太陽能供電系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計說明書

1、蘭州理工大學電氣工程及其自動專業(yè)畢業(yè)設(shè)計基于單片機的軍用單兵太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計電氣三班曾雄摘要本文是采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為單兵作戰(zhàn)裝置電源的設(shè)計，主要針對光伏發(fā)電的MPPT技術(shù)和鋰離子電池充電控制技術(shù)的設(shè)計與實現(xiàn)。闡述了軍用單兵太陽能供電系統(tǒng)原理、構(gòu)成以及相關(guān)算法。整個系統(tǒng)采用PIC16F877單片機作為系統(tǒng)的控制核心。薄膜太陽能電池板作為光電轉(zhuǎn)換元件為系統(tǒng)提供電源，它可以方便的織入帳篷和士兵的軍服，從而有效的解決便攜性問題。太陽能電池板的MPPT采用輸出功率比較法（電壓擾動法）。電壓擾動法的原則是電壓的變化始終向太陽能輸出功率變大的方向改變。鋰離子電池充電控制電路通過PIC16F877的

2、CCP模塊輸出PWM波控制BUCK電路實現(xiàn)。鋰離子電池充電采用三階段充電技術(shù)實現(xiàn)，三階段充電過程符合太陽能發(fā)電系統(tǒng)的快速充電要求，又符合蓄電池的充電要求。太陽能電池的輸出電壓、電流和鋰離子電池的充電電壓、電流由霍爾電壓電流傳感器檢測并由單片機采集得到。系統(tǒng)輸出電壓通過LED數(shù)碼管顯示。關(guān)鍵字： MPPT； PWM；單片機IAbstractThis paper is the design of solar photovoltaic power generation system as the power of individual combat equipment ,mainly for Des

3、ign and Implementation of MPPT of photovoltaic power generation technology and lithium-ion battery charging control technology. Elaborated Military-man principle of the solar power system, the composition and algorithm.The entire system uses a PIC16F877 microcontroller as the core control. Thin film

4、 solar panels to provide power for the system as a photoelectric conversion component, it can be easily woven into tents and uniforms of soldiers, in order to effectively solve the problem of portability. The solar panel MPPT output power of comparative law (voltage perturbation method). The princip

5、les of the voltage perturbation method is the voltage change is always big change of direction change to the solar output power. The lithium-ion battery charge control circuit by achieved of PIC16F877 CCP module output PWM wave control BUCK circuit. The lithium-ion battery charging used three-stage

6、charging technology, three-stage charging process in line with fast charging of the solar power system, but also with the battery charging requirements. The solar cell output voltage, current, and lithium-ion battery charging voltage, current, Hall voltage and current sensors to detect by the microc

7、ontroller collection . The system output voltage via the LED digital display.Key words: MPPT；Lithium ion battery；PWM；Microcontroller目錄第一章 緒論11.1 畢業(yè)設(shè)計選題背景11.2 選題的意義31.3 設(shè)計的主要內(nèi)容和技術(shù)指標3（一）主要內(nèi)容4（二）技術(shù)指標4第二章 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計52.1 設(shè)計思想52.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計52.3 主電路方案設(shè)計62.4 控制電路方案設(shè)計7第三章 主電路設(shè)計83.1 太陽能電池板MPPT控制83.1.1 MPPT控制

8、原理83.1.2 MPPT控制數(shù)據(jù)采集電路103.1.3 MPPT控制電路及參數(shù)計算123.2 MOSFET吸收電路143.3 蓄電池放電電路及參數(shù)計算153.4 USB電源輸出電路163.5 備用蓄電池充電電路173.6 傳感器電源電路18第四章 控制電路設(shè)計214.1 PIC16F877最小系統(tǒng)214.2 MOSFET驅(qū)動電路224.3 溫度檢測254.4 數(shù)據(jù)存儲電路264.5 繼電器驅(qū)動電路284.6 LED顯示電路29第五章 軟件設(shè)計305.1 主程序設(shè)計305.2 ADC模塊程序設(shè)計315.3 PWM模塊程序設(shè)計325.4 MPPT程序設(shè)計355.5 鋰離子電池充電程序設(shè)計355.

9、6 負載供電程序設(shè)計375.7 顯示程序設(shè)計38第六章 總結(jié)40參考文獻41致謝42附錄 143附錄 244附錄345附錄 446III第一章 緒論第一章 緒論1.1 畢業(yè)設(shè)計選題背景士兵是軍隊的最小組成單位，也是部隊戰(zhàn)斗力輸出的最基本的單元。在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭中，盡管各種高技術(shù)武器平臺、先進的軍用技術(shù)裝備異軍突起，但是單兵仍然在戰(zhàn)爭中起著至關(guān)重要的作用。作為一切裝備的必須，電源裝備的各種性能對單兵系統(tǒng)整體性能的發(fā)揮有著決定性的影響。 隨著信息技術(shù)的廣泛應用，士兵攜帶的信息裝備越來越多，以美軍“陸地勇士”系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由5個分系統(tǒng)組成：綜合頭盔分系統(tǒng)、武器分系統(tǒng)、士兵計算機電臺分系統(tǒng)、防護服和

