畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的太陽能電池控制器的設(shè)計(jì)說明

1、基于單片機(jī)的太陽能電池控制器的設(shè)計(jì)?。兝砉る姎夤こ滔惦姎夤こ膛c其自動化專業(yè)07級2班， 723001）指導(dǎo)教師：康金輝摘要目前在全世界圍，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(jī)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，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(dú)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(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，在獨(dú)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(fù)載。其中控制器為整個發(fā)電系統(tǒng)的核心，由于獨(dú)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(jìn)

2、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)定性大大減少發(fā)電運(yùn)營成本。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就將對獨(dú)立式光伏發(fā)電中所要使用到的基于單片機(jī)的太陽能蓄電池的控制器進(jìn)行探討和研究。關(guān)鍵詞太陽能；單片機(jī)；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

3、paid more attention to among 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

4、battery and the DC load, while 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 s

5、teady and reduce the costs of system. This gradual design aimed at the study of the controller used in the stand-alone systems based on microcontroller.Keywords: solar energy; microcontroller; controlle目錄1序言12總體設(shè)計(jì)32.1硬件總體設(shè)計(jì)42.2程序總體設(shè)計(jì)43硬件設(shè)計(jì)93.1電壓采集電路93.1.1電壓采樣電路93.1.2ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片93.1.3 74LS373鎖存器113

6、.2單片機(jī)與其外圍電路123.2.1單片機(jī)功能引腳介紹123.2.2單片機(jī)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(jì)軟件184軟件設(shè)計(jì)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(jì)模塊244.2.1程序初始化模塊244.2.2定時(shí)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(jī)停止工作的按鍵輸入模塊264.2.7 軟件總體設(shè)計(jì)265系統(tǒng)調(diào)試31

7、5.1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(xiàn).36致.3835 / 401序言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)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(dāng)前人類面臨的迫切課題。太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(yùn)輸。它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)：1.無枯竭危險(xiǎn)；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

8、高；6.獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。正是由于以上特點(diǎn)，美國在經(jīng)歷上世紀(jì)80年代能源危機(jī)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(xiàng)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。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可分為兩種，一種是分布式發(fā)電系統(tǒng)，另一種是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，分布式發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于與電力網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)發(fā)電的規(guī)模較大光伏發(fā)電系統(tǒng)中；獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)則主要應(yīng)用于一些小型的負(fù)荷，比如城市路燈照明系統(tǒng)中，或者在一些偏遠(yuǎn)野外地區(qū)短期作業(yè)時(shí)使用。目前應(yīng)用最為廣泛的是獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其應(yīng)用方便，成本低廉，可操作性強(qiáng)，正在越來越多的被人們廣泛使用。獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有4部分組:太陽能電池板，控制

9、器，蓄電池和直流負(fù)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一樣，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，以與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(jī)對蓄電池的過充電和過放電的管理，可以延長蓄電池的壽命，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性價(jià)比，因此對于設(shè)計(jì)出這樣一種智能控制器就顯得很必要了。本次設(shè)計(jì)中將以ATMEL系列中的AT89S51單片機(jī)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(jìn)行采樣。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣數(shù)據(jù)

10、輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電，當(dāng)蓄電池電壓在14.4V+0.5時(shí)，太陽能電池停止對蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓在10.9V+0.5時(shí)，蓄電池停止對負(fù)載放電；負(fù)載電流檢測電路可進(jìn)行過流保護(hù)與負(fù)載功率檢測.。對于本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心在于，如何對硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，和單片機(jī)程序如何設(shè)計(jì)?，F(xiàn)行的硬件電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)匯編語言設(shè)計(jì)的主要工具為proteus和keil uVision2，proteus對數(shù)字電路的設(shè)計(jì)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(jìn)行編譯成功

11、后可產(chǎn)生能與proteus進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試的“HEX”文件。故在本次設(shè)計(jì)中采用proteus和keil這兩款軟件分別對軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。在接下來的各個章節(jié)中，我們就將對獨(dú)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(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行仿真。太陽能電池板直流負(fù)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(jī)圖1.2 本次設(shè)計(jì)中所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如下開 始初始化變量電壓采集Vbat14.5V停止充電YVbat12VN

