太陽能充放電控制器設(shè)計

太陽能充放電控制器設(shè)計

摘要

太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組成部分，也被認(rèn)為是當(dāng)前世界

最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。目前太陽能光伏發(fā)電裝置L1廣泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等

各個方面，其核心部分就是充電控制器。

木設(shè)計針對目前市場上傳統(tǒng)充電控制器對蓄電池的充放電控制不合理，同時保護(hù)也不

夠充分，使得蓄電池的壽命縮短這種情況，研究確定了?種基于單片機(jī)的太陽能充電控制

器的方案。在太陽能對蓄電池的充放電方式、控制器的功能要求和實際應(yīng)用方面做了一定

分析，完成了硬件電路設(shè)計和軟件編制，實現(xiàn)了對蓄電池的高效率管理。

在總體方案的指導(dǎo)下，本設(shè)計使用低功耗、高性能，超強(qiáng)抗干擾的STC89C52單片機(jī)

作為核心器件對整個電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件電路由太陽能電池充放電電路，電壓采集和

顯示電路，單片機(jī)控制電路和RS232串口通信電路組成，主要實現(xiàn)對蓄電池電壓的采集和

顯示。軟件部分依據(jù)PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制控制策略，編制程序使單片

機(jī)輸出PWM控制信號，通過控制光電耦合器通斷進(jìn)而控制MOSFET管開啟和關(guān)閉，達(dá)到

控制蓄電池充放電的目的，同時按照功能要求實現(xiàn)了對蓄電池過充、過放保護(hù)和短路保護(hù)。

實驗表明，該控制器性能優(yōu)良，可靠性高，可以時刻監(jiān)視太陽能電池板和蓄電池狀態(tài)，實

現(xiàn)控制蓄電池最優(yōu)充放電，達(dá)到延長蓄電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞：充電控制器；太陽能光伏發(fā)電；PWM脈寬調(diào)制;

Abstract

Solarphotovoltaicpowergenerationhasbecomeanimportantpartofnewenergyand

renewableenergy,itisconsideredthecurrentworld'smostpromisingnewenergytechnologies.

Atpresentsolarphotovoltaicdevicehasbeenwidelyusedincommunications,transport,

electricityandotheraspects,thecorepartisthechargecontroller.

Theconventionalchargecontrolleronthemarkettodayonthebatterychargeanddischarge

controlisunreasonable,anditsprotectionisalsoinadequate,whichsmakesthebatterylifeto

shorten.Tosolvethisproblem,thedesignidentifiesasolarchargecontrollerbasedonsinglechip

solution.Inthesolarenergytobatterychargeanddischargemeans,thecontrollerofthe

functionalrequirementsandthepracticalapplicationaspects,makingsomeanalysis,completed

thehardwarecircuitdesignandsoftwaredevelopment,toachievethehighefficiencyofthe

batterymanagement.

Undertheguidanceoftheoverallprogram,thedesignuseslow-power,highperformance,

superanti-jammingSTC89C52microcontrollerasacoredevicetocontroltheentirecircuit.

Hardwarecircuitconsistsofasolarbatterycharginganddischargingcircuit,voltageacquisition

anddisplaycircuit,theMCUcontrolcircuitandRS232serialcommunicationcircuit,themain

achievementoftheacquisitionanddisplaybatteryvoltage.SoftwareisbasedinpartonPWM

(PulseWidthModulation)pulsewidthmodulationcontrolstrategy,programmingthe

microcontrolleroutputPWMcontrolsignal,bycontrollingthephotocoupleron-offthecontrol

MOSFETopeningandclosing,tocontrolbatterycharginganddischargingpurposes,andin

accordancewiththefunctionalrequirementsimplementedthebatteryovercharge,overdischarge

protectionandshortcircuitprotection.Experimentsshowthatthecontrollerperformance,high

reliability,canalwaysmonitorthestateofsolarpanelsandbatteriestoachieveoptimalcontrol

ofbatterychargeanddischarge,toprolongbatterylife.

Keywords:chargecontroller;solarphotovoltaic;PWMpulsewidthmodulation;

目錄

1緒論..........................................................................1

1.1課題研究背景和意義....................................................1

1.2太陽能充放電控制器現(xiàn)狀................................................1

1.3設(shè)計主要任務(wù)..........................................................2

2太陽能充電控制器的總體設(shè)計方案...............................................3

2.1太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)................................................3

2.2充電控制器的控制策略..................................................4

2.3控制器的整體設(shè)計方案..................................................6

3太陽能充電控制器的硬件電路設(shè)計...............................................7

3.1系統(tǒng)層次原理圖........................................................7

3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)........................................................8

3.2.1STC89C52的簡介................................................8

3.2.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路.....................................9

