小型光伏控制器设计

陈新

摘要：随着社会经济的发展，对能源的需求越来越大，但传统能源越消耗越少，还产生污染环境，发展新能源刻不容缓。太阳能光伏发电现已成为新能源重要组成部分，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，其核心部分就是充电控制器。

本设计针对目前市场上传统光伏控制器对蓄电池的充放电控制不合理、保护不充分，使其使用寿命缩短情况，研究确定了一套基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制，对光伏控制器做出了改进。

绪论

1.1 课题研究背景和意义

能源是工业发展的重要基础，工业发展是增强国力、提高人民生活水平的的重要途径，但随着能源危机的日益严重，传统能源已不能满足我国经济发展的需求，能源问题成为制约我国发展的一大瓶颈，这使得我国在发展传统能源的同时加大对新能源的开发和利用。

太阳能作为新能源，与传统能源相比具有广泛性、无害性、长久性、巨大性等优点，是未来全世界重要的能源之一。而我国太阳能资源十分丰富，同时太阳能发电也是符合我国可持续发展战略的。

1.2 太阳能充放电控制器的作用及必要性

太阳能光伏在工作时，由于光照强度等原因，太阳能电池板的输出电压并不稳定，会对负载电器造成损害，故不能将其直接与负载连接，而是将其发出的电能储存到蓄电池中，再由蓄电池给负载供电。因此必须对太阳能光伏系统的充放电过程进行控制，太阳能光伏控制器因此而产生。

太阳能光伏控制器需要具备充电控制，过充、过放保护、防反接、短路保护等一系列功能。因此其在太阳能光伏发电系统中起着“大脑”的作用。它即可控蓄电池的充电电压及方式，延长使用寿命，也可控制蓄电池对负载的供电，避免蓄电池过放的发生，在夜晚或阴雨天，还可防止蓄电池电压高于太阳能电池板，发生蓄电池电流流向太阳能电池板的反接现象发生。所以，改进太阳能光伏充控制器的控制方式，改善光伏控制器的性能，加强对蓄电池的保护，成为了一个重要的研究课题。

1.3 设计主要任务

本设计的任务是设计一个太阳能光伏控制器。在对太阳能光伏发电系统的过程进行分析后，归纳出光伏控制器应该具备以下功能：决定对蓄电池的充电方式，对工作过程中的太阳能电池板及蓄电池的状态进行检测，对蓄电池及太阳能电池板进行保护。完成分析后，进行了软件流程和硬件框图的大体规划和初步设计，其实现的主要功能如下：

（1）检测蓄电池与太阳能电池板之间电压的高低，若前者电压低于后者，则进入充电模式;反之，则关断两者间的电路;

（2）當蓄电池电压低于低压警戒线时，自动关断负载（欠压关断）;

（3）当蓄电池电压高于高压警戒线时，自动关断负载（过压关断）和充电;

（4）当蓄电池处于即将充满的状态时，采用浮充充电模式。

2 太阳能充电控制器的总体设计方案

2.1 独立光伏系统基本结构

独立的家庭用光伏发电系统主要由四个模块构成，即太阳能电池板、蓄电池、光伏控制器、负载电路。光伏控制器在整个系统中起到中枢的作用。

（1）太阳能电池板

太阳能电池板是利用光电效应的原理制造而成的，半导体原子核对于电子的束缚能力比较弱，也是太阳能电池板的重要原材料。当光照在半导体太阳能电池板的P/N结上，吸收一定能量的光子后其内部导电的载流子电子和空穴分布和浓度发生变化，电子是负电性，空穴是正电性，电势差即电压就产生了，由于电压的作用，将会有电流产生，这就是广电效应。

（2）蓄电池

蓄电池是整个太阳能光伏发电系统的重要组成部分，对整个系统性能可靠性有极大的影响。在光伏发电系统中，蓄电池的主要作用有：储存电能，给负载提供电流等。蓄电池的存在，可以解决太阳能电池板电能不稳定，和负载不匹配等问题。太阳能光伏控制器最主要的功能是控制太阳能电池板对蓄电池的充电，监控、保护蓄电池。