10、單兵裝備分系統(tǒng)。從衛(wèi)星電話到筆記本電腦，從GPS接收儀到激光測距儀，這些裝備都靠電來工作，電池已成為士兵僅次于食物的第二補給。據(jù)美國陸軍統(tǒng)計，有些士兵的負重，電池已占到1/3。美軍士兵現(xiàn)有裝備平均每小時消耗20瓦電，目前性能最好的BA5590電池最多能用7.5小時，使用一天就得更換3個電池包。其標準作戰(zhàn)行動一般為72小時，因此士兵必須攜帶9個電池包參加作戰(zhàn)。為了減輕裝備重量，士兵不得不減少隨身攜帶的食品和水。據(jù)英國軍方統(tǒng)計，英國士兵執(zhí)行一次6小時巡邏，負重約75公斤，其中約10公斤是電池。目前，美軍和英軍常用的鋰電池含有毒化學物質(zhì)，而且污染環(huán)境。如果在火焰或極端天氣條件下，這些電池還可能發(fā)生爆

11、炸，危及士兵安全。美軍曾試過燃料電池等，但效果不夠理想。例如美軍研制的燃料電池，尺寸與小型電池BA5590差不多。雖然其輸出電流量增加了1倍，但需要添加和更換燃料，環(huán)境適應性比較低，為士兵減負的效果并不明顯。據(jù)英國媒體近日報道，英國利茲大學等機構(gòu)的研究人員正在研發(fā)一種能將動能轉(zhuǎn)換為電力的單兵裝備。如果研究成功，將可為每個士兵減少約10公斤的電池負重。這則消息引起了美軍極大的興趣，因為同樣的問題也困擾了他們很久。駐伊美軍士兵雖享有夜視鏡、GPS等先進電子裝備帶來的好處，代價卻也不小，那就是得帶著30磅的電池一整天走在沙漠里，的確讓人吃不消。此外，美軍在伊拉克地區(qū)鋪設(shè)了大量傳感器，用于收集出入作戰(zhàn)

12、地區(qū)大樓的人數(shù)等。曾有士兵因前去更換這些傳感器的電池而喪命。因此，美軍前線人員要求使用新型高容量電池的呼聲非常強烈。美軍上校軍官拜爾德說：“電池雖不像武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)那樣受人矚目，但它影響著軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。很多任務，是由士兵所攜帶電池的容量決定的?！睋?jù)美國?？怂剐侣劸W(wǎng)報道，一家與美國國防部簽約的機器人公司正在研發(fā)一種蒸汽驅(qū)動機器人，它可以靠動物的尸體攝取能量，聽起來可真是19世紀的機械動力學、21世紀的科技，再加上一部20世紀恐怖片的組合！這種正在研發(fā)的新型機器人，被稱為“強動力自動戰(zhàn)術(shù)機器人”（簡稱EATR）。據(jù)研發(fā)公司介紹，它可以發(fā)現(xiàn)周圍的有機生物能量源，將其消化從中獲取能量，還能使用汽

13、油、食用油等作為燃料。EATR通過一個燃燒室，燃燒獲取的動植物身體來產(chǎn)生電能。這種機器人的優(yōu)勢在于可以靈活選取能量源，且效率很高，填充一次就可行進數(shù)月甚至數(shù)年。研發(fā)公司稱，這項技術(shù)一旦用于單兵電源，前景十分令人期待。也就是說，利用這種裝備，士兵可以將行走和運動產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能加以利用，這聽起來有點不可思議，卻很符合當今環(huán)保理念。利茲大學的這項研究是英國“無電池士兵”計劃的一部分。這一裝備的初步設(shè)計，包括在士兵背部和膝蓋等處設(shè)置特殊皮帶，在其行動過程中獲得能量，并為士兵的劇烈動作提供緩沖。參與研究的利茲大學教授安德魯貝爾稱，這套裝備將考慮士兵的運動特點，不會增加他們的負擔。他還表示，相關(guān)技術(shù)

14、也可用于民用，以減少電池使用保護環(huán)境。如果這項研究取得成功，無疑將掀起一場單兵電源革命。大衛(wèi)哈德菲爾德是英國國防裝備及支援組織的成員，他在2009年士兵技術(shù)會議上指出，盡管目前個別士兵的載荷達到70千克或者更大，軍方計劃將每個士兵攜行裝備的質(zhì)量減到25千克，也就是士兵體重的1/3左右。哈德菲爾德稱，“這將需要所有裝備和技術(shù)都有大幅度改進”。他指出，當前的軍用電池不僅質(zhì)量過大，種類繁多，并且可靠性、維修性都很差，同時還需要專門定做充電器。盡管部隊在節(jié)儉方面已做了最大努力，但大量充電電池還是在深度放電之后被丟棄。英國部隊已經(jīng)不得不考慮在無線電上更加廣泛的使用干電池。畢竟一次性干電池不用考慮充電器的

15、問題，而且新型干電池也比原有干電池提升20%的電池容量。一些高功率巡邏用電子裝備需要相匹配的大型專業(yè)電池也已經(jīng)有了新的發(fā)展。如1998年，一個質(zhì)量為2.9千克、電容量為6Ah的電池比能量為50Wh/kg，而2006年一個質(zhì)量為3.58kg，電容量為19Ah的電池能量比為136Wh/kg。雖然付出了電池質(zhì)量增加的代價，由2.9kg增加到3.5kg，但電能及電容量都有了飛躍式的發(fā)展。目前生產(chǎn)的電池容量為23Ah，質(zhì)量為3.7kg，比能量160Wh/kg，而2012年渴望達到4kg電池提供30Ah電容量，比能量160Wh/kg的目標。澳大利亞也有一個發(fā)展計劃，是把未來士兵的能源設(shè)備設(shè)計成靠身體震動產(chǎn)

