基于單片機的太陽能電池控制器的設(shè)計

1、陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計基于單片機的太陽能電池控制器的設(shè)計【摘要】目前在全世界范圍內(nèi)，由于能源的不可再生和人類的過度開采，全球化的能源危機已經(jīng)初現(xiàn)端倪，為此世界各國競相發(fā)展綠色能源，太陽能憑借其獨特的優(yōu)點，受到了一致的青睞，在太陽能的各種應(yīng)用中，光伏發(fā)電應(yīng)用倍受關(guān)注。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種：分布式發(fā)電系統(tǒng)和獨立式發(fā)電系統(tǒng)，然而現(xiàn)在光伏發(fā)電應(yīng)用的主流為獨立式發(fā)電系統(tǒng)，在獨立式發(fā)電系統(tǒng)中主要由四部分：太陽能電池板，控制器，,和直流負載。其中控制器為整個發(fā)電系統(tǒng)的核心，由于獨立式發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的充電放電比較頻繁故所以控制器要對蓄電池的充電放電進行管理，從而延長蓄電池壽命，減少系統(tǒng)的故障率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定

2、性大大減少發(fā)電運營成本。本次畢業(yè)設(shè)計就將對獨立式光伏發(fā)電中所要使用到的基于單片機的太陽能蓄電池的控制器進行探討和研究?！娟P(guān)鍵詞】太陽能；單片機；控制器Abstract: At present,while most countries all over the world are developing green and renewable energy，solar energy is accepted commonly because of its unusual advantagesPhotovoltaic(PV)systems are paid more attention to amon

3、g its various applicationsPV systems are mainly two: stand-alone distributed power systems and power generation systems, but stand-alone systems has been a trend in nowdays. Stand-alone distributed power systems has four mainly parts: the Solar panels, the controller, the battery and the DC load, wh

4、ile in the four parts, the controller is the most important one. The controller has to decide how and when to charge or discharge because of the high working frequency of the system，So the controller can extended the battery life，decrease the failure rate，make the system steady and reduce the costs

5、of system. This gradual design aimed at the study of the controller used in the stand-alone systems based on microcontroller.Key words: solar energy; microcontroller; controlle目錄1概述11.1題目要求11.2題目國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1 1.3題目設(shè)計目標級功能要求21.4 題目設(shè)計所需要的環(huán)境22總體設(shè)計32.1硬件總體設(shè)計42.2程序總體設(shè)計43硬件設(shè)計93.1電壓采集電路93.1.1電壓采樣電路93.1.2ADC0809

6、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片93.1.3 74LS373鎖存器113.2單片機及其外圍電路123.2.1單片機功能引腳介紹123.2.2單片機外圍電路133.3充放電電路143.3.1MOSFET143.3.2光耦合器件153.3.3PWM控制技術(shù)介紹163.4硬件設(shè)計軟件184軟件設(shè)計194.1中斷系統(tǒng)194.1.1中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)194.1.2中斷響應(yīng)224.1.3中斷響應(yīng)過程224.1.4中斷請求的撤銷234.2各設(shè)計模塊244.2.1程序初始化模塊244.2.2定時器中斷模塊244.2.3A/D轉(zhuǎn)換模塊254.2.4PWM脈沖寬度控制模塊254.2.5方案的選擇控制模塊264.2.6單片機停止工作的按鍵輸

7、入模塊264.3 軟件總體設(shè)計265系統(tǒng)調(diào)試315.1硬件電路調(diào)試315.2程序調(diào)試326其它器件介紹336.1太陽能電池336.2蓄電池336.2.1蓄電池分類336.2.2蓄電池容量336.2.3蓄電池能量效率356.2.4蓄電池循環(huán)壽命35參考文獻.36致謝.38V1概述1.1題目要求在全球能源形勢緊張，全球氣候變暖嚴重威脅經(jīng)濟發(fā)展的今天，世界各國都在尋取新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展及在日后的發(fā)展中獲得優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、可再生、安全等顯著等顯著優(yōu)勢成為當今關(guān)注的重點。尤其是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，在近些年來更是得到飛速的發(fā)展，時至今日光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)極其成熟，在光伏發(fā)電技術(shù)中主

