太阳能充电控制器设计报告.docx
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太阳能充电控制器设计报告.docx
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太阳能充电控制器设计报告
太阳能充电控制器报告
内容摘要本小组设计了一种基于单片机的太阳能控制器,系统使用低功耗、高性能的AT89S51单片机作为控制电路的核心器件。
此系统由太阳能电池模块,蓄电池,MC34063升压电路,充放电电路,电压采集电路,单片机控制电路和继电器驱动电路组成。
提高部分设计使用PWM(脉宽调制)控制技术来控制蓄电池充放电,通过控制MOSFET管开启和关闭达到控制电池充放电的目的。
实验结果表明,该系统可以监视太阳能充电板和蓄电池电池状态,实现控制蓄电池最优充放电,达到延长蓄电池的使用寿命。
关键词AT89S51;控制器;继电器;MC34063;PWM
一、方案的论证与选择
1.1升压电路的方案选择
方案1:
采用555倍增电路,该电路电压输出为输入电压倍数,不易满足线性电压输入变化时输出一个恒定充电电压的题目要求。
方案2:
采用MC34063经典升压电路,该电路可靠性强稳定,芯片价格便宜,当输入电压变化时(小于12V)升压后的充电电压稳定在13.5V左右,满足蓄电池充电要求。
1.2控制电路的方案选择
方案1:
采用tlp-521光耦控制,存在光耦敏感度不强,使用不稳定的情况。
方案2:
采用单片机连接C9018型npn三极管放大电路连接HUIKE-HK19F-DC5V-SHG继电器控制电路选择;工作状态较稳定。
1.3充电方式方案的选择
方案1:
恒压方式充电,最容易实现。
方案2:
恒流方式充电,AD采样时需转换成电压值,电路较繁琐且不易控制。
二、系统原理及框图
电路包含太阳能电池,DC-DC变换电路,蓄电池,数据采集电路,A/D转换电路,单片机控制电路及状态显示部分。
本设计以ATMEL系列AT89S51单片机为控制中心的软硬件的结合,使用并联在电池两端的两个串联电阻,以分压方式对蓄电池、太阳能电池的电压进行采样,送到A/D转换得到一个数字信号的电压值,再将信号送入到单片机中进行处理。
单片机输出经光耦电路控制MOSFET管。
控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM),根据程序设计的载荷变化来调制MOSFET管栅的偏置,达到实现开关功能。
按程序设计当检测到蓄电池的电压低于12V,充电模式为均充,Q1为完全导通状态,也就是导通的脉冲占空比最大;当检测到蓄电池的电压在12V-14.5V,充电模式为浮充,Q1导通与不导通的占空比例变小;当检测到蓄电池的电压等于15V,Q1截止充电停止。
当检测到蓄电池的电压低于10.8V,Q2关闭停止放电。
三、单元电路的设计及参数计算
3.1直流稳压输出电路
根据题意引入15v直流稳压电源,同时串接电位器,代替电压变化的太阳能电池。
通过分压调节输入电压8v-15v之间以供测试。
同时电源并接100uf和104电容常规去耦。
3.2A/D采样及转换电路
如图所示,电压采集电路使用两个串联的电阻,大小比例为10:
1,然后并联在需要检测的电压两端,从两个电阻中间采集电压。
由分压公式得出采集的电压为VR1R21/11,当蓄电池充满电时电压大概为14.5V,计算出采集到的电压为1.3V,符合A/D转换芯片的TLC549的输入值。
AT89S51单片机没有内置的A/D转换模块,因此采集的电压需要经A/D转换才可接入单片机。
此设计采用8位串行A/D转换器芯片TLC549(如图7)。
需要采集的信号从2管脚AIN输入,1管脚的基准电压使用5V,5、6、7三管脚连单片机。
序号
可调电源
电压
AD1采样电压
A/D转换
理论值
实际值
理论值
实际值
1
V
V
V
V
V
2
V
V
V
V
V
3
V
V
V
V
V
3.3继电器控制电路
通过P1口的引脚高地电平的变化切换升压电路和普通充电电路,继电器使用HUIKE-HK19F-DC-5V-SHG;线圈电压为5v,但是由于单片机工作电流太小只有30mA,不足以驱动继电器,所以增加一个NPN型三极管的电流放大电路。
3.4升压电路
根据题目要求,设计电路时采用proteus仿真结果Vin=5V-12V,Vout=13.5V;
计算过程:
首先,快速开关管D取1N5819,8PIN电阻取180Ω可用200Ω和2KΩ电阻:
Vces=1.0V ton/toff=(Vo+Vf-Vimin)/(Vimin-Vces) Vimin:
输入电压不稳定时的最小值 Vf=1.2V快速开关二极管正向压降
Rsc(限流电阻):
决定输出电流.Rsc=0.33/Ipk Ipk=0.33/Rsc=0.33/0.33=1A
Lmin(电感):
Lmin=(Vimin-Vces)*Ton/Ipk=220μH Ton=220*10-6*1/(5-1)=55μs
Ct(定时电容):
决定内部工作频率.Ct=0.000004*Ton(工作频率)=4.0*10–5*55*10–6=2200pf
根据库存,Ct电容可取2个102和2个101并联代替
Vout(输出电压)=1.25V(1+R1/R2)可调节电阻实现6-60V输出
由ton/toff=(Vo+Vf-Vimin)/(Vimin-Vces)
输出6V时toff=55*10–6/((6+1.2-5)/(5-1))=100μs最大占空比0.55(似乎无看到对最大占空比有规定?
