能直接相互作用轉(zhuǎn)換的一種化學(xué)物質(zhì)，它能夠?qū)㈦娔芡ㄟ^一些化學(xué)反應(yīng)儲存起來，需要用電時再經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)釋放出電能。蓄電池已經(jīng)是目前世界上廣泛被采用的一種新型化學(xué)"電源",它主要具有工作電壓平穩(wěn)、安全可靠、價格低廉,適用適應(yīng)區(qū)域?qū)挕⒃牧县S富及化學(xué)資源節(jié)約回收容易再生和可利用率相比較高等六大特性,在世界上所有不同類蓄電池中其應(yīng)用最多、產(chǎn)量最大、使用區(qū)域范圍最廣[12]。3.2蓄電池工作原理蓄電池的工作原理主要可以從兩個方面敘述：1：放電過程：蓄電池向外界負(fù)載提供電能的過程叫做放電。蓄電池正負(fù)極連接外部電路由正極向負(fù)極輸送一定化學(xué)電能時，硫酸鉛的分子會與附著在電池內(nèi)部正、負(fù)極上的一些活性化學(xué)物質(zhì)分子發(fā)生放電化學(xué)反應(yīng),生成的硫酸化合物"硫酸鉛"在高頻放電反應(yīng)過程下其中的硫酸釋放持續(xù)時間相對較長,硫酸的分子濃度越稀薄,電池里的液態(tài)物質(zhì)越少,隨著電池兩端的硫酸釋放時間越長電壓也越低。2：充電過程：蓄電池從外界電源獲得電能的過程叫做充電。在正、負(fù)極板上的鉛和二氧化硫酸鉛部分可以被快速地加熱分解并通過還原而成為新的鉛和二氫氧化鉛等物質(zhì),同時在正極板產(chǎn)生中一定量的氧氣,負(fù)極板產(chǎn)生一定量的氫氣。隨著鉛池電解液中酸的成分含量逐漸得到減少,使得鉛酸電池兩端的充電高壓逐步提高。所以當(dāng)正、負(fù)極板上的每一個羥基硫酸鉛都被化學(xué)還原轉(zhuǎn)化為硫酸形成原來的活性化學(xué)物質(zhì),那么電池充電也就到此結(jié)束了。在充電時，在正、負(fù)極板上生成的氧氣和氫氣會通過化學(xué)反應(yīng)變成水回到電解液中[13]。在蓄電池向外界提供電能時，正、負(fù)極的活性物質(zhì)由化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化變成成硫酸鉛，硫酸鉛的結(jié)構(gòu)非常疏松，是一種擁有較高活性的細(xì)密結(jié)晶物。在蓄電池由外界獲得電能的過程中，正、負(fù)極上疏松細(xì)密的硫酸鉛,在負(fù)極受到大量外界氧化充電電流的強烈影響下,它們可能會重新被硫酸還原而成為溶于二氧化鉛和其他金屬中的硫酸鉛,蓄電池就又再次地繼續(xù)處于放電后充滿電能的工作狀態(tài)。也因為正是這種電池具有可逆轉(zhuǎn)變的惰性電化學(xué)反應(yīng),使得鉛酸蓄電池具備了快速儲存和釋放大量電能的使用功能3.3蓄電池選型本設(shè)計蓄電池的選型是TP4056一款全新的新型單節(jié)容量鋰離子動力電池。它是一款采用恒定電流/一個恒定電壓的線性充電器。它所采用的SOP8/MSOP8封裝帶有散熱功能且擁有較少的外部元件使得它能夠便攜式應(yīng)用。由于TP4056采用了內(nèi)部PMOSFET框架，加上了外部防靜電倒流填充的保護電路，所以它并沒有采用必須外部的電源隔離光電二極管。熱溫度反饋系統(tǒng)內(nèi)置可對每次充放電的芯片電流量溫度進行自動溫度調(diào)整,,以便于功率較大或者是在較高溫度環(huán)境下保證對芯片正常工作進行溫度控制。充電的內(nèi)部電壓一般來說應(yīng)該是固定于4.2v,而用于充電的外部電流則一般可以通過單個有源電阻器輸出來直接進行外部的電流設(shè)置。當(dāng)充電電流使電池電壓達到最終浮充電壓然后下降到設(shè)定值十分之一后，TP4056將主動結(jié)束本次充電循環(huán)。當(dāng)輸入電壓（交流適配器或USB電源）被拿掉時，TP4056自動進入一個低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2uA以下。TP4056在有電源時也可置于停機模式。TP4056的其他特點包括電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結(jié)束的LED狀態(tài)引腳。特點：（1）高達1000mA的可編程充電電流（2）不采用MOSFET、檢測電阻器和隔離二極管（3)用于單節(jié)鋰離子電池、采用兩個sop封閉組裝的新型線性自動充電器（4）可在恒定電流/恒定電壓下操作，在無過熱危險的情況下進行充電（5）快速和充電效率損耗最小化的根據(jù)加熱溫度調(diào)整充電功能（6）預(yù)設(shè)精度很高的4.2V充電電壓（7）適合用于鋰離子電池供電量的檢測充電電流的監(jiān)視器輸出（8）自動再充電（9）充電狀態(tài)不是單方面輸出、能夠?qū)⒐收蠣顟B(tài)顯示3.4本章小結(jié)本章對設(shè)計的蓄電池部分進行了簡單介紹，講述了蓄電池電壓平穩(wěn)，安全可靠等優(yōu)點，從充電原理和放電原理兩個部分對蓄電池的工作原理進行介紹。