8、要分為兩種:獨立式發(fā)電系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)。分布式發(fā)電系統(tǒng)則主要應(yīng)用于大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。獨立式發(fā)電系統(tǒng)主要面向小型用戶或者小型負載，獨立式發(fā)電系統(tǒng)以其應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強貝越來越多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有4部分組:太陽能電池板、制器、電池和直流負載。太陽能電池板和蓄電池的技術(shù)發(fā)展相對來說比較成熟，而對于控制器由于所適用的場合有所不同，其對性能的要求也就各不相同，就一般太陽能電池板蓄電池對于控制器的要求主要側(cè)重于對蓄電池充放電的管理，以及對夜間和白晝的充放電選擇，這樣才能更加合理的利用太陽能，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率最大化，另一方面通過單片機對蓄電池的過充電和過放電的管理，可以延

9、長蓄電池的壽命，從而進一步提升系統(tǒng)的性價比，因此對于設(shè)計出這樣一種智能控制器就顯得很必要了。1.2題目國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀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(zhì)量高；6.獲取能源花費的時間短。正是由于以上特點，美國在經(jīng)歷上世紀80年代能源危機后，就一直致力于開發(fā)太陽能發(fā)電技術(shù)，到現(xiàn)在為止該項技術(shù)在美國，德國，瑞士和日本等國的技術(shù)發(fā)展和推動下，已變得極為成熟。在我國國內(nèi)市場，已經(jīng)有很多對此類控制器開發(fā)

10、研制的技術(shù)廠商和科研院所，因此從某一方面來講，我國已完完全全進入太陽能全面發(fā)展的時代。太陽能電池板直流負載控制裝置蓄電池圖1.1 太陽能電池板給直流系統(tǒng)供電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖太陽能電池蓄電池充電控制光耦電路A/D轉(zhuǎn)換分壓電路采集電壓分壓電路采集電壓A/D轉(zhuǎn)換光耦電路放電控制51單片機圖1.2 本次設(shè)計中所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.3題目設(shè)計目標及功能要求在本次設(shè)計中抓藥要設(shè)計出一種智能型的太陽能電池控制器，對功能具體要求如下：1電池長時間發(fā)電，電壓較低時要停止放電。2蓄電池電壓高于其所能承受的電壓時，要停止對其充電。3通過電壓采樣檢測，對不同的蓄電池不同充電狀態(tài)，采用不同的充電方案。4對于整套充放電系

11、統(tǒng)要設(shè)置可手動關(guān)停的按鈕，以達到對系統(tǒng)更為智能的設(shè)計。5通過設(shè)置時間，從而根據(jù)光照情況對蓄電池進行自動的關(guān)停。6可對線路進行過流，短路保護本次設(shè)計中將以ATMEL系列中的AT89S51單片機為控制中心，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、電流進行采樣。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)輸入到單片機中進行處理。單片機輸出經(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，太陽能電池停止對蓄電池充電，當蓄電池電壓在10.9V+0.5時，蓄電池停止對負載放電；負載電流檢測電路可進行過流保護及負載功率檢測.。1.4題目設(shè)計所

12、需要的環(huán)境對于本次設(shè)計的關(guān)鍵核心在于，如何對硬件電路進行設(shè)計，和單片機程序如何設(shè)計?，F(xiàn)行的硬件電路設(shè)計和單片機匯編語言設(shè)計的主要工具為proteus和keil uVision2，proteus對數(shù)字電路的設(shè)計有著優(yōu)越的性能，它有著龐大的元件庫，而且元件庫中擁有大量的微處理器芯片，另一方面，keil對匯編語言進行編譯成功后可產(chǎn)生能與proteus進行聯(lián)機調(diào)試的“HEX”文件。故在本次設(shè)計中采用proteus和keil這兩款軟件分別對軟硬件進行設(shè)計和仿真。在接下來的各個章節(jié)中，我們就將對獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器部分，通過proteus和keil對其進行軟硬件的設(shè)計，并對其進行仿真。 2總體設(shè)計