3.3充放電電路............................................................11

3.4光耦驅(qū)動電路.........................................................12

3.5A/D轉(zhuǎn)換電路..........................................................12

3.5.1ADC0804的簡介.................................................13

3.5.2ADC0804外圍接線電路..........................................14

3.6LCD顯示電路.........................................................15

3.7E2PROM數(shù)據(jù)存儲電路.................................................16

3.8串口通信電路..........................................................18

4太陽能充電控制器的軟件設(shè)計..................................................21

4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計.......................................................21

4.2電壓采集轉(zhuǎn)換模塊.....................................................22

4.3顯小模塊.............................................................23

4.4數(shù)據(jù)存儲模塊.........................................................25

4.5軟件調(diào)試和仿真.......................................................27

5總結(jié)與展望..................................................................30

5.1設(shè)計總結(jié)..............................................................30

5.1展望..................................................................30

參考文獻(xiàn).......................................................................32

致謝.........................................................................33

附錄I源程序.................................................................34

附錄H硬件電路圖.............................................................45

1緒論

1.1課題研究背景和意義

能源資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，隨著人民生活水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)

的迅速發(fā)展，能源的缺口增大，能源問題作為困擾人類長期穩(wěn)定發(fā)展的一大因素擺在了人

們面前。伴隨著世界能源危機(jī)的II益嚴(yán)重，石油價格不斷上漲，利用常規(guī)能源已經(jīng)不能適

應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)快速增長的需要，如何解決能源問題，是每個國家都必須面臨的問題。同時，

以煤、石油作為燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)已經(jīng)開始造成全球變暖，即“溫室效應(yīng)”,

人類的生活將會由此受到很大的威脅。這些難題迫使政府和社會在發(fā)展常規(guī)能源的同時必

須加大對新能源的開發(fā)和利用。

新能源包括水能、風(fēng)能、太陽能等。雖然風(fēng)能或水能等更加便宜，但是大多數(shù)的自家

用戶卻都不可能找到適當(dāng)場合進(jìn)行架設(shè)，架設(shè)成本較高。而太陽能則不同，任何自家用戶

只要找到一個有陽光照射到的窗戶都可以裝置太陽能極板作輔助能源，幾百元投資便可以

架設(shè)。所以綜合考慮，太陽能無疑是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，全球能源

專家也認(rèn)為，太陽能將成為21世紀(jì)最重要也最有前景的能源之一。

而且太陽輻射能與煤炭、石油等常規(guī)能源相比較，更有如下的優(yōu)點：

(1)普遍性。

地球上處處都有太陽能，不需要到處去尋找，去運輸，容易獲取。

(2)無害性。

利用太陽能作為能源，沒有廢渣，廢料，廢氣，廢水的排放，沒有噪聲，不會污染環(huán)

境，沒有公害，清潔干凈。

(3)長久性。

只要有太陽，就有太陽能，因此太陽能可以說是取之不盡，用之不竭。

(4)巨大性。

一年內(nèi)到達(dá)地面的太陽輻射能總量要比現(xiàn)在地球上消耗的各種能量的總和大幾萬倍。

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地的年太陽輻射總量3340.8400MJ

/m2,中值為5852MJ/m2。年日照時數(shù)在2200小時以上的地區(qū)約占國土面積的2/3以

上。我國的西部地區(qū)，包括西藏、新疆、青海、內(nèi)蒙古等省，年日照忖間長，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(shè)施建設(shè)成本高，電能的供需矛盾顯

得十分突出，因此當(dāng)?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，白天可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用蓄電池將電能儲存起來，需

要用電時即可由蓄電池供電。

總體看來我國太陽能資源比較豐富，因此充分利用豐富的太陽能資源，采用太陽能光

伏發(fā)電技術(shù)，可以節(jié)約能源，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，提高人民生活水平。

1.2太陽能充放電控制器現(xiàn)狀

(1)太陽能光伏發(fā)電

太陽能作為新能源有著巨大的優(yōu)勢，所以世界各國都在努力研發(fā)新技術(shù)進(jìn)行獲取，比

較成熟的是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)已成為新能源和可再生能源的重要組

成部分，也被認(rèn)為是當(dāng)前世界最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。目前太陽能光伏發(fā)電裝置已廣

泛應(yīng)用于通訊，交通，電力等各個方面。

在進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電時，由于?般太陽能極板輸出電壓不穩(wěn)定，不能直接將太陽能

極板應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蟠鎯Φ揭欢ǖ膬δ茉O(shè)備中，如鉛酸蓄電池。

但只有當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作過程中保持蓄電池沒有過充電，也沒有過放電，才能使

蓄電池的使用壽命延長，效率也得以提高，因此必須對工作過程加以研究分析而予以控制,

這種情況下太陽能充電控制器應(yīng)運而生。

（2）充電控制器的作用及現(xiàn)狀

太陽能充電控制器具備充電控制、過充保護(hù)、過放保護(hù)、防反接保護(hù)及短路保護(hù)等一

系列功能，解決了這一難題，這樣控制器在這個過程中起著樞紐作用，它控制太陽能極板

對蓄電池的充電，加快蓄電池的充電速度，延長蓄電池的使用壽命。同時太陽能充放電控

制器還控制蓄電池對負(fù)載的供電，保護(hù)蓄電池和負(fù)載電路，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，由