)
f=1/(ton+toff)=1/(55*10–6+100*10–6)=6.45kHZ
输出60V时toff=55*10–6/((60+1.2-5)/(5-1))=3.9μs最大占空比14.05
f=1/(ton+toff)=1/(55*10–6+3.9*10–6)=16.98KHZ
6.45kHZ,16.98KHZ属于MC34063的0.1~100KHZ正常工作频率范围内..可实现与【
Co(滤波电容):
决定输出电压波纹系数,Co=Io*ton/Vp-p(波纹系数)
Ipk=2*Iomax*T/toff=2*Iomax*(ton./toff+1)
取最大占空比0.55则Iomax=1/2/(0.55+1)=322.6mA
则Vp-p=100mv Co=0.3226*55**10-6/0.1=177μf
可取220μf
序号
输入电压
升压电路输出电压
理论值
实际值
1
V
V
V
2
V
V
V
3
V
V
V
3.5蓄电池充放电电路
电路由防反充二极管D1、滤波电容C1、续流二极管D2、MOSFET管Q1、滤波电容C2、MOSFET管Q1等构成。
二极管D1是为了防反充,当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池的电压时,D1就生效。
通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM—脉冲宽度调制),就可以控制输出电压。
所使用的MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管,所需驱动功率较小。
而且MOSFET只有多数载流子参与导电,不存在少数载流子的复合时间,因而开关频率可以很高,非常适合作控制充放电开关。
设计中采用IRF9540NP沟道MOSFET管,P沟道MOSFET的导通电压Vth<0,由下图可以实现MOSFET的驱动。
当光耦U5导通时,由于Q1的G极电压很小,G极近似接地,Vgs<0,当S极电压达到一定值时,Q1导通。
Q2的原理类似。
电路如图
序号
K1电压
Q1状态
K2电压
Q2状态
1
V
V
V
V
2
V
V
V
V
3
V
V
V
V
3、6单片机供电电源
单片机对电源质量要求严格,只有波形稳定清晰的电源才能使单片机上电复位,否则无法上电复位,晶振不能起振,单片机就不工作。
蓄电池提供的电压是12V,单片机电源使用5V电压,因此需要稳压后才能供单片机使用,本设计采用LM7805稳压后得到波形较好的电源才供单片机使用。
蓄电池电压
理论输出电压
实际输出电压
12V
V
V
3.8单片机及外围引脚
四、软件设计流程
设计流程图
Y
N
N
N
Y
Y
五、测试方法和结果
六、测试结果分析
七、总结
八、参考文献
[1]康华光,陈大钦,张林;《电子技术基础(模拟部分)》;高等教育出版社
[2]黄正轴,龚培等;《实用电器电路识读与元器件应用易学通》;中国电力出版社
[3]孙于凯;《555时基电路识图》;电子工业出版社
[4]陈永辅;《555集成电路应用800例》;电子工业出版社
附录一
主要c程序(仅核心部分)
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitCLK=P0^0;/*AD时钟信号*/
sbitCS=P0^2;/*AD片选信号*/
sbitDOUT=P0^1;/*数据输出*/
sbitFuZai=P1^1;
sbitPWM=P1^0;
sbitLED1=P2^0;
sbitLED2=P2^1;
uchart0,battery_v;
voiddelay(uintn)//延时函数
{
while(n--)
{
_nop_();
}
}
/*************************************/
voidinit()//初始化函数
{
TMOD=0x01;
TH0=(65536-50)/256;
TL0=(65536-50)%256;
EA=1;
ET0=1;
PWM=0;
LED1=1;
LED2=1;
}
/***********************************/
ucharadc_549(void)//AD转换
{
uintdata_out=0;
uchari;
CS=1;
_nop_();
CS=0;
for(i=0;i<8;i++)/*读取8位数据*/
{
CLK=0;
data_out=(data_out<<1)|DOUT;
CLK=1;
_nop_();
}
CLK=0;
CS=1;
delay(3);/*延时21us以上*/
return(data_out);
}
/**********************************/
voidmain(void)
{
init();
while
(1)
{
battery_v=adc_549();