本次設(shè)計蓄電池的選型確定為TP4056，并對它方便攜帶，散熱性好，能對充電電流進行反饋調(diào)節(jié)等優(yōu)點做了介紹，并把它的特點進行了列寫總結(jié)。單片機介紹4.1單片機概述單片機就是我們泛指一個全新的、集成應(yīng)用到一塊處理芯片上的一種計算機操作系統(tǒng)。盡管他大部分工作處理集中在一塊小芯片上，但是它具有一個完整的集成計算機系統(tǒng)工作所必須功能需要的絕大部分主要零部件:cpu、內(nèi)存、內(nèi)部和外部的數(shù)據(jù)總線管理系統(tǒng),目前絕大部分還可以使用內(nèi)部數(shù)據(jù)外存。同時它還可以直接集成各種諸如通信接口、定時器,實時通信時鐘等各種外圍通信裝置。而現(xiàn)在最強大的數(shù)控單片機自動控制軟件系統(tǒng)甚至已經(jīng)能夠?qū)⒏鞣N聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的信號輸入和數(shù)據(jù)輸出等等控制軟件系統(tǒng)都直接集成在一塊控制芯片上[14]。單片機之所以叫"微控制器"(microcontroler),是因為其首先被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)化和自動化的微控制。單片機技術(shù)是從只有一個cpu的兩個芯片內(nèi)部專門的微處理器芯片演變而來。最早的研發(fā)理念是把大量外圍設(shè)備和CPU能實現(xiàn)的功能聚集在一個芯片中，使得整個計算機操作系統(tǒng)體積變得更小,較容易地直接集成應(yīng)用到一個復(fù)雜且對于要求很高的電腦控制器和裝置當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思路研發(fā)并推出的一種微型控制器，從此以后，單片機和其它專用處理器分成了兩個不同的方向發(fā)展。4.2單片機工作原理單片機工作原理是一種人工在線式實時控制計算機的工作方式。在線式就是現(xiàn)場監(jiān)測控制其工作，所具備的特點是具有較強的抗干擾能力，成本低廉，這也是和離線式計算機（比如家用PC）的不同之處[15]。

單片機本身就是一個微型計算機，它是通過程序指令工作的，并且程序可以被修改。通過不同的程序流程實現(xiàn)單片機擁有不同功能。4.3單片機的選型本設(shè)計單片機的選型為STC89C52單片機，STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機[15]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。圖4-STC89C52單片機引腳圖STC89C52具體介紹如下：主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線（2）外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端（3）控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。（4）可編程輸入/輸出引腳（32根）STC89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.74.4本章小結(jié)本章對單片機做了簡單介紹，將單片機與計算機進行一些對比，對單片機最早的應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)計理念作了介紹，還對單片機的工作原理簡單介紹，并和計算機的工作條件做了區(qū)別。單片機可以通過不同程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。本次設(shè)計單片機的選型是STC89C52單片機，并對STC89C52單片機的各個引腳和可編程的I/O口做了介紹，對它的了解提供了幫助。硬件電路設(shè)計5.1時鐘電路如圖5-1為仿真的時鐘電路，作用為單片機提供基本的時鐘信號，時鐘工作電路主要分為兩部分組成，一部分為晶體震蕩器，另一部分為電容。時鐘電路的主要功能是產(chǎn)生相應(yīng)的時間頻率，為程序運行工況提供時鐘，保證單片機工作的精確運行，任何一個微控制電路在系統(tǒng)中都需要相應(yīng)的時鐘電路,時鐘頻率越高,處理的速度也越快。但是晶振的頻率變化越大,對于系統(tǒng)的軟硬件性能要求也就越高,增加了造價和功耗[16]。

