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1、太阳能充电控制器及逆变器设计毕业论文目录摘 要 IAbstract II目 录 III1 绪论 11.1 课题研究背景和意义11.2 太阳能充放电控制器现状21.3 设计主要任务32 太阳能充电控制器的总体设计方案 52.1 太阳能路灯系统基本结构52.2 充电控制器的控制策略72.3 控制器的整体设计方案93 太阳能充电控制器的硬件电路设计 113.1 系统层次原理图113.2 单片机最小系统123.2.1 STC89C52的简介123.2.2 单片机的最小系统及扩展电路153.3 充放电电路173.4光耦驱动电路183.5 A/D转换电路193.5.1 ADC0804的简介193.5.2
2、ADC0804外围接线电路213.6 LCD显示电路223.7 E2PROM数据存储电路243.8 串口通信电路254 12V转交流220V逆变器284.1方波的产生304.2 场效应管驱动电路304.3 场效应管电源开关电路315 太阳能充电控制器的软件设计 365.1 系统主程序设计365.2 电压采集转换模块375.3 显示模块385.4 数据存储模块415.5 软件调试和仿真43总结与展望 46致 谢 48参考文献 49附录 源程序 50附录 硬件电路图 61 .专业.专注. 1 绪论1.1 课题研究背景和意义能源资源是国民经济发展的重要基础之一，随着人民生活水平的不断提高和科学技术的
3、迅速发展，能源的缺口增大，能源问题作为困扰人类长期稳定发展的一大因素摆在了人们面前。伴随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已经不能适应世界经济快速增长的需要，如何解决能源问题，是每个国家都必须面临的问题。同时，以煤、石油作为燃料在燃烧过程中产生的有害物质已经开始造成全球变暖，即“温室效应，人类的生活将会由此受到很大的威胁。这些难题迫使政府和社会在发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。新能源包括水能、风能、太阳能等。虽然风能或水能等更加便宜，但是大多数的自家用户却都不可能找到适当场合进行架设，架设成本较高。而太阳能则不同，任何自家用户只要找到一个有阳光照射到的窗户
4、都可以装置太阳能极板作辅助能源，几百元投资便可以架设。所以综合考虑，太阳能无疑是符合我国可持续发展战略的理想绿色能源，全球能源专家也认为，太阳能将成为21世纪最重要也最有前景的能源之一。而且太阳辐射能与煤炭、石油等常规能源相比较，更有如下的优点：（1）普遍性。地球上处处都有太阳能，不需要到处去寻找，去运输，容易获取。（2）无害性。利用太阳能作为能源，没有废渣，废料，废气，废水的排放，没有噪声，不会污染环境，没有公害，清洁干净。（3）长久性。 只要有太阳，就有太阳能，因此太阳能可以说是取之不尽，用之不竭。（4）巨大性。一年到达地面的太阳辐射能总量要比现在地球上消耗的各种能量的总和大几万倍。我国幅
5、员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量33408400MJm2，中值为5852MJm2。年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的23以上。我国的西部地区，包括、新疆、等省，年日照时间长，这些地区面积宽广、人口密集低，在一些偏僻的地区传统的供电设施建设成本高，电能的供需矛盾显得十分突出，因此当地政府充分利用太阳能发电解决无电地区的用电具有重大的战略意义。为了更高效的利用太阳能，白天可将太阳能转化为电能，利用蓄电池将电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。总体看来我国太阳能资源比较丰富，因此充分利用丰富的太阳能资源，采用太阳能光伏发电技术，可以节约能源，发展经济，提高
6、人民生活水平。1.2 太阳能充放电控制器现状（1）太阳能光伏发电太阳能作为新能源有着巨大的优势，所以世界各国都在努力研发新技术进行获取，比较成熟的是太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电现已成为新能源和可再生能源的重要组成部分，也被认为是当前世界最有发展前景的新能源技术。目前太阳能光伏发电装置已广泛应用于通讯，交通，电力等各个方面。在进行太阳能光伏发电时，由于一般太阳能极板输出电压不稳定，不能直接将太阳能极板应用于负载，需要将太阳能转变为电能后存储到一定的储能设备中，如铅酸蓄电池。但只有当太阳能光伏发电系统工作过程中保持蓄电池没有过充电，也没有过放电，才能使蓄电池的使用寿命延长，效率也得以提高，因
7、此必须对工作过程加以研究分析而予以控制，这种情况下太阳能充电控制器应运而生。（2）充电控制器的作用及现状太阳能充电控制器具备充电控制、过充保护、过放保护、防反接保护及短路保护等一系列功能，解决了这一难题，这样控制器在这个过程中起着枢纽作用，它控制太阳能极板对蓄电池的充电，加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命。同时太阳能充放电控制器还控制蓄电池对负载的供电，保护蓄电池和负载电路，避免蓄电池发生过放现象，由此可见，控制器具有举足轻重的作用。目前市场上有各种各样的太阳能控制器，但这些控制器主要问题对于蓄电池的保护不够充分，不合适的充放电方式容易导致蓄电池的损坏，使蓄电池的使用寿命降低。目前，控