FuZai=1;//打开负载
if(battery_v>186)//蓄电池电压大于10V
{
LED1=1;
LED2=0;
if(224>battery_v>204)
{
TR0=1;//开启固定PWM充电
if(t0==5)
{
PWM=1;
}
if(t0==12)
{
t0=0;
PWM=0;
}
}
else
{
TR0=0;
LED1=1;
LED2=1;
}
}
else
{
LED1=0;
LED2=1;
FuZai=0;//关闭负载
}
}
}
voidtimer0()interrupt1//定时器0,用来产生PWM
{
TH0=(65536-50000)/256;
TL0=(65536-50000)%256;
t0++;
}
附录二
主要元器件介绍
AT89S51单片机
AT89S51单片机是ATMEL公司生产的低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[1]。
AT89S51具有以下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
3.2TLC549
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17μs,TLC548允许的最高转换速率为45500次/s,TLC549为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB,典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围,VREF-接地,VREF+-VREF-≥1V,可用于较小信号的采样[2]。
TLC548/549的极限参数如下:
●电源电压:
6.5V;
●输入电压范围:
0.3V~VCC+0.3V;
●输出电压范围:
0.3V~VCC+0.3V;
●峰值输入电流(任一输入端):
±10mA;
图13TLC549管脚图
图
●总峰值输入电流(所有输入端):
±30mA;
●工作温度:
-55℃~125℃
MOSEFT管
MOSEFT管是利用电场效应来控制电流的,由金属、氧化物和半导体制成,由于场效应管的栅极被绝缘层(例如SiO2)隔离,因此其输入电阻可达109欧以上。
MOSEFT管所需驱动功率较小。
而且MOSFET只有多数载流子参与导电,不存在少数载流子的复合时间,因而开关频率可以很高,非常适合作控制充放电开关。
本设计采用IRF9540NP沟道场效应管,以下是IRF9540N的一些参数:
VGS=0V,ID=-250uA
VGS=-10V,ID=-11A
VDS=VGS,ID=-250uA
VDS=-50V,ID=-11A
VDS=-80VVGS=0V,IDSS=250uA
VGS=20V,IGSS=100nA
光耦
光耦合器是以光为媒介传输电信号。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
光耦工作时对输入、输出的电信号有很好的隔离作用,因此被广泛用在各种电路中。
光耦的内部结构如图14所示,在1、2极之间加正向电压,内部的发光
二极管(LED)将会发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,3、4极之间导通。
反之,光耦内部的发光二极管的电流近似为零,输出端两管脚间的电阻很大,相当于开关断开。
由于单
图14光耦合器
片机输出只有5V不足于驱动MOSFET管,因此驱动MOSFET管的电压从U3出接出。
太阳能电池
如右图所示,太阳能电池是利用半导体光伏效应制成的,能够直接将太阳辐射转换成电能的器件。
具有很强的光伏效应半导体材料,当吸收一定能量的光子后其内部导电的载流子分布和浓度发生变化。
光照在半导体P/N结上,就会在其两端产生光生电压,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
在这个过程中,光电池本身不发生任何化学反应,也没有转动磨损,因此使用太阳能电池的过程中没有噪声,没有环境污染,这是其他方式发电所不能比拟的。
3.6蓄电池
国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是铅酸蓄电池,它的主要特点:
寿命长,免维护安全可靠,具有比较好的循环充放电能力,具有很好的过充和过放能力。
电池的正极活性物质是二氧化铅(PbO2),负极活性物质是海绵状金属铅(Pb),电解液是硫酸液(H2SO4)。
本设计采用密封型铅酸电池,设计的蓄电池电压值为:
12V,充满断开电压为:
14.1~14.5V;恢复连接电压为:
13.2V。
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- 太阳能 充电 控制器 设计 报告