太阳能中芯片的应用.docx
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太阳能中芯片的应用
太阳能发电系统中基于MC9S08SL1单片机的系统设计
控制器系统简介
本太阳能光伏控制器系统的结构框图如图3.1所示。
控制器系统主要由太阳
电池阵列、控制电路、检测电路、MC9S08SL1单片机、蓄电池等组成。
图本太阳能光伏控制器系统结构图
太阳电池阵列受控制电路的控制作用向蓄电池充电。
当太阳电池阵列和蓄电
池两端的电压达到某一限度时,检测电路将检测到的太阳能电池阵列和蓄电池两端的电压直接输送到MC9S08SL1单片机A/D转换口,并发出控制信号,经一系列的控制元件,使充电回路或放电回路切断,从而实现了对蓄电池的保护。
所设计的控制器当太阳能电池电压低于3V时,控制器自动点亮灯具;高于3V时,控制器自动熄灭灯具。
当MC9S08SL16单片机检测到蓄电池的电压低于10.9V时,自动切断放电回路;高于10.9V,接通放电回路。
实现了控制器防过放的功能。
而当蓄电池的电压高于14.4V时,充电回路自动断开,低于14.4V
时,充电回路重新接通。
实现了对蓄电池的防过充功能。
另外,此控制器具有防反充功能,即防止蓄电池向太阳能电池充电。
以下是所设计控制器的参数:
参数技术指标
额定充电电流(A)额定充电电压(V)
单片机介绍
单片机的概念与应用
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。
它由主
机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。
因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑控制器上。
单片机的应用领域:
1.单片机在智能仪器仪表中的应用;
2.单片机在工业测控中的应用;
3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用;
4.单片机在日常生活及家电中的应用;
5.单片机在办公自动化方面。
MC9S08SL1单片机
MC9S08SL1单片机是飞思卡尔半导体公司推出的HCS08系列8位微控制器。
作为全球顶尖的半导体器件生产商,飞思卡尔半导体采用业界领先的设计,提供全面的8位、16位和32位微控制器。
现在,飞思卡尔的8位微控制器系列推出HCS08低电压低功率系列产品,可在20Mhz和超低功耗下正常运行,强劲性能丝毫无损。
作为飞思卡尔最新的8位MCUHCS08系列的工作电压为1.8V,因此具有低功耗。
同其它以性能为代价来保持低功耗水平的MCUf比,HCS08系列的性能与
许多16位MCU勺性能相当,但仍然保持了低功耗。
大多数低功耗应用的功能平时都保持空闲或休眠模式,但一旦用户需要,这些器件就必须能迅速的进行高性能运作。
HCS08系列MCU就是为这类应用而开发的,例如通用遥控器(URC长时间的保持空闲,但一旦需要,就必须马上激活并根据需要进行高性能反应。
其它可能的应用包括手持仪器、通用仪表、安全系统和其它的便携式和无线工业与消费设备。
HCS08系列使用智能功率管理技术减小了功率和电流消耗,也可以和一种创新的片上调试器并用,减少开发成本和投入市场的时间。
HCS08具有能够
与HC08兼容的目标代码,而且具有其他改进的指令集和寻址模式,从而可使编码效率提高10唸V15%此种微控制器系列最早为HC05系列,逐渐发展到HC08系列,HCS08系列是HC08系列的扩展,它能够长久释放电池能量,同时提供低至1.8V的最高性能、业界领先的Flash技术,并支持富有创意的片上开发。
它非常适用于高容量电池驱动的设备,典型应用如:
手持设备、温度调节装置、
应用仪表、通用远程控制、电子钥匙和电子锁、便携音频设备、电子玩具、数码相机/便携式摄像机等。
MC9S08SL1采用增强的40MHzHCS0呐核,并集成了各种模块,不同容
量存储器以及存储器类型,并提供不同的封装类型。
图321.2是MC9S08SL16
RESET匚
1
20
BKGD/MS匚
2
19
vdcAdca/vrefh匚
3
18
'■■'SS^SSA^^REFL—
4
20-Pin
17
PTB7/SCLyEXTAL匚
5
TSSOP
16
PTBB/SDA/XTALU
6
15
PTBS/TPM1CH1/SS匚
7
PTB4/TPM2CH1/MISO匚
B
13
PTC3/PIC3/TPM1CH3/ADP11匚
9
12
PTC2/PICMPM1CH2/ADP10匚
10
11
的芯片引脚图
二IPT/WIAC/TPM1CHO/TCLK/ACMPI+/ADPOZJPTA1/PIA1/TPM2CHO/ACMPH!