16、生電力的背心，澳大利亞科研組織計劃為該項目投資440萬美金。負責研究工作的科學家Adam Best博士稱，這種科技將整合到衣服中，由3個核心部件組成：高級傳導纖維作為電池的一部分，一個震動能量收集器和一個整流器/能量管理系統(tǒng)來驅(qū)動電子設(shè)備。“這種技術(shù)對戰(zhàn)場上的士兵來說意義重大，他們不需攜帶笨重的電池”， Adam Best博士說，“他們將穿著它，而不是帶著它?！边@種動能轉(zhuǎn)化電源系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時還能造福士兵。因為按照能量守恒原理，當運動熱能轉(zhuǎn)化成電能時，將帶走多余熱量，使士兵可以在炎熱的天氣下保持涼爽。國內(nèi)有關(guān)單兵作戰(zhàn)裝備的供電仍然以傳統(tǒng)的一次性電池或鋰電池為主，一次性電池由于容量有限，持續(xù)供電能力較

17、差。同樣，鋰電池含有毒化學物質(zhì)，而且污染環(huán)境。如果在火焰或極端天氣條件下，這些電池還可能發(fā)生爆炸，危及士兵安全。隨著士兵裝備電子化進程的加快，帶夜視儀的頭盔、實時顯示戰(zhàn)友位置的PDA等電子裝備的應用越來越多。一方面要裝備越來越多的高科技裝備，另一方面士兵的負重快達到極限，因此急需對士兵的“大累贅”電源（供電系統(tǒng)）進行改革。基于上述分析我們提出采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為單兵作戰(zhàn)裝置供電電源的方案。1.2 選題的意義本文對單兵太陽能供電系統(tǒng)進行研究與實現(xiàn)，具有很大的意義。單兵電源所應采用的能源技術(shù)，目前除了一次性電池和鋰電池外，小型燃料電池技術(shù)尚不完善，在單兵的應用中基本不可行，電化學電容由于容量

18、太小，單獨作為單兵電源也是不實際的。其他如超微型燃燒機、微型燃氣輪機、核能發(fā)電技術(shù)的便攜式版本在近期由于重量、噪聲、體積和技術(shù)等原因尚無法成型，因此就目前來講作為單兵電源也是不實際的。而太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，薄膜太陽能電池板的柔韌性可以使它方便的值入士兵的軍服。本文所闡述的軍用單兵太陽能供電系統(tǒng)使用方便，重量輕、無需外部電源供電，不僅能對5V的用電設(shè)備進行USB供電，還可以輸出可調(diào)的5V-19V電壓，可以對筆記本電腦和大多數(shù)的移動設(shè)備供電。通過實驗如能驗證此方案的可行性，將為我國單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的供電電源提供一種可選的、也是比較理想和環(huán)保的替代方案，具有良好的推廣與應用前景。1.3 設(shè)計的

19、主要內(nèi)容和技術(shù)指標設(shè)計出單兵太陽能供電系統(tǒng)的主電路和控制電路以及源程序的代碼編寫。（一）主要內(nèi)容 （1）太陽能電池板的MPPT控制 （2）鋰離子電池的充電控制 （3）鋰離子電池的放電保護 （4）主電路參數(shù)計算與器件選型 （5）控制電路源程序代碼的編寫（二）技術(shù)指標（1）給電源充電：可以選擇太陽能或交流充電器對電源進行充電，將充電器端子插入IN的端口上，交流充電器充電5小時，15W太陽能電池板，充電6-8小時（根據(jù)太陽能板功率不同充電時間不同）。內(nèi)部帶有防過充過放保護系統(tǒng)，充滿后系統(tǒng)自動切斷充電電源。（2）給手機和數(shù)碼產(chǎn)品等充電：電源上安裝有USB的5V輸出端口，適用于單節(jié)鋰電池的移動設(shè)備或者數(shù)

20、碼產(chǎn)品，如手機，數(shù)碼相機，MP3/4，PSP等等，連接后即可自行充電，簡單易用。（3）給筆記本電腦供電：選擇和您要使用的筆記本一致的電壓，16/19V（通過側(cè)面手撥動開關(guān)進行調(diào)節(jié)），連接筆記本電腦輸出的電源線，其中一頭插入OUT16v或者19V的端口，另外一端從9個筆記本的接頭中選擇其中一個和您筆記本電腦端口匹配的，連接電腦，即可使用。使用一小時后建議您的筆記本電腦安裝上原來的鋰電池，以免UPS電源電量用完突然斷電造成電腦內(nèi)容數(shù)據(jù)丟失。此款不帶電量提示功能。14寸左右筆記本電腦可以使用2個小時左右。57第二章 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計第二章 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計2.1 設(shè)計思想本設(shè)計分為兩

21、部分電路即主電路和控制電路。主電路部分為太陽能電池板硬件電路和鋰離子電池充電電路以及系統(tǒng)輸出電路。控制電路部分為太陽能電池板MPPT控制、鋰離子電池的充放電控制、輸出電壓等信息的顯示等?？刂齐娐泛椭麟娐吠ㄟ^排線相連以達到隔離的目的。2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計鋰離子電池充電電源可以選擇薄膜太陽能電池板或者外部220V交流電源。薄膜太陽能電池板的輸出通過BUCK電路連接到鋰離子電池，鋰離子電池輸出通過升降壓變換器作為系統(tǒng)的輸出。太陽能電池板的輸出電壓、電流通過霍爾電壓/電流傳感器檢測得到。采用PIC16F877單片機作為系統(tǒng)的控制核心，霍爾傳感器采集的信號可以直接被單片機采集而無需AD轉(zhuǎn)換芯片，2路

