毕业设计（论文）-基于ARM的太阳能光伏控制器和逆变器的设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书本科毕业论文题目 基于arm的太阳能光伏控制器和逆变器的设计学 院： 电气工程与自动化专 业： 自动化10-4班姓 名： 指导教师： 学 号：完成日期：2014年5月28日摘要 在能源日趋紧张的局势下，太阳能作为一种清洁、无污染的绿色能源越来越受到人们的重视。光伏发电作为太阳能利用的主要形式，得到了较大的发展。光伏发电系统通常包括太阳能光伏阵列、蓄电池、逆变器等部分。控制器是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器或负载供电的自动控制设备，逆变器是将直流电能转换为交流电的装置，他们是光伏发电系统的核心部件，控制器和逆变器在提高太阳能转换效率的过程中发挥着重要作用。本论文主要介绍一种基于stm32f103c8的arm单片机的太阳能光伏控制器和逆变器的设计方法，对太阳能光伏控制器和逆变器进行了详细的分析和研究。此系统以stm32f103c8单片机作为控制器和逆变器的核心器件，主要由太阳能电池板、蓄电池、单片机控制电路、充放电控制电路、电压采集电路、升压电路、逆变电路和驱动电路组成。设计使用pwm控制技术来控制蓄电池充放电和升压逆变电路，通过控制开关管的开通和关断达到控制充放电和电压逆变的目的。关键词 太阳能 控制器 逆变器 stm32f103c8abstractincreasingly tense situation in the energy, solar energy as a clean and pollution-free green energy get more and more peoples attention. photovoltaic (pv) power generation as the main form of solar energy utilization, has got a bigger development. photovoltaic power generation systems typically include photovoltaic array, storage battery, inverter and other parts. controller is a automatic control equipment that controls the solar cell to supply power for phalanx of battery and battery to supply power for solar inverters or load, inverter is a device converts dc to ac, they are the core components of photovoltaic power generation systems, controller and inverter play very import role in the process of improving the efficiency of solar energy conversion.this paper mainly introduces a design method of controller and invert for photovoltaic which is based on arm microcontroller stm32f103c8,and carries on detailed analysis and research of photovoltaic controller and invert. this system take stm32f103c8 microcontroller as the core component of the controller and the inverter device, and it mainly includes the solar panels, battery, single-chip microcomputer control circuit, charge and discharge control circuit, voltage sampling circuit, boost circuit, inverter circuit and driver circuit. the design use the pwm control technology to control the storage battery charging and discharging and booster inverter circuit, and it achieve the purpose of controlling the charging and discharging and voltage invert by commanding the opening and shut of the switch tube .keyword solar energy controller inverter stm32f103c8目录第一章 绪论11.1课题研究的背景及意义11.1.1太阳能发电系统11.1.2太阳能的应用领域21.1.3光伏发电的特点31.2太阳能控制器与逆变器的现状31.2.1太阳能控制器的发展现状31.2.2太阳能逆变器的发展现状41.3设计的主要任务5第二章 太阳能控制器和逆变器的总体设计方案52.1 太阳能控制器的基本结构52.1.1太阳能控制器简介52.1.2太阳能控制器的结构和功能62.2 太阳能逆变器的基本结构72.2.1太阳能逆变器简介72.2.2太阳能逆变器的结构和功能72.3整体设计方案82.3.1太阳能发电系统框图82.3.2控制器和逆变器的整体电路结构8第三章 系统的硬件设计931主控制电路103.1.1stm32f103c8主芯片电路103.1.2复位电路113.1.3电源电路113.2逆变器的boost（升压型）电路123.3 dc-ac逆变电路133.4 a/d转换电路143.5 lcd 1602显示电路153.6电力电子器件的保护电路153.6.1mosfet的保护电路153.6.2 igbt 的保护电路163.7充放电指示电路173.8 驱动电路173.9 负载控制电路18第四章 太阳能控制器和逆变器的软件设计194.1程序主要流程图194.2主要c程序设计204.2.1 pwm控制的程序204.2.2 a/d转化的程序214.2.2 lcd 1602显示的程序244.3主要电路的仿真264.3.1控制器的控制电路264.3.2升压斩波电路（由48v升高到220v）274.3.3逆变电路29第五章 蓄电池简介305.1铅酸蓄电池305.2蓄电池的充放电305.3铅酸蓄电池定量研究31致谢33参考文献34附录35第一章 绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1太阳能发电系统太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的重视，在人们的生活中有广泛的作用，其中之一就是将太阳能转换为电能，太阳能电池就是利用太阳能工作的。