此可見，控制器具有舉足輕重的作用。

市目前場上有各種各樣的太陽能控制器，但這些控制器主要問題對于蓄電池的保護(hù)不

夠充分，不合適的充放電方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，使蓄電池的使用壽命降低。目前，

控制器常用的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。但是這些

方法由于充電方式單一加上控制策略不夠完善，都存在一定的局限性。另一方面，當(dāng)蓄電

池給負(fù)載供電時，由于控制器不能時刻檢測蓄電池的電壓，這樣很容易發(fā)生蓄電池的過放

電，將會導(dǎo)致蓄電池的深度放電，嚴(yán)重影響其壽命。

所以，如何改善太陽充控制器的充放電方式，開發(fā)性能優(yōu)良的充放電控制器，提高其

在實際應(yīng)用中的效率，成為了一個重要的研究方面。

1.3設(shè)計主要任務(wù)

本設(shè)計研究確定了一種基于STC單片機(jī)的太陽能充放電控制器的方案，在太陽能對蓄

電池的充電方式、控制器的功能要求和電路保護(hù)方面做了分析，完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

和軟件編程，實現(xiàn)了對蓄電池的科學(xué)管理，并將充放電控制器應(yīng)用于太陽能路燈或其他負(fù)

載，實現(xiàn)了控制功能。這里以充/放電最大電流10A,額定電壓12V控制器系統(tǒng)為例，其實

現(xiàn)的主要功能如下。

（1）要能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池

電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電，否則蓄電池電流會反向流向

太陽能電池板而造成點亮損耗。

（2）當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時，自動關(guān)斷負(fù)載（欠壓關(guān)斷），同時有報警功能；

（3）當(dāng)蓄電池電壓高于14.5V,自動關(guān)斷負(fù)載（過壓關(guān)斷）和充電電路，同時有報警

功能。

（4）當(dāng)蓄電池處于浮充充電狀態(tài)時電壓值控制在13.5V左右。

（5）當(dāng)用戶將太陽能電池板接反至控制器時，具有保護(hù)控制器不被毀壞的功能；

（6）當(dāng)用戶將蓄電池接反至控制器時，要有報警功能，并且具有保護(hù)控制器不被毀壞

的功能。

2太陽能充電控制器的總體設(shè)計方案

在確定設(shè)計方案之前，需要結(jié)合應(yīng)用實例，進(jìn)行一定的綜合分析，更加明確控制器的

作用，最后來確定整體方案。這里以太陽能充電控制器應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電路燈系統(tǒng)為

例，對系統(tǒng)各個組成部分的主要功能做詳細(xì)的分析說明。

2.1太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要針對直流照明路燈進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，所以構(gòu)成太陽能路燈系統(tǒng)主要有四大部

分組成，即太陽能極板、蓄電池、充電控制器、照明電路。太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖

2-1所示。

圖2-1太陽能路燈系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

從圖2-1中可以看出，太陽能極板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并將電能存儲到蓄電池中，

蓄電池再將存儲的電能輸出給照明電路供電，完成能量的傳遞。系統(tǒng)各個部分的控制功能

全由充電捽制器來完成。

(1)太陽能電池板

如圖2-2所示，太陽能電池板是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的，能夠直接將太陽輻射轉(zhuǎn)

換成電能的器件。具有很強(qiáng)的光伏效應(yīng)半導(dǎo)體材料，當(dāng)吸收一定能量的光子后其內(nèi)部導(dǎo)電

的載流子電子和空穴分布利濃度發(fā)生變化。光照在半導(dǎo)體P/N結(jié)上，就會在其兩端產(chǎn)生光

生電壓，當(dāng)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(chǎn)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(xué)反應(yīng)，也沒有轉(zhuǎn)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)電所不能比擬的。

芍區(qū)正電極導(dǎo)線

晶片受光后負(fù)電子從N區(qū)負(fù)電極流出

空穴從P區(qū)正電極流出

圖2-2太陽能電池產(chǎn)生光伏效應(yīng)

（2）蓄電池

這里首先介紹蓄電池工作原理。

太陽能充電控制器最主要的功能是控制太陽能極板對蓄電池的充電，蓄電池的性能和

充放電的方式有很大的關(guān)系，所以在設(shè)計控制器之前需要對蓄電池的原理、充放電過程做

一個分析。

一般鉛酸蓄電池是由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成,

極板主要有鉛制成，電解液是硫酸溶液。依據(jù)化學(xué)基礎(chǔ)理論：鉛酸蓄電池釋放化學(xué)能的過

程（放電過程）是負(fù)極進(jìn)行氧化，正極進(jìn)行還原的過程；電池補(bǔ)充化學(xué)能的過程（充電過程）

是負(fù)極進(jìn)行還原，正極進(jìn)行氧化的過程。分析可知，蓄電池的充電過程和放電過程是可逆

的。實際上，蓄電池最重要的指標(biāo)就是電解液中硫酸根的濃度，因此可以用電池中硫酸溶

液的密度（比重）來衡量電池充放電的程度。

工作原理搞懂了之后，接著看蓄電池在整個系統(tǒng)中的作用。

在獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是整個系統(tǒng)的重要組成部分，是對整個系統(tǒng)