12、浮充YVbat10.8VN快充Y停止放電N是否按鍵輸入NY結(jié)束圖2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，電池停止放電，而且當(dāng)有結(jié)束按鍵輸入時(shí)要結(jié)束整個程序，當(dāng)無啊、結(jié)束按鍵輸入時(shí)，程序轉(zhuǎn)而對蓄電池進(jìn)行快充10.8V Vbat12V時(shí)，對電池進(jìn)行快速充電 12VVbat14.5時(shí)，對電池進(jìn)行浮充 Vbat=14.5V時(shí)，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(jìn)入電壓檢測階段，進(jìn)而根據(jù)充電情況對充放電方案重新進(jìn)行選擇。由流程圖可以看出沒有對充放電進(jìn)行專門的設(shè)置，而是通過單片機(jī)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(jìn)

13、行管理的，當(dāng)電壓值大于14.5V時(shí)單片機(jī)發(fā)出信號，使得充放電電路停止充電，當(dāng)然此時(shí)可以放電回路，可以放電，也可以出斷開狀態(tài)； 當(dāng)電壓值小于10.8V時(shí)，首先要斷開放電回路，然后再通過一個外置于單片機(jī)的手動開關(guān)，若此時(shí)用戶想要控制器停止工作，則按下按鈕，此時(shí)單片機(jī)就會進(jìn)入停止工作狀態(tài)，若想讓單片機(jī)繼續(xù)進(jìn)行充放電工作狀態(tài)，則無需按下按鈕，系統(tǒng)會自動進(jìn)入快充狀態(tài)，之后后繼續(xù)進(jìn)入下一個電壓采集轉(zhuǎn)換，以與方案選擇的循環(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(jì)圖2.1 硬件總體設(shè)計(jì)圖2.2程序總體設(shè)計(jì) ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP EXTERN_INT

14、ORG 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(shí)計(jì)數(shù)器LCALL TIMER1_INTLOOP: MOV R0,#30H ;30H是A/D轉(zhuǎn)換的地址，將數(shù)據(jù)和幾個值進(jìn)行比較，確定方案 MOV

15、A,R0 SUBB A,#99H ;當(dāng)電壓很小的時(shí)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(shí)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(shí)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(dāng)電壓超出的時(shí)候，采用第4種方案，向引腳PWM發(fā)送占空比為0%的信號 LJMP PROCESS_04 CLEAR_FLAG: MOV R0,#40H ;清除方

16、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(shí)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個周期 CLR P2.4 ;將和PWM連接的管腳置低 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROC

17、ESS_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(dāng)方案改變標(biāo)志位到來的時(shí)候，清楚標(biāo)志并且重新進(jìn)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，選擇浮充 MOV R1,#01H MOV R0,#01H PROCESS_02_01: DJNZ R1,PROCE

18、SS_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(dāng)方案改變標(biāo)志位到來的時(shí)候，清除標(biāo)志并且重新進(jìn)行判斷 CJNE R1,#00H,CLEAR_FLAG SJMP PROCESS_02_NEXT PROCESS_03: MOV R1,#040H MOV R1,#03H ;選擇方案3

19、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_03_02 ;空跑16*256*2*7個周期 MOV R1,#041H ;當(dāng)方案改變標(biāo)志位到來的時(shí)候，清除標(biāo)

20、志并且重新進(jìn)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(shí)器T1為方式2 ORL TMOD,#10H MOV TMOD,#21H ;定時(shí)器T0工作在方式1 MOV PCON,#080H CLR TR1 ;禁止定時(shí)器T1 SETB EA SET

21、B ET1 SETB ET0 SETB PT0 ;定時(shí)器T0中斷優(yōu)于串口中斷 CLR TF1 MOV TL0,#00H MOV TH0,#01FH ;定時(shí)器T0中斷發(fā)生時(shí)間為62.5ms SETB TR0 ;使能定時(shí)器T0 CLR TF0 RET; ;- ; 進(jìn)入定時(shí)器中斷，每500ms設(shè)置1次標(biāo)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(shí)器TF0 CLR TR0 ;禁止定時(shí)器T0 MOV TL0,#00H MOV TH0,#01FH ;定時(shí)器T0中斷發(fā)生時(shí)間為6

22、CLR TF0 ;清除溢出中斷位 MOV R1,#042H INC R1 ;增加計(jì)數(shù)器的值，到8為止，這樣達(dá)到500ms CJNE R1,#08H,TIMER0_READY MOV R1,#00H ;清除計(jì)數(shù)器的值 MOV R1,#041H ;設(shè)置標(biāo)志位，每500ms重新選擇方案 MOV R1,#01H TIMER0_READY: SETB TR0 ;使能定時(shí)器T0 POP PSW ;程序狀態(tài)字出棧 POP ACC ;累加器出棧 RETI;-; 進(jìn)入外部中斷，每進(jìn)入一次讀取ADC的值;- EXTERN_INT: PUSH ACC ;累加器壓棧 PUSH PSW ;程序狀態(tài)字壓棧 MOV PSW