22、PWM輸出可以通過MOSFET驅(qū)動芯片IR2117驅(qū)動BUCK電路和升降壓電路中的開關(guān)器件。系統(tǒng)輸出電壓通過LED數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2.1 單兵太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3 主電路方案設(shè)計太陽能電池板選擇17.5V、15W薄膜太陽能電池板，蓄電池選用12V、8000MAH鋰離子電池。故選用降壓斬波電路通過控制占空比實現(xiàn)對鋰離子電池的充電控制和太陽能電池板的MPPT控制。降壓型（Buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。輸入電壓Uin是未經(jīng)穩(wěn)壓直流電壓；VT1選擇全控開關(guān)型器件MOSFET，電感L與電容C組成濾波電路，而VD1為

23、續(xù)流二極管。降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式。系統(tǒng)要求輸出電壓為12V和19V，蓄電池額定電壓為12V，故采用升降壓（BuckBoost）斬波電路通過控制開關(guān)器件的占空比實現(xiàn)。電路中的電感L1和電容C的值設(shè)計的很大，使電感電流iL和電容電壓即負載電壓VO基本為恒值。電路中開關(guān)器件選擇全控型開關(guān)器件MOSFET。當可控開關(guān)VT1處于通態(tài)時，電源經(jīng)MOSFET向L供電使其儲存能量，此時電流為i1。同時，電容C維持輸出電壓基本恒定并向負載供電。此后，使MOSFET關(guān)斷，電感L中儲存的能量向負載釋放，

24、電流為i2。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反。2.4 控制電路方案設(shè)計控制電路的核心控制芯片Microchip公司所生產(chǎn)的PIC16F877單片機，屬于PICmicro系列單片微機，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復燒錄程序，適合教學、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產(chǎn)品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。PIC16F877單片機內(nèi)置兩個占空比可調(diào)的PWM模塊和8路10位的AD轉(zhuǎn)換模塊，可以用PWM模塊驅(qū)動主電路中的降壓斬波電路和升降壓斬波電路，霍爾

25、電壓電流傳感器采集的信號可以通過AD轉(zhuǎn)換模塊采集而省去了AD轉(zhuǎn)換芯片。 輸出電壓采用三位LED數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描的方式實時顯示此時系統(tǒng)的輸出電壓。太陽能電池板的輸出電壓、電流和系統(tǒng)的輸出電壓、電流采用霍爾電壓/電流傳感器采集。鋰離子電池的溫度采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20緊貼在鋰離子電池的表面，通過單片機控制可得到鋰離子電池的溫度。系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)由I2C通信協(xié)議的EEPROM存儲器24C02實現(xiàn)。PIC單片機具有I2C通信模塊可直接與24C02通信。輸出電壓切換通過一個開關(guān)改變I/O口電平，單片機采集電平變化，改變輸出升降壓電路的占空比而改變輸出電壓。第三章 主電路

26、設(shè)計第三章 主電路設(shè)計3.1 太陽能電池板MPPT控制 MPPT是Maximum Power Point Tracking（最大功率點跟蹤）的簡稱，MPPT控制器能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電。最大功點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱PT)系統(tǒng)是一種通節(jié)調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。3.1.1 MPPT控制原理 隨著綠色能源利用的日益被人們重視,太陽能的光伏利用更是在世界各國方興未艾,在光伏控制技術(shù)上,由于CVT(恒定電壓跟蹤器) 的制造相對簡單,許多產(chǎn)品仍然采用這種

27、跟蹤方式以代替相對復雜一些的MPPT(最大功率點跟蹤) ,但這種方式所帶來的功率損失相比于近代微電子技術(shù)的迅速發(fā)展及微電子器件的大幅度降價,已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟。因此在光伏應用中,增加具有太陽能MPPT 功能的控制能有效提高能量傳輸效益,是光伏利用技術(shù)上的提升。由于光伏電池(太陽能電池) 特性受光照和溫度影響,直接利用它進行實驗,則時間長;利用人為建立環(huán)境(要求人工可變光源、制冷、制熱空調(diào)等) 或購買光伏電池模擬器則費用高。光伏電池由于其受外界影響因素(溫度、光照等) 很多,且其輸出具有非線性特性,如圖3-1的伏安(電壓-電流) 特性曲線和圖3-2的伏瓦(電壓-功率) 特性曲圖3-1 太陽能電池的

28、伏安特性曲線線。從特性曲線看,CVT恒定電壓跟蹤法是不能滿足太陽能電池在各種日照和溫度下的最大功率輸出,特別是溫差較大時,CVT恒定電壓跟蹤法控制將有較大的能量沒被利用,如電壓取在高溫時最大功率點處的值(U=360V),則在低溫時輸出時,要損失約30%的能量;取低溫時的電壓值(U=510V),在高溫時,則損失100%。為實現(xiàn)MPPT功能,采用輸出功率比較法(電壓擾動法), 原則是電壓的變化是始終讓太陽能輸出功率朝大的方向改變。即首先讓太陽能電池以某個電壓輸出,測得其輸出功率,然后在這個電壓基礎(chǔ)上增加或減少一定幅值,再測量輸出功率,比較測得的兩個功率值,按照以上原則決定下次輸出電壓是增加或是減少

29、。圖3-2 太陽能電池的伏瓦特性曲線3.1.2 MPPT控制數(shù)據(jù)采集電路MPPT需要及時準確地采樣太陽能電池板當前的輸出電壓和輸出電流。系統(tǒng)中采用霍爾電壓傳感器CHV-20L采樣電壓，采用霍爾電流傳感器CHF-5P采樣電流?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃囊环N磁敏式傳感器?；魻栃?879年被美國屋里學家霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)，但由于霍爾效應在金屬中太微弱而沒有得到人們的重視及較好的應用。直到20世紀50年代，隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，利用半導體材料做成的霍爾元件的霍爾效應比較顯著，從而霍爾式傳感器已經(jīng)廣泛應用于電磁、壓力、加速度、振動等的測量領(lǐng)域。如圖2-3所示在金屬或半導體薄片相對兩側(cè)面ab通以控制電