13、系統(tǒng)設(shè)計的流程圖如下開 始初始化變量電壓采集Vbat14.5V停止充電 Y Vbat12V N浮充Y Vbat10.8V N快充Y 停止放電 N 是否按鍵輸入 N Y結(jié)束 圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計的流程圖由流程圖可知，對于 整個充放電過程主要分為以下4個階段： Vbat10.8V時，電池停止放電，而且當有結(jié)束按鍵輸入時要結(jié)束整個程序，當無啊、結(jié)束按鍵輸入時，程序轉(zhuǎn)而對蓄電池進行快充10.8V Vbat12V時，對電池進行快速充電 12VVbat14.5時，對電池進行浮充 Vbat=14.5V時，對電池停止充電執(zhí)行以上各階段程序后，程序要繼續(xù)進入電壓檢測階段，進而根據(jù)充電情況對充放電方案重新進行選擇。

14、由流程圖可以看出沒有對充放電進行專門的設(shè)置，而是通過單片機比較經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換過的采樣電壓的大小來對沖電或放電進行管理的，當電壓值大于14.5V時單片機發(fā)出信號，使得充放電電路停止充電，當然此時可以放電回路，可以放電，也可以出斷開狀態(tài)； 當電壓值小于10.8V時，首先要斷開放電回路，然后再通過一個外置于單片機的手動開關(guān)，若此時用戶想要控制器停止工作，則按下按鈕，此時單片機就會進入停止工作狀態(tài)，若想讓單片機繼續(xù)進行充放電工作狀態(tài)，則無需按下按鈕，系統(tǒng)會自動進入快充狀態(tài)，之后后繼續(xù)進入下一個電壓采集轉(zhuǎn)換，以及方案選擇的循環(huán)中，直至用戶需要停止系統(tǒng)工作按下按鈕。2.1硬件總體設(shè)計圖2.1 硬件總體設(shè)計

15、圖2.2程序總體設(shè)計 ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP EXTERN_INTORG 000BH LJMP TIMER0_INT START: MOV SP,#050H ;設(shè)置堆棧MOV R0,#030H ;設(shè)置A/D存儲單元初始地址MOV IE,#0FFH ;打開所有中斷MOV DPTR,#0FEF8H ;采集通道首地址，只使用一路A/D就可以MOV R0,#40H MOV R0,#00H ;清除方案選擇MOV R0,#40HMOV R0,#00H ;清楚方案選擇觸發(fā)位MOV R1,#042HMOV R0,#00H ;清除定時計數(shù)器LCALL TIMER1_IN

16、T LOOP: MOV R0,#30H ;30H是A/D轉(zhuǎn)換的地址，將數(shù)據(jù)和幾個值進行比較，確定方案 MOV A,R0 SUBB A,#99H ;當電壓很小的時候，采用第1種方案，想引腳PWM發(fā)送占空比為10%的信號 JC PROCESS_01 MOV A,R0 SUBB A,#0AAH JC PROCESS_02 ;很小的時候，采用第2種方案，想引腳PWM發(fā)送占空比為20%的信號 MOV A,R0 SUBB A,#0CDH JC PROCESS_03;電壓很小的時候，采用第3種方案，想引腳PWM發(fā)送占空比為50%的信號 MOV A,#04H ;當電壓超出的時候，采用第4種方案，向引腳PWM發(fā)

17、送占空比為0%的信號 LJMP PROCESS_04 CLEAR_FLAG: MOV R0,#40H ;清除方案選擇位 MOV R0,#00H MOV R0,#41H ;清除觸發(fā)位 MOV R0,#00H LJMP LOOPPROCESS_01: MOV R1,#040H; MOV R1,#01H; ;選擇方案1PROCESS_01_NEXT: CLR P2.4 ; ;將和PWM連接的管腳置低，此時停止充電 MOV R1,#01H; MOV R0,#01HPROCESS_01_01: DJNZ R1,PROCESS_01_01 DJNZ R0,PROCESS_01_01 ;空跑16*256*2