白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。蓄电池组为负载供电的同时为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件（solar cells）是利用半导体材料的电子学特性实现p-v转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上的沙漠和海洋进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一的电网以便向全球供电。据测算，到2050年、2100年，即使全部使用太阳能发电向全球供电，占地也不过186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.4%，因此这一方案是有可能实现的。另一是太空发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在太空建设太阳能发电站的设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳能电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。随着我国技术的发展，在2006年，已有三家企业进入了全球前十名，标志着中国将成为全球新能源科技中心之一。世界上太阳能光伏的广泛应用，导致目前原材料的供应不足和价格上涨，这就要求我们在太阳能发电系统的设计过程中，必须改进技术和方法，以便大幅度的降低成本和提高太阳能的转换效率，为这一新能源的长远发展提供原动力！1.1.2太阳能的应用领域1、用户型的太阳能电源：小型电源10-100w不等，用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；3-5kw家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵，解决无电地区的深水井饮用水和灌溉。2、交通领域：航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。3、通讯/通信领域：太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统；农村再拨电话光伏系统、小型通信机、士兵gps供电等。4、石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。5、家庭灯具电源：如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。6、光伏电站：10kw-50kw的独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等。7、太阳能建筑：将太阳能发电与建筑材料相组合，使得未来的大型建筑实现电力自给，这是未来的一大发展方向。8、其他领域包括：与汽车配套：太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等；太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；海水淡化设备供电；卫星、航天器、空间太阳能电站等。目前美国、欧洲各国特别是德国及日本、印度等都在大力发展太阳电池应用，开始实施的“十万屋顶”计划、“百万屋顶”计划等，极大地推动了光伏市场的发展，前途十分光明。1.1.3光伏发电的特点与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在：无枯竭危险；安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势，例如，无电地区，以及地形复杂地区；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；建设周期短，获取能源花费的时间短。缺点：照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。发电成本高光伏板制造过程中不环保尽管太阳能发电存在一些缺点，但因其显著地优势它已经越来越多的在世界范围内收到高度重视，正在不断地踏步向前发展。1.2太阳能控制器与逆变器的现状1.2.1太阳能控制器的发展现状太阳能充放电控制器具备充放电控制、过充保护、过放保护、防反接保护及短路保护等一系列功能，它在控制太阳能电池板对蓄电池的充电，加快蓄电池的充电速度，延长蓄电池的使用寿命发挥重要的作用。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。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、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，如何改善太阳能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。如今，开关控制的控制器早已经被淘汰，pwm是目前应用最多的，mppt作为一种新的最大功率跟踪技术，更有效的提高的系统的充电效率，在不久的将来，有可能会全面替代现有的pwm控制器，不过还需要很长的一段时间。以后，太阳能电池发电系统将会向mppt方向发展，随着太阳能产业的发展和技术的不断成熟，过不了几年，太阳能电池发电系统也将投入全新的理念，找到新的定位，相信那一天一定不会太久！1.2.2太阳能逆变器的发展现状随着光伏逆变器行业竞争的不断加剧，大型光伏逆变器企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的光伏逆变器生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大批国内优秀的光伏逆变器品牌迅速崛起，逐渐成为光伏逆变器行业中的翘楚！光伏逆变器是电力电子技术在太阳能发电领域的应用，行业技术水平和电力电子器件、电路拓扑结构、专用处理器芯片技术、磁性材料技术和控制理论技术发展密切相关。另外，功率等级在200瓦500瓦的微型逆变器，可方便地在幕墙、窗台、小型屋面上使用，在最近几年也成为一个细分市场热点。光伏逆变器重点关注以下技术指标，高效率：光伏逆变器的转换效率的高低直接影响到太阳能发电系统在寿命周期内发电量的多少。根据产品型号的不同，国际一流品牌的产品的转换效率最高可达98%以上。长寿命：光伏发电系统设计使用寿命一般为20年左右，所以要求光伏逆变器的设计寿命需要达到较高水平。高可靠性：光伏逆变器发生故障将会导致光伏系统停机，直接带来发电量的损失，所以高可靠性是光伏逆变器的重要技术指标。