23、,#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(jì)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。由分壓公式得出采集的電壓為VR1R21/5電池充滿電時(shí)電壓大概為14.5V，計(jì)算出采集到的電壓為2.9VA/D轉(zhuǎn)換芯片

24、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(jìn)行采樣后，模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片輸入端所處理的電壓 圍縮小至03V，大大增強(qiáng)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(jī)沒有置的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(jī)。在本次設(shè)計(jì)中，我們采用ADC0809對采樣電壓進(jìn)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

25、符合要求的脈沖信號即可啟動該芯片進(jìn)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(jìn)行控制，對于本次設(shè)計(jì)，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芯片的部邏輯結(jié)構(gòu)與引腳圖（a）部邏輯圖 （b）引腳圖ADC0809輸入通道地址選擇表表3.1 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

26、11 1 01 1 1IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADC0809工作轉(zhuǎn)換時(shí)序 START ALE A.B.C INOE EOCDate D0D7 圖3.3 ADC0809工作時(shí)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個輸出端G為數(shù)據(jù)鎖存控制端：當(dāng)G為“1”時(shí)，鎖存器輸出端同輸入端；當(dāng)G由“1”變0時(shí)，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。為輸出允許端：當(dāng)為“0”時(shí)，三態(tài)門打開；當(dāng)為“1”時(shí)

27、，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。在51單片機(jī)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 A7A0P0.7P0.0 ALE 圖3.5 74LS373用作地址鎖存器3.2單片機(jī)與其外圍電路3.2.1單片機(jī)功能引腳介紹本設(shè)計(jì)使用51些列單片機(jī)，51系列單片機(jī)是8051系列的簡稱，是指MCS-51系列單片機(jī)和其他公司的8051派生品。MCS-51系列單片機(jī)最早是由intel公司推出的通用型單片機(jī)，MCS-51系列單片機(jī)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(jī)

28、型，分別與這三種機(jī)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有無ROM或EPROM 圖3.6 51單片機(jī)引腳圖51單片機(jī)引腳功能： MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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 P2.0P2.7 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

29、部擴(kuò)展存儲器時(shí),當(dāng)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(kuò)展存儲器時(shí),當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3、不擴(kuò)展時(shí),可做一般的I/O使用,但部無上拉電阻,作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。P0口有三個功能： 1、外部擴(kuò)展存儲器時(shí),當(dāng)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(kuò)展存儲器時(shí),當(dāng)作地址總線（如圖1中的A0A7為地址總線接口） 3、不擴(kuò)展時(shí),可做一般的I/O使用,但部無上拉電阻,作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。RST 復(fù)位信號：當(dāng)輸入的信號連續(xù)2個機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效,用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 XTAL1和XTAL

30、2 外接晶振引腳。當(dāng)使用芯片部時(shí)鐘時(shí),此二引腳用于外接石英晶體和微調(diào)電容;當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí),用于接外部時(shí)鐘脈沖信號。VCC：電源+5V輸入 VSS：GND接地。 3.2.2單片機(jī)外圍電路8051單片機(jī)單片機(jī)與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(jī)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 Field-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）。

31、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(jì)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(dāng)陰天或晚上蓄電池的電壓高于太陽能電池的電壓時(shí)，D1就生效。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時(shí)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

32、數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)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(jì)中采用IRF9540N P溝道MOSFET管，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth0，由下圖可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動。當(dāng)光耦U5導(dǎo)通時(shí)，由于Q1的G極電壓很小，G極近似接地，Vgs0，當(dāng)S極電壓達(dá)到一定值時(shí)，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

33、1432圖3.9 為本次設(shè)計(jì)中所使用的晶體管光耦合器件1腳：正極 2腳：負(fù)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(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機(jī)，自動售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等在1、2極之間加正向電壓，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(dāng)于開關(guān)斷開。由于單片機(jī)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(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小

34、電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中由圖2.7可知：入信號C1為低電平時(shí)，光耦部的發(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(dāng)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)C1為高電平時(shí)，光耦部的發(fā)光二極管發(fā)光，輸出端兩管腳間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”，此時(shí)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Vgs0，當(dāng)S極電壓達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。圖3.10 光耦開關(guān)電路3.3.3PWM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(jìn)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)

35、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(shí)，其效果基本一樣。沖量指窄脈沖的面積。效果基本一樣，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本一樣。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形狀不同而沖量一樣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(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升