8、制器常用的蓄电池充电法包括三种：恒流充电法、阶段充电法和恒压充电法。但是这些方法由于充电方式单一加上控制策略不够完善，都存在一定的局限性。另一方面，当蓄电池给负载供电时，由于控制器不能时刻检测蓄电池的电压，这样很容易发生蓄电池的过放电，将会导致蓄电池的深度放电，严重影响其寿命。所以，如何改善太阳充控制器的充放电方式，开发性能优良的充放电控制器，提高其在实际应用中的效率，成为了一个重要的研究方面。1.3 设计主要任务本设计研究确定了一种基于STC单片机的太阳能充放电控制器的方案，在太阳能对蓄电池的充电方式、控制器的功能要求和电路保护方面做了分析，完成了系统硬件电路设计和软件编程，实现了对蓄电池的
9、科学管理，并将充放电控制器应用于太阳能路灯或其他负载，实现了控制功能。这里以充/放电最大电流10A，额定电压12V控制器系统为例，其实现的主要功能如下。（1）要能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压，若高于蓄电池电压，则可开启充电；若低于蓄电池电压，则不能开启充电，否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成点亮损耗。（2）当蓄电池电压低于10.8V时，自动关断负载（欠压关断），同时有报警功能。（3）当蓄电池电压高于14.5V，自动关断负载（过压关断）和充电电路，同时有报警功能。（4）当蓄电池处于浮充充电状态时电压值控制在13.5V左右。（5）当用户将太阳能电池板接反至控制器时，具有保护控
10、制器不被毁坏的功能。（6）当用户将蓄电池接反至控制器时，要有报警功能，并且具有保护控制器不被毁坏的功能。2 太阳能充电控制器的总体设计方案在确定设计方案之前，需要结合应用实例，进行一定的综合分析，更加明确控制器的作用，最后来确定整体方案。这里以太阳能充电控制器应用于太阳能光伏发电路灯系统为例，对系统各个组成部分的主要功能做详细的分析说明。2.1 太阳能路灯系统基本结构本系统主要针对直流照明路灯进行系统设计，所以构成太阳能路灯系统主要有四大部分组成，即太阳能极板、蓄电池、充电控制器、照明电路。太阳能路灯系统基本结构如图2.1所示。图 2.1 太阳能路灯系统基本结构从图2.1中可以看出，太阳能极板
11、阵列将太阳能转换为电能并将电能存储到蓄电池中，蓄电池再将存储的电能输出给照明电路供电，完成能量的传递。系统各个部分的控制功能全由充电控制器来完成。（1）太阳能电池板如图2.2所示，太阳能电池板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部导电的载流子电子和空穴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
12、方式发电所不能比拟的。图2.2 太阳能电池产生光伏效应（2）蓄电池这里首先介绍蓄电池工作原理。太阳能充电控制器最主要的功能是控制太阳能极板对蓄电池的充电，蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，所以在设计控制器之前需要对蓄电池的原理、充放电过程做一个分析。一般铅酸蓄电池是由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成，极板主要有铅制成，电解液是硫酸溶液。依据化学基础理论：铅酸蓄电池释放化学能的过程(放电过程)是负极进行氧化，正极进行还原的过程；电池补充化学能的过程(充电过程)是负极进行还原，正极进行氧化的过程。分析可知，蓄电池的充电过程和放电过程是可逆的。实际上，蓄电池最重要的指标
13、就是电解液中硫酸根的浓度，因此可以用电池中硫酸溶液的密度(比重)来衡量电池充放电的程度。工作原理搞懂了之后，接着看蓄电池在整个系统中的作用。在独立的太阳能光伏发电系统中，蓄电池是整个系统的重要组成部分，是对整个系统性能可靠性影响比较大的部分。在光伏发电系统中，蓄电池的主要作用有：储存能量、对太阳能极板的工作电压的进行钳位、给负载提供启动电流等。蓄电池的存在，可以解决太阳能产生电能和负载用电时间不一致不同步的问题，太阳能极板和负载两者之间电压不匹配的问题等。（3）充电控制器一般太阳能极板输出电压的不稳定，不能直接应用于负载，需要将太阳能转变为电能后存储到储能设备如蓄电池中，而控制器在这个过程中起着枢纽作用，其性能的好坏将会直接影响实际应用的使用效果。控制器控制太阳能极板对蓄电池的充电，为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。控制器同时负责蓄电池是否对负载供电，当蓄电池的电压在正常围时，控制器控制开关接通，蓄电池给负载供电；当蓄电池的电压处于欠压或是过放状态时，控制器控制开关截止，蓄电池停止对负载的供电，在这个过程中控制器起着至关重要的作用，保护负载和蓄电池。2.2 充电控制器的控制策略作为光伏发电系统中的关键部件，蓄电池的寿命短是阻碍整个光伏发电系统性能和推广的主要原因之一。根据蓄电池的工作原理，结合实际应用情况，在光伏发电系统中，影响