性能可靠性影響比較大的部分。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的主要作用有：儲存能量、對

太陽能極板的工作電壓的進(jìn)行鉗位、給負(fù)載提供啟動電流等。蓄電池的存在，可以解決太

陽能產(chǎn)生電能和負(fù)載用電時間不一致不同步的問題，太陽能極板和負(fù)載兩者之間電壓不匹

配的問題等。

（3）充電控制器

一般太陽能極板輸出電壓的不穩(wěn)定，不能直接應(yīng)用于負(fù)載，需要將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/p>

后存儲到儲能設(shè)備如蓄電池中，而控制器在這個過程中起著樞紐作用，其性能的好壞將會

直接影響實際應(yīng)用的使用效果?？刂破骺刂铺柲軜O板對蓄電池的充電，為了延長蓄電池

的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電?？刂破魍?/p>

時負(fù)責(zé)蓄電池是否對負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池的電壓在正常范圍內(nèi)時，控制器控制開關(guān)接通，

蓄電池給負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池的電壓處于欠壓或是過放狀態(tài)時，控制器控制開關(guān)截止，蓄

電池停止對負(fù)載的供電，在這個過程中控制器起著至關(guān)重要的作用，保護(hù)負(fù)載和蓄電池。

2.2充電控制器的控制策略

作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，蓄電池的壽命短是阻礙整個光伏發(fā)電系統(tǒng)性能和推

廣的主要原因之一。根據(jù)蓄電池的工作原理，結(jié)合實際應(yīng)用情況，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，影

響鉛酸蓄電池壽命的主要因素有：充電電壓的設(shè)置、過放控制點的設(shè)置、溫度、運行環(huán)境

等。依據(jù)這些影響因素，分析蓄電池常見充放電方式局限性，對充放電方式進(jìn)行了一定的

改進(jìn)。

（1）蓄電池常規(guī)充放電方式

目前，控制器常規(guī)的蓄電池充電法包括三種：恒流充電法、階段充電法和恒壓充電法。

恒流充電法是通過保持充電電流強(qiáng)度不變進(jìn)行充電的方法。這種充電控制方法簡單，

但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電

流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過多，影響蓄電池的使用壽命。

第二種是階段充電法。這種充電方法包括二階段充電法和三階段充電法。二階段充電

法是先用恒定電流充電至預(yù)定的電壓值,然后改為恒定電壓完成剩余的充電,?般兩階段

之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓；三階段充電法是指在充電開始和結(jié)束時采用恒定

的電流充電，中間用恒定的電壓進(jìn)行充電。階段充電法這種方法雖然可以將出氣量減到最

少，但作為一種快速充電方法使用，實際應(yīng)用中受到?定的限制。

恒壓充電時要嚴(yán)格掌握充電電壓，電壓在全部充電時間里保持恒定的數(shù)值，充電電壓

過低，蓄電池會充不滿，過高則會造成過量充電。由于充電初期蓄電池電動勢較低，充電

電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少。這種充電方法在充電初期電流過大，對蓄

電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，將會影響蓄電池的使用。

(2)改進(jìn)的充放電方式

針對目前市場上控制器的主要問題是由于對于蓄電池的保護(hù)不夠充分，不合適的充電

方式容易導(dǎo)致蓄電池的損壞，同時通過對蓄電池的工作原理和對影響蓄電池使用壽命因素

的分析，本論文提出了PWM(PulseWidthModulation)脈寬調(diào)制充電方法。PWM是利用微

處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通

信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且

能夠提高蓄電池充電接受率，這也是蓄電池充電理論的進(jìn)一步發(fā)展。

PWM脈沖調(diào)制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電?段時間，如

此循環(huán)往復(fù)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反及產(chǎn)生的氧氣和氫

氣有時間重新化合而被吸收掉，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更加順利

地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，

減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。脈寬調(diào)制方式是指在固定時鐘頻率下，通過調(diào)

節(jié)開關(guān)的通斷時間來控制信號的占空比，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。實際也就是以一直

流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合開關(guān)的控制來改變電壓。輸出電壓波形如圖2-3所示。

電壓

U

0---------------------------------------------------?時間

圖2-3輸出電壓波形

針對目前市場上的太陽能充電控制器當(dāng)蓄電池給負(fù)載供電時;沒有時刻檢測蓄電池的

電壓，很容易導(dǎo)致蓄電池的深度放電這個問題，本論文提出時刻在線檢測蓄電池電壓來避

免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護(hù)蓄電池，提高其使用壽命。

2.3控制器的整體設(shè)計方案

通過對應(yīng)用實例的分析，更加明確太陽能充電控制器的在系統(tǒng)中重要性和作用，同時

依照其功能要求和改進(jìn)的捽制策略，最后確定了整體設(shè)計方案。

本系統(tǒng)以STC89c52單片機(jī)為主控芯片，利用分壓電路對蓄電池的電壓、進(jìn)行采樣，然

后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將檢測電壓數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，通過液晶芯片把電壓值顯示出