30、流I，在薄片垂直方向上施加磁場B，則在垂直于電流和磁場的方向上，即另兩側(cè)面cd會產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁場B乘積成比例的電壓UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。即： （3.1）圖3-3 霍爾效應的原理式中 霍爾元件的靈敏度。 （3.2） 式中 霍爾系數(shù)，它反映元件霍爾效應的強弱，由材料性質(zhì)決定。單位體積內(nèi)導電粒子數(shù)越少，霍爾效應越強，半導體比金屬導體霍爾效應強，所以常采用半導體材料做霍爾元件；霍爾元件的厚度霍爾電流電壓傳感器模塊有優(yōu)越的電性能，是一種先進的能隔離主電流回路與電子控制電路的電檢測元件，它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點，克服了互感器和分流器的不足（如：互感器只適用于50Hz 工頻測量；

31、分流器無法進行隔離檢測。）同一只檢測元件即可以檢測交流也可以檢測直流甚至檢測瞬態(tài)峰值，是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品?；魻栯妷弘娏鱾鞲衅骶哂芯雀?、線性度好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優(yōu)點，因而廣泛應用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS 電源、逆變焊機、變電站、電解電鍍、數(shù)控機床、微機監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測大電流電壓的各領(lǐng)域中。電力電子產(chǎn)品中，對大電流進行精確的檢測和控制是產(chǎn)品安全可靠運行的根本保證?；魻栯妷簜鞲衅饔形逯唤泳€端子。其中兩只為原邊端子：被測電壓輸入端十；被測電壓輸入端一。另外三只為副邊端子：+端：電源+15V；- 端：電源-15V；M 端：

32、信號輸出端。如圖3-4所示為霍爾電壓傳感器CHV-20L接線圖。根據(jù)用戶所測電壓的大小，須將被測電壓串接一只電阻R 后再接到傳感器原邊端子，串接電阻R 由下式?jīng)Q定： （3.3）圖3-4 霍爾電壓傳感器CHV-20L接線圖式中： R 為串聯(lián)電阻；Vp為被測電壓；Iin 為額定輸入電流；Rin 為傳感器原邊內(nèi)阻。串接電阻R 的功率由下式確定： （3.4） 標準環(huán)境下，太陽能電池板的輸出電壓最大為21.1V，留有一定裕量取Vp=25V，霍爾電壓傳感器CHV-20L輸入額定電流Iin=100MA，原邊內(nèi)阻Rin=2,根據(jù)式3-1得到圖3-3中RM1=248，功率W=2.5W。輸出為0-5V標準電壓可直

33、接由PIC16F877單片機的AD模塊采集。霍爾電流傳感器CHF-5P額定輸入電流為5A，輸出額定電壓為4V，可直接由PIC16F877單片機的AD模塊采集?；魻栯娏鱾鞲衅鰿HF-5P的接線圖如3-5所示。圖3-5 霍爾電流傳感器CHF-5P接線圖3.1.3 MPPT控制電路及參數(shù)計算采用擾動電壓法實現(xiàn)太陽能電池板的MPPT控制。根據(jù)擾動電壓法的控制原則，需要改變太陽能電池板的輸出電壓來調(diào)節(jié)最大功率點。系統(tǒng)輸出電壓的要求系統(tǒng)輸出電壓為12V和19V可調(diào)，太陽能電池板選用額定功率為15W的薄膜太陽能電池板，蓄電池為額定電壓為12V容量為圖3-6 MPPT控制電路8000MAH的鋰離子電池。太陽能

34、電池板的額定輸出電壓為17.5V，開路電壓為21.1V，額定輸出電流為0.92A，根據(jù)太陽能電池板的伏安特性曲線和鋰離子電池的充電采用三階段充電控制，要求充電電壓和電流隨時可調(diào)，系統(tǒng)采用DC-DC變換電路中的BUCK（降壓斬波）電路。MPPT控制電路如圖3-6所示。圖3-6所示的電路中+Ud和-Ud接太陽能電池板，+E和-E接蓄電池。輸入最大電壓為21.1V，留有一定裕量后確定最大輸入為25V，輸入電流最大為1A。D1為防回流二極管，C1、C2為濾波電容，R1、D2、C3組成MOSFET緩沖電路。根據(jù)以上參數(shù)二極管D1、D3選擇肖特基二極管1N5819，C1、C4選擇470uf耐壓為50V的電

35、解電容，C2選擇0.01uf的瓷片電容。開關(guān)器件MOSFET選擇國際整流器公司的IRF024。圖3.7輸出電壓波形在BUCK電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設(shè)原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過，抑制輸出電壓的開關(guān)頻率及其諧波分量通過。但是，構(gòu)建一個能夠讓直流分量通過而且完全濾除開關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中至少有一小部分是由于開關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波。因此，輸出電壓波形事實上如圖3.7所示，可以表達為 （3.5）所以實際的輸出電壓由所需要的直流分量U0加少量的交流分量Uripple所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開關(guān)諧波所產(chǎn)生。由于直流變換器

36、的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開關(guān)紋波應很小。電感電流的紋波為: （3.6）的典型值是在滿載時的直流分量I的10%20%。不希望太大，否則增大流過電感和半導體開關(guān)器件的電流峰值，從而將增加功率損耗和體積?？梢酝ㄟ^選擇合適的電感值來得到所希望的電流紋波。由式（3.6）得到 （3.7）通常式（3.7）被用來選擇Buck變換器的電感值。把（3.7）式進一步轉(zhuǎn)化得到 （3.8）其中Dmax為BUCK電路最大占空比，為開關(guān)管的開關(guān)頻率，為最大輸出電流，為輸入電壓。系統(tǒng)中開關(guān)頻率為5KHZ，輸入電壓為21.1V，最大輸出電流為1A，最大占空比為： （3.9）由式（3.8）的L最小為103.