ADP1二IPTA2/PIA2/SDA/RxD/ACMPlO/ADP2
二IPTA3^IA3/SCLJxD/ADP3
二IPTBO/PIBC/SLAx»Fb(D/ADP4
二IPTBIjPIBI/SLTxD/TxD/ADPS
二IPTB2/PIB2/SD/VSPSCK/ADP6
二IPTB3yPIB3/SCUMOSI/ADP7
二IPTaVPICC/TPMlCHCVADPfl
=□PTC1/PIC1/TPM1CH1/ADP9
Figure2-2.20-PinTSSOP
MC9S08SL1是20脚的可编程逻辑芯片。
其中引脚3和引脚4是为MCI供电的主要引脚。
VDD接电源的正极,VSS接地。
此电压源为所有的I/O缓冲电路和内部的电压调节器供电。
引脚1是专门用于需要重新工作的复位键,并且是低电平有效。
引脚2的作用是进行模式选择。
引脚5,6接晶振,它结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。
弓I脚7、8在本设计器中用做单片机产生的控制信号的输出,来控制充电回路和放电回路的通断。
引脚9、10、11、12输出控制二极管亮暗的信号,来指示蓄电池的状态。
引脚13〜18接地。
引脚19、20用来接收外部电路发出的信号,并具有模数转换功能。
芯片内预先设置好的电压和对应的端口是要编程的,可以在kile
软件的uVision2集成环境下用汇编语言编写,然后下载到MC9S08SL1单片机里。
MC9S08SL1是一款智能型芯片,由于它的可编程性和卓越的控制功能大
大简化了电路,使电路变得更加简单也更加易于理解
其它电路元器件介绍
4N25芯片
4N25是MOTORA公司生产的光电耦合器。
光电耦合器是一种把电子信号转换成为光信号,然后又回复电子信号的半导体器件。
当电流移向电耦合器的输入端(图3.2.2.1),光学信号由发光二极管输出。
输出面的光学感应器察觉之,
4N25型光电耦合器属于三极管输出型光电耦合器,这种光电耦合器具有很高的输入、输出绝缘性能,其频率响应可达300kHz,而开关时间只有几微秒。
4N25的内部结构图
1.Anode4.Emitter
2.Cathode5.Collector
3.NC6.Bose
图3.2.2.2
其工作原理为:
当引脚1为高电平,引脚2为低电平时,引脚1,2间导通,产
生光信号,4、5、6端光学感应器感应到光信号后,5、4引脚间通过电流,来控制与5、4引脚连接的电路。
50N06芯片
50N06芯片是由UNISONICTECHNOLOGIESCO.,L友顺科技股份有限公司)
研发的一种N沟道MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管)。
UTC50N06是一款具有三个末端的硅芯片。
它具有50A的电流传导能力和很快的开关转换速度。
它的通态电阻很小,击穿电压额定值为60V,最大的阈值电压为4V。
它主要适用于电子镇流器和低功率开关模式电源设备。
图322.2是50N06
的内部结构图。
UTC50N06有三个端子:
漏极D源极S和栅极G当漏极D接电源正,源极S接电源负时,栅极G和源极S之间电压为0,沟道不导电,管子处于截止。
如果在栅极G和源极S之间加一正向电压UGs并且使UGs大于或等于管子的开启电压UT,则管子开通,在漏极D和源极S之间流过电流Id,"s超过UT越大,导电能力越强,漏极D电流越大。
系统的功能介绍