來方便調(diào)整。單片機(jī)在軟件程序的控制下輸出PWM控制信號，經(jīng)光耦驅(qū)動MOSFET管開

啟與關(guān)閉來控制充放電電路。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)控制蓄電池的最優(yōu)充放電，有效的延長蓄電

池的壽命。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。

以上通過對控制器、被控對象蓄電池的分析，結(jié)合硬件資源和軟件控制策略，進(jìn)行了

硬件電路設(shè)計和軟件編程設(shè)計，最終確定整體設(shè)計方案。整體方案設(shè)計，講述了光伏發(fā)電

技術(shù)中最重要部分控制器和蓄電池的作用，控制器主要負(fù)責(zé)控制太陽能極板對蓄電池的充

電以及控制蓄電池對負(fù)載的供電。由于不合適的充放電方式會導(dǎo)致蓄電池的損壞，縮短蓄

電池的使用壽命，本論文提出了PWM脈寬調(diào)制充電方法，這種充電方法能夠使蓄電池有

較充分的反應(yīng)時間，與以前的充電方式相比，提高了蓄電池的充電效率。同時提出了時刻

在線檢測蓄電池電壓的放電控制方法，避免蓄電池發(fā)生過放現(xiàn)象，保護(hù)蓄電池。各個部分

的控制功能通過對單片機(jī)進(jìn)行軟件編程來實現(xiàn)。

3太陽能充電控制器的硬件電路設(shè)計

在整體方案的指導(dǎo)下，依據(jù)工程設(shè)計的常見思路，本論文從硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計

兩個方面入手，運用模塊化的設(shè)計方法去進(jìn)行控制器的設(shè)計。

硬件電路主要由以下幾部分組成：單片機(jī)最小系統(tǒng)、充放電電路、光耦驅(qū)動電路、A/D

轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路、E?PROM數(shù)據(jù)存儲電路、串口通信電路等。下面先從系統(tǒng)層次

原理圖入手，對系統(tǒng)原理進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后再對具體電路地進(jìn)行一一介紹。

3.1系統(tǒng)層次原理圖

系統(tǒng)層次原理圖如圖3-1所示，電路設(shè)計以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片構(gòu)成控制

電路模塊對整個電路控制。首先采用并聯(lián)分壓方式對蓄電池電壓采集后，送到AD模塊中

的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到一個數(shù)字信號的電壓值，再將此信號送入到控制模塊中單片機(jī)

進(jìn)行處理；然后在軟件程序控制下，單片機(jī)輸出控制信號送到充放電模塊中，經(jīng)光耦驅(qū)動

電路來控制MOSFET,控制MOSFET管導(dǎo)通的方式是脈沖寬度調(diào)制(PWM),根據(jù)載荷變

化來調(diào)制MOSFET管柵的偏置，達(dá)到實現(xiàn)開關(guān)功能。

圖3-1系統(tǒng)原理圖

最后通過通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和保存。串口通信模塊采用MAX232芯片進(jìn)行TTL

電平和RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，加入串口的目的主要是使控制器具有遠(yuǎn)程通信或遠(yuǎn)程監(jiān)控

功能，同時方便將每天的異常狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄下來，供工作人員查看。數(shù)據(jù)存儲電路模塊，

使得當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時，讓蜂鳴器報警，同時把異常電壓值通過12c總線存放在E2PROM

中，作為以后分析使用。

3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.2.1STC89C52的簡介

STC89c52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash

存儲器。使用STC公司高密度非易失性高加密性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令

和引腳完全兼容。在芯片內(nèi)部，擁有很高頻率8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得

STC89c52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。

STC89c52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線，看門

狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串

行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，STC89c52具有低功耗設(shè)計，支持2種軟件可選擇節(jié)

電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。

掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中

斷或硬件復(fù)位為止。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不

同產(chǎn)品的需求。而且STC89c52的工作頻率很寬，可以在0~35MHz之間選擇，芯片具有超

強(qiáng)抗干擾性，加密性強(qiáng)。

STC89c52常見的是PDIP封裝，是一個有40個引腳的芯片，引腳如圖3-2所示。按

其功能類別將它們分為三類：

(1)電源和時鐘引腳。如VCC、GND、XTAL1>XTAL2。

(2)編程控制引腳。RST、PSEN、ALE/PR°G、EA/vppo

(3)I/O口引腳。如P0、Pl、P2、P3?