18、個周期 CLR P2.4 ;將和PWM連接的管腳置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_01_02: DJNZ R1,PROCESS_01_02 DJNZ R0,PROCESS_01_02 ;空跑16*256*2*9個周期 MOV R1,#041H ;當方案改變標志位到來的時候，清楚標志并且重新進行判斷 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_01_NEXT PROCESS_02: MOV R1,#040H MOV R1,#02H ;選擇方案2 PROCESS_02_NEXT: SETB P2.4 ;將和PWM連接的管腳置高，選擇

19、浮充 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_02_01: DJNZ R1,PROCESS_02_01 DJNZ R0,PROCESS_02_01 ;空跑16*256*2個周期 CLR P2.4 ; 將和PWM連接的管腳置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_02_02: DJNZ R1,PROCESS_02_02 DJNZ R0,PROCESS_02_02 ;空跑16*256*2*8個周期 MOV R1,#041H ;當方案改變標志位到來的時候，清除標志并且重新進行判斷 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCE

20、SS_02_NEXT PROCESS_03: MOV R1,#040H MOV R1,#03H ;選擇方案3 PROCESS_03_NEXT: SETB P2.4 ;將和PWM連接的管腳置高，選擇快充 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_03_01: DJNZ R1,PROCESS_03_01 DJNZ R0,PROCESS_03_01 ;空跑16*256*2*2個周期 CLR P2.4 ;將和PWM連接的管腳置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_03_02: DJNZ R1,PROCESS_03_02 DJNZ R0,PROCESS

21、_03_02 ;空跑16*256*2*7個周期 MOV R1,#041H ;當方案改變標志位到來的時候，清除標志并且重新進行判斷 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_03_NEXT PROCESS_04: CLR P2.4 ; 停止放電 CLR P2.1 MOV R1,#040H MOV R1,#04H ;選擇方案4 MOV R1,#041H CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_04 TIMER1_INT: ANL TMOD,#0FH ;設(shè)置定時器T1為方式2 ORL TMOD,#10H MOV TMOD,#21H ;

22、定時器T0工作在方式1 MOV PCON,#080H CLR TR1 ;禁止定時器T1 SETB EA SETB ET1 SETB ET0 SETB PT0 ;定時器T0中斷優(yōu)于串口中斷 CLR TF1 MOV TL0,#00H MOV TH0,#01FH ;定時器T0中斷發(fā)生時間為62.5ms SETB TR0 ;使能定時器T0 CLR TF0 RET; ;- ; 進入定時器中斷，每500ms設(shè)置1次標志位 ;- TIMER0_INT: PUSH ACC ;累加器入棧 PUSH PSW ;程序狀態(tài)字入棧 MOV PSW,#18H ;切換寄存器區(qū)域 CLR TF0 ;清除定時器TF0 CLR

23、TR0 ;禁止定時器T0 MOV TL0,#00H MOV TH0,#01FH ;定時器T0中斷發(fā)生時間為6 CLR TF0 ;清除溢出中斷位 MOV R1,#042H INC R1 ;增加計數(shù)器的值，到8為止，這樣達到500ms CJNE R1,#08H,TIMER0_READY MOV R1,#00H ;清除計數(shù)器的值 MOV R1,#041H ;設(shè)置標志位，每500ms重新選擇方案 MOV R1,#01H TIMER0_READY: SETB TR0 ;使能定時器T0 POP PSW ;程序狀態(tài)字出棧 POP ACC ;累加器出棧 RETI;-; 進入外部中斷，每進入一次讀取ADC的值;