圖5-1時鐘電路5.2復(fù)位電路單片機的復(fù)位電路可以把它直接比作電腦的重啟電路，當(dāng)一臺電腦在運行的過程中會遇到一種死機的狀態(tài),那么這種狀態(tài)只要按下了重新啟動的按鍵,那么整個計算機程序也就會由此從頭再次開始執(zhí)行。單片機也一樣的,受到周圍環(huán)境的干擾而出現(xiàn)程序跑飛的情況時候,按下了復(fù)位鍵后的程序會自動地從頭到尾地開始執(zhí)行[17]。復(fù)位操作就是對單片機進行初始化。它的主要目標(biāo)和功能就是把一個PC初始值變成0000H,使得一臺單片機0000H單元起就可以執(zhí)行一個程序。除了自動進入系統(tǒng)的正常程序初始化之外,當(dāng)由于應(yīng)用程序在運行中發(fā)生錯誤或者操作失敗而導(dǎo)致系統(tǒng)陷入死鎖狀態(tài)時,為了擺脫這一困境,也必須按下復(fù)位鍵再次啟動。圖5-2復(fù)位電路5.3轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計由于單片機只能接收數(shù)字信號，所以需要轉(zhuǎn)換模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，本設(shè)計選擇的轉(zhuǎn)換芯片是ADC0832C，ADC0832芯片可以適應(yīng)大部分模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部的模擬電源參考輸入和模擬參考輸出電壓相互并聯(lián)復(fù)用,使得該設(shè)計芯片的內(nèi)部模擬參考電壓值和輸入輸出范圍從0~5V之間。芯片上轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時間只有32μS，外部設(shè)有基本的時鐘接收引腳，轉(zhuǎn)換允許引腳，轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC引腳以及輸入輸出引腳。操作簡單便于實現(xiàn)本設(shè)計設(shè)計要求。ADC0832的特點：有很高的分辨率，轉(zhuǎn)換效率高，輸入輸出電平兼容性好，工作頻率高，功耗小等圖5-3電壓采集電路5.4顯示電路的設(shè)計本設(shè)計顯示電路完成后，打開裝置開關(guān)，顯示屏上會顯示蓄電池的工作電壓。顯示電路連接在單片機的P0接口，主要實現(xiàn)是單片機采樣處理轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來的數(shù)字信號，用P0口輸出達到顯示的目的。根據(jù)本設(shè)計要求選擇LCD1602顯示。以下是LCD的主要技術(shù)特點：1.顯示容量:16×2個字符2.芯片工作電壓:4.5—5.5V3.工作電流:2.0mA(5.0V)4.模塊最佳工作電壓:5.0V5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mmLCD引腳功能說明表如下：表5-1LCD引腳功能圖5-4液晶顯示屏電路5.5本章小結(jié)本章對設(shè)計的各個組成電路進行了說明，從它們在整體電路中承擔(dān)的任務(wù)和主要功能做了介紹，同時還最電壓采集電路和液晶顯示屏電路的選型與設(shè)計做了介紹，電壓采集電路芯片的選型是ADC0832，液晶顯示屏選型是LCD7602，并對它們的特點和參數(shù)做了介紹。軟件程序設(shè)計6.1系統(tǒng)設(shè)計語言的選擇對單片機編寫程序的語言最常用的是匯編語言和C語言，C++也能對單片機編寫程序，但是只能運用于一些比較好的單片機。大學(xué)期間我們學(xué)習(xí)過的語言只有C語言和C++，匯編語言沒有接觸過，同時匯編語言對于不同的單片機匯編的差距較大，所以綜合來看，本系統(tǒng)設(shè)計語言最好的選擇是C語言。6.2軟件程序設(shè)計中的主要問題在確定了本設(shè)計將要運用C語言為軟件程序設(shè)計語言后，明確本次軟件程序需要解決的幾個主要問題，然后通過對C語言的學(xué)習(xí)來解決。本次設(shè)計主要的問題有兩個，一是電壓采集模塊采集電壓信號傳輸給單片機處理，我們知道單片機只能處理數(shù)字信號，硬件中我們通過ADC0832芯片實現(xiàn)，軟件程序設(shè)計中我們就需要結(jié)合ADC0832芯片的特點和功能來設(shè)計，在收集一次電壓數(shù)據(jù)后，要通過程序使時鐘電路發(fā)出一次時鐘脈沖保證電壓采集的精確。