37、43mH。根據(jù)BUCK降壓斬波電路的工作原理，BUCK電路的輸入輸出關(guān)系如下式所示：輸出電壓 （3.10）負載電流平均值 （3.11）3.2 MOSFET吸收電路MOSFET三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS。一般生產(chǎn)廠家提供的是漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss。它們的關(guān)系是： （3.12） （3.13） （3.14）由于極間電容的存在MOSFET的開關(guān)過程中會產(chǎn)生過電壓，包括換相過電壓和關(guān)斷過電壓，兩者均是由于線路電感中的電流迅速下降，產(chǎn)生較大di/dt，致使管子兩端產(chǎn)生過點壓。換相過電壓主要由于MOSFET 及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極

38、管在換相結(jié)束后不能立刻恢復阻斷能力，有較大的反相電流流過，使殘存的載流子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，有電流的突變。關(guān)斷過電壓主要是管子在較高頻下工作，當器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低，有電流的突變。所以，合適的保護吸收電路是必要的。緩沖電路（Snubber Circuit）又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減少器件的開關(guān)損耗。充放電型RCD緩沖電路如圖3-8所示。在有緩沖電路的情況下，Q1開通時緩沖電容C3先通過R1向Q1放電，使流過Q1的電容先上一個臺階，以減小di/dt。R1、D2是在Q1關(guān)斷時為電路中電感的磁場能量提

39、供放電回路而設(shè)置的。在Q1關(guān)斷時，負載電流通過D2向C3分流，減輕了Q1的負擔，抑制了du/dt和過電壓。圖中R1的值為51，電容C3的值為103，二極管D2為肖特基二極管1N5819。圖3-8 充放電型RCD緩沖電路3.3 蓄電池放電電路及參數(shù)計算系統(tǒng)中蓄電池的電壓為12V，要求輸出電壓為12V、19V可調(diào)，可以選用升降壓電路實現(xiàn)。升降壓變換電路是一種既可以升壓，又可以降壓的變換器。電路圖如圖3-9所示。圖所示電路中U+、U- 接蓄電池，VO+、VO- 接負載。當開關(guān)管MOSFET導通，二極管D5截止時，蓄電池電壓加在電感L2上，電感從電源獲取能量，此時靠電容C10維持輸出電壓保持不變；當開

40、關(guān)管MOSFET截止時，電感L2中儲存的能量傳遞給電容和負載。占空比越高，傳遞到負載的能量就越多。圖3-9 蓄電池放電電路當占空比為0時，輸出電壓U0也將為0。說明通過改變開關(guān)管的占空比，理論上講，可以控制輸出電壓在0到很大范圍內(nèi)變化。升降壓變換電路有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，系統(tǒng)中必須保證電路工作在電流連續(xù)的狀態(tài)下。電流連續(xù)工作狀態(tài)下輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為： （3.15） 輸入電流與輸出電流的關(guān)系為： （3.16）使（3.15）和式（3.16）表示電流連續(xù)狀態(tài)下輸出平均電壓和電流與占空比之間的關(guān)系。以輸入電壓為基準，通過改變占空比的大小，可以使升降壓變換器的輸出電壓在升或降兩個方向

41、調(diào)節(jié)。根據(jù)式（3.15）可以得到如下結(jié)論：當時，;當時，為降壓式；當時，為升壓式。3.4 USB電源輸出電路USB接口是一種常用的PC機接口，USB接口只有四個引腳，兩個電源引腳和兩個數(shù)據(jù)傳輸引腳。USB接口輸出標準電壓為+5V，輸出標準電流為500MA。系統(tǒng)采用LM2576HV-05作為穩(wěn)壓器件，電路原理圖如圖3-10所示。圖中排針J3接蓄電池，蓄電池電壓為12V，選擇LM2576HV-05作為穩(wěn)壓器件。LM2576系列穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能驅(qū)動3A的負載，有優(yōu)異的線性和負載調(diào)整能力。這些器件的固定輸出電圖3-10 USB電源輸出電路壓有3.3V、5V、12

42、V、15V，還有可調(diào)整輸出的型號。這些穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補償器和一個固定頻率振蕩器，將外部元件的數(shù)目減到最少，使其更加簡便。LM2576的效率比流行的三段線性穩(wěn)壓器要高得多，是理想的替代產(chǎn)品。一般情況下不需要或只要很小尺寸的外加散熱片。已經(jīng)優(yōu)化可和LM2576一起使用的標準系列電感由好幾個不同的電感生成商提供。此特征大大簡化了開關(guān)電源的設(shè)計。其他特征包括：在指定輸入電壓和輸出負載條件下保證輸出電壓的4%誤差，以及振蕩器頻率的10%誤差。還包括外部的關(guān)斷電路，特征有50uA（典型值）待機電流。圖中所示的LM2576HV-05輸入電壓范圍為7V40V，輸出電壓穩(wěn)定值為5V，最大可驅(qū)動3A負載。輸入