（3）光伏控制器

太阳能电池板的输出电压并不稳定，不直接与负载连接，而是将其发出的电能储存到蓄电池中，再由电池给负载供电。蓄电池工作的原理是化学反应，过充容易使电池过热，过放容易使电池容量降低，这都会缩短电池寿命。只有在太阳能光伏发电系统工作过程中保证没有上述两种情况发生，蓄电池的使用寿命才能延长，效率也能提高。因此必须对太阳能光伏系统的充放电过程进行控制，太阳能光伏控制器因此而产生。

2.2 充电控制器的控制方案

蓄电池的使用寿命直接影响光伏发电系统的使用。影响寿命的主要因素有：充电电压的设置、过放关断点的设置、充电方式的选择、温度、运行环境等。依据这些影响因素，改进蓄电池的充放电模式。

本论文采用PWM （Pulse Width Modulation）脉宽调制充电技术。PWM脉冲调制充电方式首先对电池充电一段时间，然后停止充电一段时间，如此循环往复，又能使蓄电池充满电量，而间歇期还使电池析出的氧气和氢气有时间被吸收，降低了电池的内压，让下一个充电周期顺利进行，使电池反应更充分，吸收更多的电能。PWM调制充电方式不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，这也是蓄电池充电理论的进一步发展。

2.3 控制器的整体设计方案

本系统以STC89C52单片机为主控单元，对蓄电池的电压进行采样的方法是串联电阻分压。，然后将采集到的电压信号（模拟）送入A/D转换，输出的数字信号送入单片机中，通过液晶芯片把电压值显示出来以便获取蓄电池的状态。单片机在软件程序的控制下输出PWM控制信号，经光耦驱动场效应管开启与关闭来控制充放电电路。该系统可以实现对蓄电池充放电过程的优化，有效的延长蓄电池的寿命。

3 太阳能充电控制器的硬件电路设计

硬件电路主要由单片机最小系统、充放电电路、光耦驱动电路、A/D转换电路、显示电路、数据存储器电路、串口通信电路，温度检测电路等组成。

3.1 系统简介

电路设计以STC89C52单片机作为主控核心构成控制电路模块对整个电路控制。首先采用串联分压方式对蓄电池电压采集后，送到模数转换模块中的A/D转换器进行转换得到一个电压信号的数字量，再将此数字信号送入到控制模块中单片机进行处理;然后在软件程序控制下，单片机输出PWM控制信号送到充放电模块中，经光耦驱动电路来控制MOSFET的开启与关断。根据载荷变化来调制MOSFET管栅的偏置，在不同的状况下选择不同占空比的PWM输出信号，进而选择充电模式，最后通过通信模块实现数据的传送和保存。数据存储电路模块，使得当电压出现异常时，同时把异常数据存在24C02中，可以日后查看。

3.2 单片机及其最小系统简介

STC89C52芯片是一种低功耗、高性能、超强抗干扰性、加密性强的CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，256字节RAM，32位I/O 口线，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52支持2种软件可选择节电模式。

单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路能够按照预设计划进行工作，必须让单片机处于良好的状态。单独到单片机只是个芯片，无法工作，所以首先必须构建能够提供单片机最基本工作环境的电路的最小系统，包括上电复位电路和晶振电路。复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把单片机程序指针指向初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始读取执行程序。除此之外，当由于程序运行出错或出现死机的状况时，也需按复位键重新启动;晶振电路是单片机内部一个用于构成振荡器的高增益反相放大器的电路。

3.3 充放电电路

充放电电路中，二极管D1是为了防止反向充电，当蓄电池的电压高于太阳能电池板的电压时，D1就生效，可以防止蓄电池电流流向太阳能电池板。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。通过控制MOSFET管闭合和断开的时间（即PWM—脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。

当检测到电池的电压低于12V，充电模式为均充，Q1为完全导通状态;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左右，Q1截止使充电停止，同时Q2也关闭来关断负载。当检测到蓄电池的电压低于10.8V，Q2關闭停止放电，关断负载来实现欠压关断。

3.4 光耦驱动电路

为了增加系统的可靠性，用光电耦合器实现单片机控制电路和充放电电路的隔离。M0S管Q1控制着充电电路，当充电控制信号PWM为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，右侧三极管不导通，输出端两管脚间的电阻很大，相当于开关“断开”，输出端K1被抬高，电阻R9右侧被稳压管D2稳压到12V左右，MOSEFT的Vgs>0，MOS管Q1开启，太阳能极板开始对蓄电池充电;当充电控制器信号为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，三极管导通，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U2输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零，MOSEFT的Vgs<0，Q1截止，充电电路关断。这就是充电电路原理。M0S管Q2控制着放电电路，其原理与Q1相似。