36、段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全一樣。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)cabde(t)(a) (b)圖3.12 沖量一樣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(diǎn)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 tt圖3.13 用

37、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(jìn)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控制一樣，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，高電平保持的時(shí)間 與 該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間 之比如，一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占

38、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(dá)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(dá)到了1：65535，要達(dá)到這個分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計(jì)數(shù)從0計(jì)到80之后又從0開始計(jì)到80.，那么它的分辨率最小就是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(jì)數(shù)到80，之后又從0計(jì)數(shù)到80. 這個就是單斜率。假設(shè)一個PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后是從80計(jì)數(shù)到0. 這個就

39、是雙斜率?？梢姡p斜率的計(jì)數(shù)時(shí)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(jì)數(shù)是80，我們再設(shè)定一個比較值是10，那么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)(這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值80)，單片機(jī)就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個IO口在這個時(shí)候是輸出1還是輸出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(jì)軟件本次設(shè)計(jì)中我們用PROTEUS對設(shè)計(jì)中的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。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風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)）。

40、它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)與外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)與外圍器件的工具。雖然目前國推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)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(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)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

41、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(jì)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(shí)，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。 單片機(jī)在某一時(shí)刻只能處理一個任務(wù)，當(dāng)多個任務(wù)同時(shí)要求單片機(jī)處理時(shí)，這一要求應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？通過中斷可以實(shí)現(xiàn)多個任務(wù)的資源共享。 中斷現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)生活中也會經(jīng)常遇到，例如，你在看書手機(jī)響了你在書上作個記號你接通和對方聊天談話結(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(shí)刻，同時(shí)完成了看

42、書和打兩件事情。用計(jì)算機(jī)語言來描述，所謂的中斷就是，當(dāng) CPU 正在處理某項(xiàng)事務(wù)的時(shí)候，如果外界或者部發(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(jī)對中斷請求進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)中斷響應(yīng)完成后應(yīng)進(jìn)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(jī)構(gòu)圖

43、 （b）二級嵌套中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 MCS-51單片機(jī)的中斷源 MCS-51單片機(jī)的中斷源共有兩類，它們分別是：外部中斷和部中斷。 外部中斷源： 外部中斷0（）：來自P3.2 引腳，采集到低電平或者下降沿時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生中斷請求。. 部中斷源 ：定時(shí)器計(jì)數(shù)器0：定時(shí)功能時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自片；計(jì)數(shù)功能時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自片外P3.2引腳。發(fā)生溢出時(shí)，產(chǎn)生中斷請求；定時(shí)器計(jì)數(shù)器1：定時(shí)功能時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自片；計(jì)數(shù)功能時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來自片外引腳。發(fā)生溢出時(shí)，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(jī)完成接受或發(fā)送一組數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生中斷請

44、求。MCS-51單片機(jī)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(shí)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?？赏ㄟ^有關(guān)控制位的定義進(jìn)行規(guī)定。電平方式為低電平有效，只需在單片機(jī)的(INT0)和(INT1)中斷請求輸入端采樣到有效的低電平時(shí)，就會激活外部中斷。脈沖方式則在脈沖的后負(fù)跳沿有效，即在相鄰兩個機(jī)器周期對中斷請求引入端進(jìn)行采樣中，如前一次為高，后一次為低即

45、為有效中斷請求。這就要求在這種中斷方式，中斷請求信號的脈沖寬度必須大于一個機(jī)器周期，以保證電平變化能被單片機(jī)采樣到。定時(shí)器控制寄存器 (TCON)外中斷請求方式的控制位在定時(shí)控制寄存器TCON（地址為88H）中的位88(IT0)和位8A(IT1)兩個位，當(dāng)IT0(IT1)=0為電平方式，IT0(IT1)=1為脈沖方式。同時(shí)在此寄存器中的位89(IE0)和位8B(IE1)為外中斷請求標(biāo)志位，當(dāng)CPU采樣到INT0(INT1)端出現(xiàn)有效中斷請求時(shí)，此位由硬件置1。在中斷響應(yīng)完成后轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)時(shí)，再由硬件自動清0。表4.1 定時(shí)控制寄存器定時(shí)器控制寄存器（TCON）位地址8F8E8D8C8B8A8988位符號TF1TR1TF0TR0TE1IT1IE0IT0中斷允許控制寄存器 (IE)表4.2 中斷允許控制寄存器中斷允許控制寄存器（IE）位地址AFAEADACABAAA9A8位符號EA/ESET1EX1ET0EX0下面我們對有關(guān)控制位作說明：EA中