24、- EXTERN_INT: PUSH ACC ;累加器壓棧 PUSH PSW ;程序狀態(tài)字壓棧 MOV PSW,#010H ;切換寄存器區(qū)域 MOV DPTR,#0FEF8H ;A/D轉(zhuǎn)換器首地址 MOVX A,DPTR ;讀入A/D的值 MOV R1,#030H ;存儲A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)的地址 MOV R1,A ;將A/D的值讀入該地址 POP PSW ;程序狀態(tài)字出棧 POP ACC ;累加器出棧 RETI END3硬件設(shè)計3.1電壓采集電路3.1.1電壓采樣電路如圖2.5所示，電壓采集電路使用兩個串聯(lián)的電阻，大小比例為4:1，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

25、式得出采集的電壓為VR1R21/5電池充滿電時電壓大概為14.5V，計算出采集到的電壓為2.9VA/D轉(zhuǎn)換芯片的ADC0809的值為94H圖3.1 電壓采集電路假設(shè)蓄電池電壓為U，則根據(jù)歐姆定律 R= 和串聯(lián)電路的分壓特性，可得 = .U=U=U通過采樣對蓄電池電壓進行采樣后，模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片輸入端所處理的電壓 范圍縮小至03V，大大增強了數(shù)模轉(zhuǎn)換的可行性3.1.2ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AT89S51單片機沒有內(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。在本次設(shè)計中，我們采用ADC0809對采樣電壓進行數(shù)模轉(zhuǎn)換， ADC0809為八位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有8路

26、模擬輸入通道和8位數(shù)字輸出通道，其工作頻率為640kHz(理論上1kHz)。該芯片采用脈沖啟動方式：只要給其控制端加一個符合要求的脈沖信號即可啟動該芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換（通常用和地址譯碼的輸出經(jīng)過一定的邏輯電路進行控制，對于本次設(shè)計，只需把符合要求的電平加到啟動控制端即可可是轉(zhuǎn)換）。ADC0809芯片內(nèi)部邏輯與引腳圖8路模擬開關(guān)三態(tài)鎖存緩沖器A/D轉(zhuǎn)換 IN7 . . . . DB7 IN0 . .地址鎖存與譯碼. ADDA . ADDB. ADDCDB6 ALE (a) （b）圖3.2 ADC0809芯片的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)與引腳圖（a）內(nèi)部邏輯圖 （b）引腳圖ADC0809輸入通道地址選擇表表3.1

27、 ADC0809輸入通道地址選通表ADDC ADDB ADDA選通的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ADC0809工作轉(zhuǎn)換時序 START ALE A.B.C INOE EOCDate D0D7 圖3.3 ADC0809工作時序圖3.1.3 74LS373鎖存器 74LS373是一種帶輸出三態(tài)門的8D鎖存器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示 8D鎖存器 三態(tài)門IN1IN8OUT1OUT81D 1Q. . . .8D 8QG 圖3.4 74LS373結(jié)構(gòu)示意圖1D8D為8個輸入端1Q8Q為8個輸

28、出端G為數(shù)據(jù)鎖存控制端：當G為“1”時，鎖存器輸出端同輸入端；當G由“1”變0時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。為輸出允許端：當為“0”時，三態(tài)門打開；當為“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。在51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373做為地址鎖存器使用，其連接方法如下圖所示。1D 1Q . . . .8D . 8Q74LS373G A7A0 P0.7P0.0 ALE 圖3.5 74LS373用作地址鎖存器3.2單片機及其外圍電路3.2.1單片機功能引腳介紹本設(shè)計使用51些列單片機，51系列單片機是8051系列的簡稱，是指MCS-51系列單片機和其他公司的8051派生品。MCS-51系列單片機最早是由int

29、el公司推出的通用型單片機，MCS-51系列單片機產(chǎn)品可分為兩大系列：51子系列和52子系列。51子系列的基本產(chǎn)品是8031，,8051和87c51三種機型，分別與這三種機型兼容的低功耗CMOS器件產(chǎn)品是80C31,80C51和87C51。它們的指令系統(tǒng)和芯片引腳完全兼容，它們之間的差別僅在于片內(nèi)有無ROM或EPROM 圖3.6 51單片機引腳圖51單片機引腳功能： MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片,引腳分布請參照-單片機引腳圖： l P0.0P0.7 P0口8位雙向口線（在引腳的3932號端子）。 l P1.0P1.7 P1口8位雙向口線（在引腳的18號端子）。 l P2.

