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1、本 科 生 毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：基于AT89S51单片机的太阳能控制器设计与制作2010年5月目 录中文摘要11 研究意义与功能介绍12电路设计22.1主原理图22.2蓄电池充电方式32.3充放电电路32.4电压采集电路42.5光耦开关电路42.6单片机与其外围电路52.7 A/D转换电路62.8单片机电源电路62.9 PCB图72.10作品实物73 主要器件介绍83.1 AT89S51单片机83.2 TLC54993.3MOSFET93.4光耦93.5太阳能电池104 软件设计114.1 主要程序流程图114.2 主要C程序115 测试146 小结15参考文献15英文摘
2、要16致17基于AT89S51单片机的太阳能控制器设计与制作容摘要 本文介绍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，充放电电路，电压采集电路，单片机控制电路和光耦驱动电路组成。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，该控制器性能可靠，可以监视太阳能电池和蓄电池电池状态，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 太阳能；控制器；AT89S51单片机 我国现阶段的用电主要靠水力发电，但是我国水力资源在地域
3、分布上极不平衡，总体来看，西部多、东部少。对于水电资源缺乏的地区或者用电超负荷的城市开发新能源是当务之急。我国的西部地区，包括、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，白天将太阳能转化为电能，利用蓄电池将剩余的电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。1 研究意义与功能介绍1.1 研究意义 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，近年来能源供需矛盾突出，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太没有地域的限制无
4、论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。它同以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：1.无枯竭危险；2.干净无公害；3.不受资源分布地域的限制；4.可在用电处就近发电；5.能源质量高；6.获取能源花费的时间短。1.2 功能介绍本系统以ATMEL系列中的AT89S51单片机为控制中心，软硬件的结合，利用分压电路对蓄电池，太阳能电池的电压、电流进行采样。再经过A/D转换采样数据输入到单片机中进行处理。单片机输出经光耦驱动MOSFET管来控制外接电路开启关闭。该系统可以实现控制蓄电池的最优充放电，当蓄电池电压在14.4V+0.5时，太阳能电池停止对蓄电池充电
5、，当蓄电池电压在10.9V+0.5时，蓄电池停止对负载放电；负载电流检测电路可进行过流保护与负载功率检测（如图1）。图1系统结构框图2电路设计2.1 主原理图如图2所示，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，单片机控制电路与状态显示部分。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
6、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。图2系统设计电路图2.2蓄电池充电方式作为太阳能储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适的充放电方式。所有的蓄电池充电过程都有快充、过充和浮充3个阶段，每个阶段都有不同的充电要求。现行的充电方法主要有恒流充电、恒压充
7、电、恒压限流充电、间隙式充电法等，这些充电方法各有利弊。本设计采用最容易实现的恒压充电。蓄电池的电压在10.8V-12V之间为快充；蓄电池的电压在12V-14.5V之间为浮充；蓄电池的电压为14.5V时停止充电。2.3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
8、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IRF9540N P沟道MOSFET管，P沟道MOSFET的导通电压Vth0，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，Vgs0，当S极电压达到一定值时，Q1导通。Q2的原理类似。电路如图3。图3 充放电电路2.4电压采集电路 如图4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
9、的电压为1.3V，符合A/D转换芯片的TLC549的输入值。图4电压采集电路2.5光耦开关电路 当输入信号C1为低电平时，光耦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”；当C1为高电平时，光耦部的发光二极管发光，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U5输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零，MOSEFT的Vgs0，当S极电压达到一定值时，Q1导通。图5 光耦开关电路2.6单片机与其外围电路 本设计使用AT89S51单片机，单片机与其外围电路包括上电复位电路，晶振，LED指示灯如图6所示，其中D3、D4为高电平有效，用来显示工作状态。图6
10、 单片机与其外围电路2.7A/D转换电路AT89S51单片机没有置的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。图7 A/D转换电路2.8单片机电源电路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。图8单片机电源电路2.9
11、PCB图开始画PCB图是使用自动布线加手工修改，但是设成以单层板的形式自动布线，生成的PCB图走线弯弯区区太不规则，后来使用以双层面板的形式自动布线，然后将TopLayer层手工修改，得到的PCB图走线才像块板。图9系统PCB图2.10作品实物图10作品实物图（正面）图11作品实物图（背面）3 主要器件介绍3.1 AT89S51单片机图12 AT89S51单片机管脚图图AT89S51单片机是ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)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
12、高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统与80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash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，4k Bytes Flash片程序存储器，128 bytes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，片时钟振荡器。3.2 TLC549TLC549是美国仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微
13、处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC548允许的最高转换速率为45 500次/s，TLC549为40 000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；输入电压围：0.3VVCC0.3V；输出电压围：0.3VVCC0.3V；峰值输入电流(任一输入端)：10mA；图13 TLC549管脚图图总峰值输入电流
14、(所有输入端)：30mA；工作温度：551253.3 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IRF9540N P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=-80
15、V VGS=0V,IDSS=250uA VGS=20V,IGSS=100nA3.4 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、光的接收与信号放大。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。光耦的部结构如图14所示，在1、2极之间加正向电压，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。3.5太阳能电池 图15太阳能电池产生光伏效应如右图所示，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