43、濾波電容選擇容量為100uf，耐壓值大于25V的鋁電解電容。二極管D3為續(xù)流二極管，選擇肖特基二極管1N5819。電感值為100uH，輸出電容為1000uf。由于電容具有ESR（等效串聯(lián)電阻）效應，理論上一個完美的電容，自身不會產(chǎn)生任何能量損失，但是實際上，因為制造電容的材料有電阻，電容的絕緣介質(zhì)有損耗，各種原因?qū)е码娙葑兊貌弧巴昝馈?。這個損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個電阻跟電容串聯(lián)在一起，所以就起了個名字叫做“等效串聯(lián)電阻”。 比如，我們認為電容上面電壓不能突變，當突然對電容施加一個電流，電容因為自身充電，電壓會從0開始上升。但是有了ESR，電阻自身會產(chǎn)生一個壓降，這就導致了電容器兩端的電壓會產(chǎn)

44、生突變。無疑的，這會降低電容的濾波效果，所以很多高質(zhì)量的電源，都使用低ESR的電容器。電路中為了減小電容的ESR效應可以用兩個電容并聯(lián)。電路中采用2個470uf的鋁電解電容C23和C11并聯(lián)，以減小電容的ESR效應。3.5 備用蓄電池充電電路備用蓄電池充電電路是在太陽能電池板輸出不足且蓄電池電量不足的緊急情況下使用的。采用220V交流電源，經(jīng)整流、濾波后為蓄電池充電。備用蓄電池充電電路原理圖如圖3-11所示。圖3-11 備用蓄電池充電電路圖中采用LM2576HV-12作為蓄電池充電電路的穩(wěn)壓器件。圖中整流橋中的整流二極管為1N4001，C7為470uf耐壓為50V的電解電容，C8為0.1uf電

45、容，兩個電容并聯(lián)使用減小電容的ESR。續(xù)流二極管D11選為肖特基二極管1N5819，輸出電容為2個470uf電容并聯(lián)。二極管D10為防回流二極管。3.6 傳感器電源電路霍爾電壓電流傳感器工作時需要+15V和-15V的電源，蓄電池電壓為+12V，需要對+12V電壓升壓后再穩(wěn)壓供為系統(tǒng)供電。選用MC34063雙極型線性集成電路芯片將電壓升高到+15V。MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源，一個占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。M

46、C34063引腳及原理框圖如圖3-12所示。由于內(nèi)置有大電流的電源開關(guān)，MC34063能夠控制的開關(guān)電流達到1.5A。內(nèi)部線路包含有參考電壓源、振蕩器、轉(zhuǎn)換器、邏輯控制線路和開關(guān)晶體管。參考電壓源是溫度補償?shù)膸痘鶞试?。振蕩器的振蕩頻率由3腳的外接定時電容決定。開關(guān)晶體管由比較器的反向輸入端和與振蕩器相連的邏輯控制線路置成ON，并由與振蕩器輸出同步的下一個脈沖置成OFF。圖3-12 MC34063引腳及原理框圖如圖3-12，振蕩器通過恒流源對外接在CT管腳（3腳）上的定時電容不斷的充電和放電，以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的，所以振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的C輸入端在振蕩

47、器對外充電時為高電平，D輸入端在比較器的輸入電平低于閥值電平時為高電平。當C和D輸入端都變成高電平時，觸發(fā)器被置位高電平，輸出開關(guān)管導通。反之，在振蕩器在放電器件，C輸入端為低電平，觸發(fā)器被置位，使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。電流限制SI檢測端（5腳）通過檢測連接在V+和5腳之間電阻上的壓降來完成功能。當檢測到電阻上的電壓降接近超過300MV時，電流限制電路開始工作。這時通過CT管腳（3腳）對定時電容進行快速充電，以減少充電時間和輸出開關(guān)管導通的時間，結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。圖3-13 MC34063組成的升壓電路圖3-13所示為MC34063組成的升壓電路，圖中二極管D1選擇肖特基

48、二極管1N5819，其他外圍元件的參數(shù)計算如下：系統(tǒng)中輸入電壓Vin為12V，輸出電壓Vout為15V，輸出Io電流取400mA足以驅(qū)動霍爾傳感器，輸出電壓紋波Vp為30mV,工作頻率30kHz。輸出電壓： （3.17）定時電容： （3.18）限流電阻： （3.19） （3.20）電感： （3.21）濾波電容： （3.22） （3.23）上式中Vces為定值1V，Vimin為輸入電壓不穩(wěn)定時的最小電壓，Vf為快恢復二極管的正向壓降。根據(jù)上述算法可得到電路中的各器件參數(shù)為：Ct=315 pFIpk=785 mARsc=0.382 Lmin=110 uHCo=708 uFR=180R1=1k R2

49、=11k系統(tǒng)所需-15電壓通過MC34063的極性反轉(zhuǎn)電路實現(xiàn)，電路原理圖如圖3-14所示。圖3-14 MC34063組成的極性反轉(zhuǎn)電路計算的電路參數(shù)如下：Ct=778 pFIpk=1440 mARsc=0.208 Lmin=149 uHCo=1750 uFR1=1k R2=11k第四章 控制電路設(shè)計第四章 控制電路設(shè)計控制電路采用Microchip公司所生產(chǎn)的PIC16F877單片機作為控制核心，所有控制數(shù)據(jù)都送到單片機中處理，處理完成后由單片機控制外圍器件的工作狀態(tài)。霍爾傳感器采集的數(shù)據(jù)由單片機得AD模塊采集，主電路中的開關(guān)器件MOSFET由IR（國際整流器）公司的MOSFET驅(qū)動芯片IR