PI0/T239

POO38

PI1/T2EXP0137

PI2P0236

PI3P0335

P14P0434f

PI5/MOSIP05c

P16/MISOP06

PI7/SCKP07J

P33/INT1P20(A8)lt

P32/INT0P21(A9)

P22(AI0o

P35/T1P23(A11)

t

P34/T0P24(A12)

P25(A13)

E^VPP26(A14)

P27(A15)

XTAL1

XTAL2

RESETP30/RXD

P3I/TXD

P37/RDALE/P

P36/WRPSEN

圖3-2STC89c52引腳圖

這里僅詳細(xì)介紹編程引腳:

(1)RST：復(fù)位輸入。晶振工作時，RST引腳持續(xù)2個機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)

位。看門狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)

上的D1SRT0位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。

(2)ALE/麗云：地址鎖存控制信號(ALE)是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位

地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳(PROG)也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，

ALE以晶振六分之?的振蕩頻率輸出脈沖，可作為外部定時器或時鐘使用。

如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置

“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE

使能標(biāo)志位(地址為8EH的SFR的第。位)的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。

(3)PSEN：外部程序存儲器選通信號(PSEN)是外部程序存儲器選通信號。

當(dāng)STC89c52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機(jī)器周期被激活兩次,

而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。

(4)EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程

序存儲器指令，麗必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程

期間，麗也接收12伏Vpp電壓。

3.2.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路

單片機(jī)是系統(tǒng)的主控芯片，為了使整個電路得到很好的控制，首先必須構(gòu)建最小系統(tǒng)

是單片機(jī)可以工作起來。本設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)擴(kuò)展電路包括上電復(fù)位電路，時鐘電路，

工作指示燈和蜂鳴器報警電路等。

(1)時鐘電路

單片機(jī)內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入端和輸出端

分別是引腳XTAL1和XTAL2,在XTAL1和XTAL2上外接時鐘源即可構(gòu)成時鐘電路,CPU

的所有操作均在時鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多

在1.2MHz~12MHz之間選取。時鐘電路如圖3-3所示。電路中C6、C7是反饋電容，其值

在5pF~3OpF之間選取，本電路選用的電容為3OpF,晶振頻率為11.0952MHz。

C6vcc

圖3-3時鐘電路圖3-4復(fù)位電路

（2）復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H,使單片機(jī)從0000H

單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使

系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動。

單片機(jī)的復(fù)位電路如圖3-4所示。本系統(tǒng)采用的是上電+電平按鈕復(fù)位，上電復(fù)位是通

過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鈕復(fù)位是當(dāng)按鈕按下后，電源通過電阻R14施加

到復(fù)位端上，實現(xiàn)單片機(jī)復(fù)位。

復(fù)位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機(jī)系統(tǒng)能否正常運行，首先要檢查

是否能復(fù)位成功。初步檢查可用示波器探頭監(jiān)視RST引腳，按下復(fù)位鍵，觀察是否有足夠

幅度的波形輸出（瞬時的），還可以通過改變復(fù)位電路電阻和電容值進(jìn)行實驗。

（3）工作狀態(tài)指示燈電路

本設(shè)計可以時刻檢測蓄電池電壓，為了更好的進(jìn)行監(jiān)控，要對整個電路的工作狀態(tài)進(jìn)

行指示，這是很有必要的。工作狀態(tài)指示燈電路如圖3-5所示。其中LED1為正常充電指

示燈，LED2為過壓指示燈，LED3為欠壓指示燈。串聯(lián)的電阻的目的是為了限制通過發(fā)光

二極管的電流太大而將其燒毀。

VCC

LED1

LED1轡

330

LED2。

LED2轡

330

LED3年

330LED3

圖3-5工作狀態(tài)指示燈電路圖3-6蜂鳴器報警電路

（4）蜂鳴器報警電路

報警電路采用蜂鳴器來發(fā)出報警聲音，由于STC89c52輸出引腳的驅(qū)動能力較弱，所

以蜂鳴器要加三極管進(jìn)行驅(qū)動。

在對蓄電池電壓實時監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測電壓值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動

自身報警電路，即當(dāng)電壓超過程序設(shè)定的最高值或最低值時，單片機(jī)的P2.6引腳（beep端）

輸出低電平，三極管隨之導(dǎo)通，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出報警信號。蜂鳴器報警電路圖如圖3-6所

示。

3.3充放電電路

充放電電路如圖3-7所示，電路山防反充二極管D1、濾波電容C4和C5、穩(wěn)壓管D2、

續(xù)流二極管D3、MOSFET管Q1和Q2等構(gòu)成。二極管D1是為了防止反充，當(dāng)陰天或晚

上蓄電池的電壓高于太陽能電池板的電壓時，D1就生效，可以防止蓄電池電流流向太陽能

電池板。分析可知，通過控制MOSFET管閉合和斷開的時間（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IRL2703-N溝

道MOSFET管，N溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth>0。當(dāng)光耦U2斷開時，由于Q1的G極