二是電壓信號轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號在經(jīng)過控制單元處理之后在液晶顯示屏中顯示出來，液晶顯示屏亮起后需要初始化，所以要設(shè)計一個初始化函數(shù)，其次要設(shè)計一個延時函數(shù)來讓采集來的電壓信號得到正確處理，因為電壓采集是本設(shè)計實時進行的，所以數(shù)據(jù)一直變化，所以要編寫延時函數(shù)。6.3系統(tǒng)設(shè)計思路本設(shè)計程序設(shè)計的主要思路是根據(jù)電路圖中各模塊之間的關(guān)系進行程序控制，達到我們所需要實現(xiàn)的機械動作，完成設(shè)計要求。需要注意的是本設(shè)計中太陽能和風(fēng)力發(fā)電機工作時狀態(tài)由一個LED燈顯示，所以程序中不贅述。啟動程序，首先要進行的是初始化，把一些變量變成初始值的引腳初始化，電壓采集清零初始化以及設(shè)定一個定時器的具體工作方式和初始值。初始化完成之后再重新對蓄電池的電壓進行采集，通過轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換在液晶顯示屏顯示電壓數(shù)值。圖6-1整體程序設(shè)計流程圖6.3.1LCD1602軟件程序設(shè)計在確定了整體軟件程序設(shè)計方案后，最重要的就是數(shù)據(jù)顯示模塊，經(jīng)過單片機初始化工作和電壓采集初始化重新采集之后，需要將電壓數(shù)據(jù)正常合理的在液晶顯示屏上顯示出來，下面是液晶顯示屏軟件程序設(shè)計流程圖。圖6-2液晶顯示程序設(shè)計流程圖6.4本章小結(jié)本章對整個設(shè)計軟件程序進行了說明，首先選擇C語言為設(shè)計語言，明確設(shè)計中需要解決的主要問題。在明確問題之后，設(shè)計出主程序流程圖，然后在對個別模塊進行子程序設(shè)計，例如顯示模塊，最終達到設(shè)計要求。仿真與調(diào)試在完成了各個部件的選型，硬件電路和軟件程序的設(shè)計之后，我們還需要將它們組合起來，經(jīng)過一些仿真和測試來確定我們設(shè)定的方案可行性，沒有經(jīng)過調(diào)試和仿真的方案是不牢靠的，缺乏說服力，不能真正投入應(yīng)用，這也是做實驗設(shè)計當(dāng)中不能確實的嚴(yán)謹(jǐn)性。在通過仿真和調(diào)試之后，從實際應(yīng)用的角度對仿真結(jié)果不斷完善，提高設(shè)計方案的可行性，應(yīng)用性。7.1系統(tǒng)仿真軟件的選擇單片機主要常用的仿真軟件有Multisim、Protues、Protel三種，本次設(shè)計仿真實驗選擇的是Protues進行仿真測試。Protues仿真是我們在大學(xué)課程中學(xué)習(xí)過的，它的優(yōu)點有仿真數(shù)字電路較好，可以清楚地看到電平的高低，在仿真過程中出現(xiàn)錯誤時，能夠及時驗證，同時各種儀器都能在Protues仿真中找到，比如信號發(fā)生器、示波器等。Protues還支持對程序原文件進行修改。7.2系統(tǒng)的仿真測試本次設(shè)計的仿真采用Protues仿真軟件，在仿真過程中出現(xiàn)的問題時，能夠及時的發(fā)現(xiàn)并且改正。如果源程序存在一定的錯誤，在仿真過程中也會及時顯現(xiàn)出來，同時在Protues中就能對源程序進行修改，非常的方便。下圖7-1是電路的仿真圖。圖7-1電路仿真圖7.3原理圖的繪制本次設(shè)計運用Altium.Designer對原理圖進行繪制。它的優(yōu)點主要有提供高級元件庫管理，電路分析功能強大，具有新的布線工具。在單片機的左側(cè)是基本的鐘電路和復(fù)位電路，時鐘電路可以來保證整個控制單元的精確運行，復(fù)位電路可以通過釋放高電平信號來使控制核心復(fù)位重新啟動。電源指示燈電路串聯(lián)電阻防止LED燈損壞，串口電路可以用來下載測試程序來使單片機實現(xiàn)新的功能，電壓采集電路可以對蓄電池電壓進行采集反饋給單片機處理，然后再通過液晶顯示屏電路在顯示屏上顯示。圖7-2電路原理圖7.4實物圖本次設(shè)計的實物圖展示如下：圖7-3實物圖在使用該裝置時，將太陽能電池板放在陽光下，就會看到充電指示燈亮起，同樣將風(fēng)力發(fā)電機用風(fēng)吹動或者手快速撥東風(fēng)力發(fā)電機的葉片，充電指示燈也會亮起，電池的實時電壓會在液晶顯示屏上顯示出來。太陽能和風(fēng)能通過太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能