30、0P2.7 P2口8位雙向口線（在引腳的2128號端子）。 l P3.0P3.7 P2口8位雙向口線（在引腳的1017號端子）。 P0口有三個功能： 1、外部擴展存儲器時,當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） 2、外部擴展存儲器時,當作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3、不擴展時,可做一般的I/O使用,但內(nèi)部無上拉電阻,作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。P0口有三個功能： 1、外部擴展存儲器時,當做數(shù)據(jù)總線（如圖1中的D0D7為數(shù)據(jù)總線接口） 2、外部擴展存儲器時,當作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3、不擴展時,可做一般的I/O使用,但內(nèi)部無上拉電阻

31、,作為輸入或輸出時應(yīng)在外部接上拉電阻。RST 復(fù)位信號：當輸入的信號連續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效,用以完成單片機的復(fù)位初始化操作。 XTAL1和XTAL2 外接晶振引腳。當使用芯片內(nèi)部時鐘時,此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容;當使用外部時鐘時,用于接外部時鐘脈沖信號。VCC：電源+5V輸入 VSS：GND接地。 3.2.2單片機外圍電路8051單片機單片機及其外圍電路包括上電復(fù)位電路，晶振如圖11所示， 圖3.7 單片機外圍電路圖3.3充放電電路3.3.1MOSFETMOSFET為金屬氧化層體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Fi

32、eld-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。對于這一部分的設(shè)計由充二極管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(guān)閉合跟

33、斷開的時間（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)計中采用IRF9540N P溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth<0，由下圖可以實現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動。當光耦U5導(dǎo)通時，由于Q1的G極電壓很小，G極近似接地，Vgs<0，當S極電壓達到一定值時，Q1導(dǎo)通。Q2的原理類似。電路如圖3圖3.8 充放電電路3.3.2光耦合器件光耦合器件是由發(fā)光二極管（發(fā)光源）與受光

34、源（如光敏二極管，光敏晶閘管或光敏集成電路等）封裝在一起，構(gòu)成的電光電轉(zhuǎn)化器件。根據(jù)受光源結(jié)構(gòu)的不同，可以將光耦合器件分為晶體管輸出的光電耦合器件和晶閘管輸出的光電耦合器件兩大類 14 32 圖3.9 為本次設(shè)計中所使用的晶體管光耦合器件1腳：正極 2腳：負極 3腳：發(fā)射極 4腳：集電極TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風扇，加熱器等在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

35、間的電阻很大，相當于開關(guān)斷開。由于單片機輸出只有5V不足于驅(qū)動MOSFET管，因此驅(qū)動MOSFET管的電壓從U3出接出。電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計。在本次設(shè)計中由圖2.7可知：入信號C1為低電平時，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，相當于開關(guān)“斷開”；當C1為高電平時，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，相當于開關(guān)“接通”，此時從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S極電壓達到一定值時，Q1導(dǎo)通。圖3.10 光耦開關(guān)電路3.3.3PWM

36、控制技術(shù)介紹PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 理論基礎(chǔ)： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 (t) (t) (t) (t) (t) 0 t t t t(a) (b) (c) (d)圖3.11形狀

37、不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理： 分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 i(t) i(t)cabd e(t)(a) (b)圖3.12 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成

38、N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。 0 t t圖3.13 用PWM原理圖PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM電流波： 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。 PWM波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出的PWM中

39、，高電平保持的時間 與 該PWM的時鐘周期的時間 之比如，一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。分辨率也就是占空比最小能達到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)， 16位的的PWM理論就是1：65535(單斜率)。頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達到了1：65535，要達到這個分辨率，T/C就必須從0計數(shù)到65535才能達到，如果計數(shù)從0計到80之后又從0開始計到80.，那么它的分辨率最小