電壓接近蓄電池電壓，S極是接地，使得Vgs>0,當(dāng)G極電壓達(dá)到一定值時，Q1導(dǎo)通。電

容C4是太陽能電池板輸出電壓濾波，使得更穩(wěn)定地給蓄電池充電。電容C5是對蓄電池輸

出電壓進(jìn)行濾波，以保證負(fù)載供電電路的穩(wěn)定性。圖中穩(wěn)壓管D2用來對蓄電池進(jìn)行穩(wěn)壓

作用。當(dāng)用戶將蓄電池反接至控制器時，續(xù)流二極管D3可以進(jìn)行續(xù)流，從而保護(hù)控制器

不被毀壞。

圖3-7充放電電路

按程序設(shè)計當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于12V,充電模式為均充，Q1為完全導(dǎo)通狀態(tài)，

也就是導(dǎo)通的脈沖占空比最大；當(dāng)檢測到蓄電池的電壓在12V-14.5V,充電模式為浮充，

Q1導(dǎo)通與不導(dǎo)通的占空比例變小，；當(dāng)檢測到蓄電池的電壓等于15V左右，Q1截止使充

電停止，同時Q2也關(guān)閉來關(guān)斷負(fù)載。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓低于10.8V,Q2關(guān)閉停止放

電，關(guān)斷負(fù)載來實現(xiàn)欠壓關(guān)斷。

3.4光耦驅(qū)動電路

為了增加系統(tǒng)的可靠性，本設(shè)計用光電耦合器實現(xiàn)單片機(jī)控制電路和充放電電路的隔

離。光耦驅(qū)動電路如圖3-8所示。MOS管Q1控制著充電電路，當(dāng)充電控制信號PWM為低

電平時，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的電流近似為零，右側(cè)三極管不導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的

電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”，輸出端K1被抬高，電阻R9右側(cè)被穩(wěn)壓管D2穩(wěn)壓到12V

左右，MOSEFT的Vgs>0,MOS管Q1開啟，太陽能極板開始對蓄電池充電；當(dāng)充電控制

器信號為高電平時，光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，輸出端兩管腳間的電阻變

小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”，此時從U2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,Q1截止，充電電路關(guān)斷。這就是充電電路原理。M0S管Q2控制著放

電電路，其原理與Q1相似。

圖3-8光耦驅(qū)動電路

3.5A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)設(shè)計的STC89C52單片機(jī)沒有內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此需要先采集蓄電池的

電壓，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才可接入單片機(jī)。市場中集成的A/D轉(zhuǎn)換器品種很多，選用時需要

綜合考慮各種因素進(jìn)行選取。一般逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器用到較多，本設(shè)計采用8位并行

A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0804。因為蓄電池電壓的采集轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)中極為重要，所以下面對所

選ADC0804芯片及在本系統(tǒng)中是典型連接電路予以介紹。

3.5.1ADC0804的簡介

AD轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，顧名思義，就是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換器最主

要的技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，由于逐次比較型兼有并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度高和

雙積分型轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點，所以得到普遍應(yīng)用。ADC0804就是這類集成A/D轉(zhuǎn)換器。

ADC0804為一只具有20引腳并行8位CMOS工藝逐次比較型的集成A/D轉(zhuǎn)換器，其

規(guī)格如下：

(1)高阻抗?fàn)顟B(tài)輸出,分辨率:8位(0~255)

(2)存取時間:135us；轉(zhuǎn)換時間：100us

(3)總誤差：正負(fù)1LSB

(4)工作溫度：0度~70度；

(5)模擬輸入電壓范圍：0V~5V

(6)參考電壓：2.5V：工作電壓：5V

(7)輸出為三態(tài)結(jié)構(gòu)，可直接連接在數(shù)據(jù)總線上。

ADC0804引腳圖如圖3-9所示，其各個引腳的功能：

西一芯片片選信號輸入端，低電平有效，一旦衣有效，表明A/D轉(zhuǎn)換器別選中,

可啟動工作。

而一外部讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制輸出信號。而為1時，DB0~DB7處理高阻抗：麗

為0時，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)才會輸出。

禰一用來啟動轉(zhuǎn)換的控制輸入，相當(dāng)于ADC的轉(zhuǎn)換開始(氐=0時)，當(dāng)標(biāo)由

1變?yōu)?時，轉(zhuǎn)換器被清除：當(dāng)禰回到1時，轉(zhuǎn)換正式開始。

CZZUVoc

cs而

匚ZOCLKR

WRCZZ^DBi

CLK1CZ=IDBi

NTR

vlmv匚

匚ZUDB3

1=二］

AGND匚二JDBs

V*?h'2匚二二IDB6

IXND匚二ZZIDB?

圖3-9ADC0804引腳圖

CLKIN一時鐘信號輸入端

CLKR：內(nèi)部時鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK配合可有芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其

振蕩頻率為1/(1.1RC)

WTR一中斷請求信號輸出，端，低地平動作.，表明本次轉(zhuǎn)換已完成。

VIN(+)VIN(-)——差動模擬電壓輸入。輸入單端正電壓時，VIN(-)接地:而差動輸入

時，直接加入VIN(+)VIN(-).