本论文设计的光伏控制器系统主要由检测回路、充电模块、放电模块组成所设计的光伏控制器系统能完成对从太阳能光伏阵列到蓄电池充电过程的控制,也能对蓄电池向用电器供电过程进行很好的控制。
其最主要的功能是实现对蓄电池的保护,延长蓄电池的寿命。
图3.3为所设计的光伏控制器系统电路图。
此电路图中,MC9S08SL16处于核心控制地位。
它负责检测蓄电池和太阳能电池板上的电压,并发出控制信号来开关充电回路和负载回路,实现对蓄电池的保护。
光耦4N25和功率管50N06是充放电回路的重要组成部分,主要起开关控制作用。
电容起电压缓冲作用,以保护系统稳定运行。
电阻起分压和保护电路的作用。
下面我们分块讨论系统的功能。
检测回路
检测回路是整个系统正常运行必不可少的一部分。
它用来检测蓄电池两端和太阳能光伏阵列两端的电压,将检测到的电压处理后和设定值比较,并发出控制信号,来决定充电回路或负载回路的通断。
此电路图中,蓄电池上的电压Ubat+在10〜15V间变化,而单片机只能接受0〜5V的电压,因此此电路中加入了分压电阻R3和R10,其中R3选6千欧,R10选3千欧。
考虑到整个控制器的规格和负载功率的要求及温度补偿的原因,蓄电池两端
的过充电压设定在14.4V。
14.4V经R3和R10分压后,MC9S08SL1单片机的A/D转换口得到2.36V的电压。
当蓄电池上升到过充电压附近时,MC9S08SL1单片机的A/D转换口将分得的2.36V左右的电压转换成数字量与单片机内预先设定好的2.36V的对应值比较,如果比2.36V高,就给MC9S08SL1单片机的引脚8一个低电平,使充电回路断开。
如果A/D转换口检测到的电压比2.36V低,那么单片机同样进行模数转换,作出判断,给引脚8一个高电平,使充电回路接通,太阳能光伏阵列向蓄电池充电。
蓄电池两端的过放电压设定为10.9V,同样经R3
和R10分压后,当蓄电池达到过放电压时,MC9S08SL1单片机的A/D转换口分
得1.79V左右的电压,然后进行模数转换与单片机内预先设定好的1.79V的对应值比较,如果比1.79V低就给MC9S08SL1单片机的引脚7一个高电平,使放电回路断开,起到保护蓄电池过度放电的作用。
120
21?
3U
4MC9S08SL1617
此检测回路一方面是为节能设计的,另一方面实现了太阳能照明系统的自动开启和自动关断功能。
根据节能要求,所设计的控制器在太阳能光伏阵列两端电压高于3V时,必须自动熄灭照明灯具;低于3V时,控制器自动点亮照明灯具,以实现自动熄灭与自动开启功能。
图中R4是5.1千欧,R9是1千欧。
照明灯具自动开启与关断的分界电压3V分到MC9S08SL1单片机A/D转换口的电压为0.49V。
当太阳能光伏阵列两端的电压Ugu+达到3V左右时,Ugu+经R4和R9分压后,将MC9S08SL1单片机A/D转换口上分得的电压转换成数字量与单片机内设定的0.49V的对应值比较,
如果电压大于0.49V,单片机将给7引脚一个低电平,使放电回路断开,照明灯具自动熄灭。
如果电压低于0.49V,单片机将给7引脚一个高电平,使放电回路接通,照明电路自动点亮。
3.3.2充电模块
充电模块实现的是对太阳能光伏阵列向蓄电池充电过程的控制功能。
本论文设计的充电模块由4N25芯片、50N06芯片等元器件组成。
图3.3.1为充电模块电路示意图。
1
M4
CM
4
2
5
5
GND
3
36
6
■3~1
CM
—am
50N06
R1E
—
4