40、就是1：80了，但是，它也快了，也就是說PWM的輸出頻率高了。雙斜率 / 單斜率假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后又從0計數(shù)到80.   這個就是單斜率。假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后是從80計數(shù)到0.   這個就是雙斜率。可見，雙斜率的計數(shù)時間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80) 1：160，就是提高了一倍。假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計數(shù)是80，我們再設(shè)定一個比較值是10，那么T/C從0計數(shù)到10時(這時計數(shù)器還是一直往上計數(shù)，直到計數(shù)到設(shè)定值80)，單片機就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個IO口在這個時候是輸出1還

41、是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。3.4硬件設(shè)計軟件本次設(shè)計中我們用PROTEUS對設(shè)計中的硬件電路進行設(shè)計。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PC

42、B設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器4軟件設(shè)計4.1中斷系統(tǒng)4.1.1中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在CPU 與外設(shè)交換信息時，存在著一個快速的 CPU 與慢速的外設(shè)之間的矛盾。為解決這個問題，發(fā)展了中斷的概念。     單

43、片機在某一時刻只能處理一個任務(wù)，當多個任務(wù)同時要求單片機處理時，這一要求應(yīng)該怎么實現(xiàn)呢？通過中斷可以實現(xiàn)多個任務(wù)的資源共享。     中斷現(xiàn)象在現(xiàn)實生活中也會經(jīng)常遇到，例如，你在看書手機響了你在書上作個記號你接通電話和對方聊天談話結(jié)束從書上的記號處繼續(xù)看書。這就是一個中斷過程。通過中斷，你一個人在特定的時刻，同時完成了看書和打電話兩件事情。用計算機語言來描述，所謂的中斷就是，當 CPU 正在處理某項事務(wù)的時候，如果外界或者內(nèi)部發(fā)生了緊急事件，要求 CPU 暫停正在處理工作而去處理這個緊急事件，待處理完后，再回到原來中斷的地方，繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序，這個過程稱作

44、中斷。 從中斷的定義我們可以看到中斷應(yīng)具備中斷源、中斷響應(yīng)、中斷返回這樣三個要素。中斷源發(fā)出中斷請求，單片機對中斷請求進行響應(yīng)，當中斷響應(yīng)完成后應(yīng)進行中斷返回，返回被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。 主 程 主 中斷 中斷 序 程中 序 中斷源 斷 中斷源響 主 應(yīng) 主 程 程 序 序 （a） （b） 圖4.1 中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （a）一級中斷系統(tǒng)機構(gòu)圖 （b）二級嵌套中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 MCS-51單片機的中斷源          MCS-51單片機的中斷源共有兩類，它們分別是：外部中斷和內(nèi)部中斷。 外部

45、中斷源： 外部中斷0（ ）：來自P3.2 引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求； 外部中斷1（ ）：來自P3.3引腳，采集到低電平或者下降沿時，產(chǎn)生中斷請求。. 內(nèi)部中斷源 ：定時器計數(shù)器0：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外P3.2引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求；定時器計數(shù)器1：定時功能時，計數(shù)脈沖來自片內(nèi)；計數(shù)功能時，計數(shù)脈沖來自片外 引腳。發(fā)生溢出時，產(chǎn)生中斷請求。串行口：為完成串行數(shù)據(jù)傳送而設(shè)置。單片機完成接受或發(fā)送一組數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷請求。MCS-51單片機有多個中斷源，以8051為例，有5個中斷源，兩個外中斷、兩個定時中斷和一個串行中斷，這一節(jié)我們討論外中斷軟件編程。    外中斷是由外部原因引起的中斷，有兩個中斷源。即外中斷0（INT0）和外中斷1（INT1），中斷請求信號由引腳P3.2(INT0)和P3.3(INT1）輸入。    外中斷請求信號有兩種方式，一是電平方式，二是脈沖方式。可通過有關(guān)控制位的定義進行規(guī)