AGND,DGND——模擬信號以及數(shù)字信號的接地.

VREF/2—參考電平輸入，決定量化單位。

DB0~DB7一三態(tài)特性數(shù)字信號輸出端.

VCC:電源供應(yīng)以及作為電路的參考電壓.

3.5.2ADC0804外圍接線電路

(1)電壓采集電路

如圖3-10所示，電壓采集電路使用兩個串聯(lián)的電阻，大小比例為2:1,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ADIN,當(dāng)

蓄電池充滿電時電壓大概為14.5V,計算出采集到的電壓為4.8V,符合A/D轉(zhuǎn)換芯片的

ADC0804的輸入值。

圖3-10電壓采集電路

(2)ADC0804構(gòu)成的典型A/D轉(zhuǎn)換電路

圖3-11A/D轉(zhuǎn)換電路

按照芯片手冊中ADC0804的典型接法，系統(tǒng)中設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換電路如3-11所示。單

片機(jī)的P2.7弓I腳，用來實現(xiàn)片選；RD、WH分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7引腳，進(jìn)行讀

寫控制；CLK、CLKR、GND之間用電阻和電容構(gòu)成RC振蕩電路，用來給ADC0804提供

工作所需的脈沖。

蓄電池的電壓采集信號ADIN從6腳引入，在內(nèi)部采集轉(zhuǎn)換后，從數(shù)字輸出端輸出到

單片機(jī)的P1口，通過讀P1口數(shù)據(jù)，便可以得到蓄電池的電壓，實現(xiàn)實時在線檢測。

3.6LCD顯示電路

液晶具有體積小、功耗低，顯示清晰的優(yōu)點，所以比較適合作顯示使用。為了更好的

顯示電壓值，同時擴(kuò)展自己學(xué)習(xí)芯片的能力，本設(shè)計用液晶1602來顯示蓄電池的電壓值。

在使用1602之前，我們首先查閱其使用手冊，對其進(jìn)行一定的了解。從芯片手冊中，可以

得到1602液晶的主要技術(shù)資料-，如表3-1所東，通過此表我們可以知道1602工作電壓和

顯示容量，可以驗證設(shè)計選擇的是否合適。

表3-11602的主要技術(shù)參數(shù)

顯示容量16x2個字符

芯片工作電壓4.5~5.5V

工作電流2.0mA(5.0V)

模塊最佳工作電壓5.0V

字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm

顯然，1602液晶可以滿足要求，接下來介紹其各個引腳的功能，為后面設(shè)計電壓顯示

電路做準(zhǔn)備。1602引腳功能如表3-2所示。

表3-21602引腳功能表

引腳符號名稱功能

1Vss接地0V

2VDD電路電源5V±10%

液晶顯示對比度調(diào)節(jié)

3VO用于調(diào)節(jié)對比度

端

H:數(shù)據(jù)寄存器L:指令寄存

4RS寄存器選擇信號

器

5R/W讀/寫信號H:讀L:寫

6E片選信號下降沿觸發(fā)，鎖存數(shù)據(jù)

7-14DB0-DB7數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)傳輸

VCC三LCD1602

1

2

3

-ww4

R21

RSr—5

10k

R/W—6

ENDO7

D?8

D29

D310

D411

D512

D613

D714

R2215

vcc|-----LZ1

io6

圖3-12電壓顯示電路

根據(jù)1602的技術(shù)參數(shù)和引腳功能，1602與單片機(jī)連接構(gòu)成的電壓顯示電路如圖3-12

所示。EN使能端接單片機(jī)的P2.2引腳，用來實現(xiàn)片選；RS接單片機(jī)P2.0引腳，進(jìn)行數(shù)

據(jù)和命令選擇；R/W接單片機(jī)P2.1弓|腳，進(jìn)行讀寫控制；為防止直接加5V電壓燒壞背

光燈，在15腳串接一個10的電阻用于限流。液晶3端通過接一個10K電位器接地來調(diào)

節(jié)顯示對比度。數(shù)據(jù)輸入端D0-D7接單片機(jī)的P0口用于電壓數(shù)據(jù)的傳送。

3.7E2PROM數(shù)據(jù)存儲電路

為了把電路發(fā)生異常時的蓄電池電壓記錄卜來，需要用存儲芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。若采

用普通存儲器，在掉電時需要備用電池供電，并需要在硬件上增加掉電檢測電路，但存在

電池不可靠及擴(kuò)展芯片占用單片機(jī)過多口線的缺點。為了解決這一難題，本設(shè)計采用具有

12c總線接口的串行E2PR0M器件，這里選擇AT24C02芯片。AT24C02可有效解決掉電數(shù)

據(jù)保存問題，可對所存在數(shù)據(jù)保存100年，并可多次擦寫，擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上。

AT24C02是?個2K位串行CMOSE