1—
CM
Q2
—CME
50N06
GND
Qi
GND
工
"Eat
1
batH-
>■
此电路图采用PROTEL99S软件绘制。
gu-和gu+分别接太阳能电池阵列的负极和正极,而bat-和bat+分别接蓄电池的负极和正极。
蓄电池通过分压电阻接在MC9S08SL1单片机的3引脚上为其提供一个稳定的电压源,蓄电池一般稳定工作在12V,经7千欧的R11和5千欧的R12分压后,单片机上分得5V的工作电压。
另外通过分压,A/D转换口能够检测蓄电池两端的电压,继而给输出端8一个控制信号,来接通或者关断充电回路。
根据本控制器所要达到的设计要求,过充电压设定为14.4V。
首先,我们通过Kile软件在uVision2集成环境下编写程序,将14.4V分压后的4.8V编入程序中,然后下载到MC9S08SL1单片机中。
当A/D转换口检测到的电压小于4.8V时,单片机将此电压转换成数字量,和4.8V的对应值比较后,给输出端8脚一个高电平。
8脚和4N25的输入端1脚相连。
4N25的2脚接地,这样1脚和2脚之间就有一个电压,1脚和2脚一接通,5脚和6脚就接通,由于5脚接的是太阳能光伏阵列的正极,因此6脚产生的是高电平。
和6脚相连的50N06的3脚也就产生一个高电平。
功率管50N06的3脚是栅极G,我们把漏极D接地,源极S与太阳能光伏阵列的负极相连。
这样栅源之间的电压dS就是太阳能光伏阵列两端的电压Ugu,Ugu大于管子的开启电压UT,管子导通,在漏极和源极间(引脚1、2间)流过电流Id,这样充电回路就接通了。
充电回路接通后,太阳能光伏阵列接收光照产生的电流从gu+出来流进
50N06的1脚。
50N06芯片1脚(源极)到2脚(漏极)永远都是导通的。
因此,电流从1脚流进从2脚流出,然后流进蓄电池的正极,流向蓄电池的负极。
蓄电池的负极和左边的50N06芯片的漏极D都接地,当左边的50N06的栅极G产生一个高电平时,电流就从漏极D流向源极S,流回太阳能光伏阵列的负极。
这就是充电的整个过程。
放电模块
首先,蓄电池要对用电器正常放电即放电回路导通,蓄电池需满足一定的电
压要求。
根据本设计器的控制要求,过放断开电压为10.9V。
因此,当蓄电池电
压大于10.9V时,放电回路才能导通。
当蓄电池两端的电压变化到10.9V附近时,MC9S08SL1单片机的A/D转换口通过5.1千欧的R3和1千欧的R10分压后,得到1.79V左右的电压,将此电压转换成数字量与1.79V的对应值比较,如果比
1.79V高,就给MC9S08SL1单片机的7脚一个高电平。
7脚和光耦4N25的输入端1脚相连,当7脚产生一个高电平时,4N25的1脚和2脚就接通了,由4N25光电耦合器的特性可知,1脚和2脚导通将会使5脚和6脚接通。
5脚和蓄电池的正极相连。
这样6脚就会产生一个高电平。
50N06的3脚(栅极G)就为高电平,使2脚(漏极D)和1脚(源极S)导通,流过电流Id,流向蓄电池的负极。
当检测到的电压比1.79V低时,单片机7脚上得到的是低电平,放电回路就断开了。
放电回路接通,电流从蓄电池正极流出到用电器正极,再到用电器负极,然后到50N06的漏极D(引脚2),到50N06的源极S(引脚1),也就是到最后的蓄电池的负极。
这是整个放电回路的工作过程。
系统流程图
本太阳能光伏控制器系统的流程图。
关闭充电回路
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