3.5 A/D转换电路

本设计的STC89C52单片机没有内置的A/D转换模块，因此需先采集电池的电压，然后经A/D转换才可接入单片机。AD转换器最主要的参数是转换速度和转换精度，故采用8位并行A/D转换器芯片ADC0804，其集成A/D转换器兼有并行A/D转换器转换速度高和双积分型转换精度高的优点。 ADC0804需外围接线电路，即电压采集电路和A/D转换电路。如图3-3、图3-4所示，电压采集电路用两个串联的电阻，大小为2：1，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ADIN，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4.8V，符合A/D转换芯片的输入值。

3.6 LCD显示电路

整个光伏控制器系统需要显示当前蓄电池电压、温度，以及一些必要的信息。因为其显示内容较多，决定采用带中文字库的128X64，它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。该模块低电压低功耗，接口方式灵活，操作指令简单、方便，可构成全中文人机交互图形界面，显示8×4行16×16点阵的汉字或图形。

3.7 数据存储电路

为了把电路发生异常时的蓄电池电压记录下来，需要用存储芯片进行数据保存。本设计采用具有I2C总线接口的串行E2PROM器件的AT24C02芯片，其是一个2K位串行CMOS E2PROM，采用先进CMOS技术，实质上减少了器件的功耗。AT24C02可有效解决掉电数据保存问题，可对所存在数据保存100年，并且擦写次数可达10万次以上。

3.8 温度检测电路

由于温度对蓄电池饱和电压影响比较明显，因此光伏控制器也需要检测蓄电池的变化，故采用DS18B20温度传感器作为温度采集部分。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是—55～125℃，测温误差0.5℃，相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。

4 太阳能充电控制器的软件设计

4.1 系统主程序设计

系统主程序是整个电压测控系统中最重要的程序，是一个顺序执行的无限循环程序。蓄电池电压的采集、转换显示和异常数据的存储都在测控子程序中进行，系统应用主程序采用模块化结构，首先完成初始化，然后就开始按顺序调用各个模块子程序，通过系统自检和控制指令来实现数据处理和电路控制，有效的控制蓄电池充放电。

4.2 电压采集转换模块

当CS与WR同时置低，为低电平时，A/D转换器被启动，且在WR上升沿后，经过约100 uS后， 模数完成转换，转换结果存入数据锁存器，同时，INTR自动变为低电平，表示本次转换已结束。在INTR变为低电平后，若CS、RD同时来低电平，则数据锁存器的三态门打开，把数字信号送出，此时直接读取数字端口数据，便可得到转换后的数字信号。反之，若RD为高电平，三态门处于高阻状态，数据被锁存。

此模块通过对其进行启动和读取操作，主要来完成对蓄电池电压的采集转换，并对结果进行数据处理，送给后面的显示模块予以显示。由于ADC0804的转换时间很短，本设计未用中断读取A/D的数据，而是在启动A/D转换后，稍等一会时间，直接读取A/D的数字输出口即可。

4.3 显示模块

通过电压采集转换子程序，通过单片机处理就可以得到蓄电池的实际电压值，本设计用液晶12864作显示器来进行显示。本设计中液晶12864使用串行操作，作为一款显示芯片，为了使其能够正常的工作，首先必须对其进行初始化，得到满意的显示效果，这就是软件设计中显示模块的任务。

4.4 数据存储模块

在对蓄电池充放电控制过程中，会出现电压值异常的情况，很有必要对其进行存储，作为以后分析优化使用;同时我们可以按一定周期间隔性的对蓄电池电压进行采集，然后求取电压的平均值，通过分析每天的平均值情况，可以大致了解蓄电池的充电情况，这对以后优化充放电很有用。本设计用常见的AT24C02作为存储器对数据进行保存记录，同时具有很好的掉电保护功能。

当检测蓄电池充电使电压值超过14.5v造成过充电时，调用数据存储函数把此时刻的电压值保存下来;当发生过放电时，同理如此。由于单片机的处理速度很快，因此很容易实现循环检测，做到对蓄电池状态的实时监控。

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