50、2117驅(qū)動。開關(guān)器件的占空比控制通過單片機的CCP模塊輸出PWM波控制。輸出電壓通過3位LED數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)需要保存的數(shù)據(jù)通過EEPROM存儲器24C02保存。4.1 PIC16F877最小系統(tǒng)PIC系列單片機是美國Microchip公司推出的一種新型高性能的8位系列單片微控制器，體現(xiàn)了現(xiàn)代單片微控制器發(fā)展的新趨勢，目前深受用戶歡迎，正在逐漸成為單片機世界的一種新潮流。PIC的名稱是Peripheral Interface Controller（外圍接口控制器）的縮寫。由此可以清楚的知道PIC單片機的市場定位。從PIC單片機的問世到快速普及，并為業(yè)界廣為采用，最主要的原因是它具有完整的單片

51、機系列芯片，可以讓使用者根據(jù)不同需求選擇最合適的單片機芯片，通常無需再外擴程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器和AD轉(zhuǎn)換器等外部芯片，這真正體現(xiàn)了單片機的“單片”特性，并具有實用、低價、省電、高速、體積小、驅(qū)動強等特點，因此目前在國內(nèi)市場上，PIC單片機已經(jīng)得到廣泛應用。PIC單片機為哈佛（Hovrard）總線結(jié)構(gòu)的RISC（精簡指令集）的CMOS 8位單片機，其主要結(jié)構(gòu)特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品性能與價格比，靠發(fā)展多種型號系列產(chǎn)品來滿足不同層次用戶的應用需求。由于PIC系列單片機采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)和RISC指令集，其指令總線和數(shù)據(jù)總線位數(shù)可以不同，PIC系列單片機中的數(shù)據(jù)總線是8位

52、的，而其指令總線則有12位（基本級產(chǎn)品）、14位（中級產(chǎn)品）、16位（高級產(chǎn)品）3種。目前這些單片機已被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、計算機外設(shè)、家用電器等許多領(lǐng)域中，在國內(nèi)有廣闊的應用前景。PIC16F877是微芯公司的中檔產(chǎn)品。它采用14位的RISC指令系統(tǒng)，在保持低價格的前提下，增加了AD轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部EEPROM存儲器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、異步串行通信接口電路、模擬電壓比較器和FLASH程序存儲器等許多功能，可以方便的在線多次編程和調(diào)試。圖4-1所示的PIC16F877最小系統(tǒng)中，由R1、C1、SB1組成單片機得復位電路。系統(tǒng)頻率由4MHZ的晶振提供，系統(tǒng)工作電源由蓄電池通過

53、LM2576HV-05經(jīng)穩(wěn)壓后獲得。圖4-1 PIC16F877最小系統(tǒng)4.2 MOSFET驅(qū)動電路功率MOSFET為典型的電壓型驅(qū)動器件，其輸入阻抗高，因此開關(guān)速度快，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。但是，功率MOSFET的極間電容較大，因而其開關(guān)速度受驅(qū)動器內(nèi)阻的影響較大。盡管功率MOSFET柵源極間靜態(tài)電阻很大，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但由于柵極輸入電容的存在，在開通和關(guān)斷的動態(tài)驅(qū)動中任需要一定的驅(qū)動電流。在功率MOSFET導通時一般在柵源極之間加1015V的正向驅(qū)動電壓，在關(guān)斷時一般還會加-15V-5V的負偏壓。由于功率MOSFET的柵極絕緣層易被擊穿，因此柵源極間的電壓不得超過+20V

54、。功率MOSFET驅(qū)動電路一圖4-2所示為分立元件構(gòu)成的功率MOSFET驅(qū)動電路。該方案采用快速光耦隔離，當輸入信號為高電平時，光電耦合器導通，電壓比較器輸出正電壓，三極管V1導通、V2關(guān)斷，輸出正驅(qū)動電壓，使MOSFET導通；當輸入信號為低電平時，光電耦合器關(guān)斷，電壓比較器U1輸出負電壓，三極管V2導通、V1關(guān)斷，輸出負驅(qū)動電壓，使MOSFET關(guān)斷。VS1和VS2為20V的穩(wěn)壓二極管，以防止柵源極之間的電壓超過20V。該驅(qū)動電路采用簡單的分立式元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉但抗干擾能力較差，驅(qū)動延時較長。圖4-2 分立元件功率MOSFET驅(qū)動電路功率MOSFET驅(qū)動電路二采用IR（國際整流器）

55、公司專為驅(qū)動單個MOSFET或IGBT而設(shè)計的柵極驅(qū)動器集成電路芯片IR2117構(gòu)成MOSFET驅(qū)動電路。IR2117采用高壓集成電路技術(shù)和無閂鎖CMOS技術(shù),并采用雙直插式封裝,可用于工作母線電壓高達600V的系統(tǒng)中。其輸入與標準的CMOS電平兼容,輸出驅(qū)動特性可滿足交叉導通時間最短的大電流驅(qū)動輸出級的設(shè)計要求。其懸浮通道與自舉技術(shù)的應用使其可直接用來驅(qū)動一個工作于母線電壓高達600V的、在高邊或低端工作的N溝道MOSFET或IGBT。IR2117采用CMOS施密特觸發(fā)器輸入及推挽功放輸出方式，具有欠壓封鎖功能，輸出與輸入同相。IR2117采用標準的雙列直插式DIP-8或小型雙列扁平表面安裝SOIC-8封裝形式,這兩種封裝形式的引腳排列相同,其引腳排列如圖4-3所示,各引腳的名稱、功能和用法如表4-1所列。圖