宽直流电压工作范围：因为单块太阳电池组件的输出直流电压比较低，所以在实际应用中需要进行多块串联，得到一个较高的直流电压，再进行多组并联后输入到光伏逆变器。由于不同功率、不同电压的光伏电池、不同的串并联方案组合，要求对同一规格的光伏逆变器能够适应不同的直流电压输入。所以，光伏逆变器具有越宽的直流电压工作范围，就越能适应客户的实际应用需求。1.3设计的主要任务本文采用arm系列的stm32f103c8单片机来实现对太阳能控制器和逆变器的设计，对太阳能电池板输出电压以及蓄电池两端的电压进行实时检测，并通过脉宽调制来控制太阳能电池对蓄电池充电、蓄电池对负载的放电以及控制逆变器的逆变电路的开启和关断，对蓄电池各个阶段的充放电电压加以控制及对逆变器电压逆变过程的控制，实现太阳能、控制器和逆变器高效率的转换。本论文的主要任务有：1、了解太阳能发电系统的特点及其应用2、了解太阳能控制器与逆变器的现状 3、太阳能控制器和逆变器的总体方案设计，包括微处理器的选择以及系统实现的基本原则。 4、系统的硬件设计，包括主芯片电路、boost（升压型）电、dc-ac逆变电路、a/d转换电路、lcd显示电路、保护电路、充放电指示电路等的设计。5、太阳能控制器和逆变器的软件设计，包括a/d采集部分、pwm波及显示控制部分的软件设计。 6、了解蓄电池工作特点。第二章 太阳能控制器和逆变器的总体设计方案2.1 太阳能控制器的基本结构2.1.1太阳能控制器简介太阳能控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能防止蓄电池组过充电或过放电的控制器是必不可少的设备。太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，采用一系列专用芯片电路对其进行数字化调节，并加入多级充放电保护，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。2.1.2太阳能控制器的结构和功能图2-1 太阳能控制器的电路图太阳能控制器的充放电电路由防反充二极管d1、续流二极管d2、滤波电容c1， mosfet管q1、q2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。所使用是irf9450 n沟道电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，耐压500v,耐流16a,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。n沟道的管子加正向电压即导通,即vgs大于一定的值就会导通，当驱动q1的芯片工作时，当q1的g极电压达到为某一值，s极近似接地，当vgs电压达到一定值时，q1导通。q2的原理类似。本文中选用工作电压为48v的太阳能光伏电池板，48v 100ah的蓄电池，负载为48v、480w的太阳能led路灯。因为每一种电池的充电电压和电流都是不同的,蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%30%，才能保证给蓄电池正常负电。因此48v铅酸电池,最佳充电电压为58-60v。充电流一般都是容量的10%即10小时率。比如100ah48v的电池, 最佳充电电压和电流分为:60v 10a。2.2 太阳能逆变器的基本结构2.2.1太阳能逆变器简介 光伏逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当有些负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。2.2.2太阳能逆变器的结构和功能图2-2逆变器的电路图逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。该逆变器的电路结构由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把蓄电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压220v；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率50hz的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（on-off），使直流输入变成交流输出。2.3整体设计方案2.3.1太阳能发电系统框图根据运行方式的不同，太阳能光伏发电系统可分为离网型系统和并网型系统两大类。本文介绍的是离网型光伏发电系统的控制器和逆变器的设计，太阳能发电系统的组成框图如图2-3所示图2-3离网型光伏发电系统框图2.3.2控制器和逆变器的整体电路结构图2-4 系统整体的结构图太阳能控制器和逆变器系统整体电路结构如图2-4所示。整个系统采用stm32f103c8作为主控芯片，由太阳能电池板、铅酸蓄电池、主电路、升压电路、逆变电路、驱动电路、控制电路等组成。太阳能电池板在光照条件下对48v蓄电池进行充电，太阳能电池产生一定电压值的直流电对铅酸蓄电池充电，铅酸蓄电池对太阳能led路灯进行供电，同时接入逆变器。逆变器先经boost（升压型）电路将电压升到220v，然后再由全桥逆变电路把直流电变为交流电。控制电路完全采用数字控制方式，由stm32f103c8从采样电路获得太阳能电池板的电压和蓄电池两端的电压模拟信号后经过a/d转换得到数字量的电压信号，传送到微控制器然后进行相应的计算，微控制器再通过驱动电路输出脉冲信号来调节转换电路的内部开关的开闭，最终实现对输出电压的控制。最后再通过显示电路来实现显示被检测参数。因为所接的直流负载为太阳能led路灯，它一般在白天断开，晚上工作，这里我用光敏电阻和继电器对负载的关断和闭合进行控制。控制器和逆变器实现的主要功能如下：1、对负载的控制：通过继电器开关与负载串联控制负载供电的闭合与断开，白天光线好时，继电器开关断开，关断负载供电；晚上光线弱时，继电器开关闭合，开通负载供电。2、白天，能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入太阳能电池板，为了防止此现象发生，该设计用了防反接二极管。当蓄电池电压高于58v时，自动关断充电电路，防止蓄电池过充；3、晚上，当蓄电池电压高于58v时，自动关断负载（负载过压关断），当蓄电池电压低于43.2v时，自动关断负载（蓄电池欠压关断）；4、当用户将太阳能电池板反接至控制器时，具有报警功能；5、当用户将蓄电池反接至控制器时，具有报警的功能；6、能够实时显示太阳能电池板和蓄电池两端的电压值。第三章 系统的硬件设计本系统硬件电路设计主要由主控电路、a/d采样模块、升压稳压模块、dc-ac逆变电路、lcd 1602显示电路、电力电子器件的保护电路、充放电指示电路、负载控制电路等部分组成。31主控制电路3.1.1 stm32f103c8主芯片电路图3-1 单片机及外围电路stm32f103c8单片机属于arm 32位系列。arm32位cortex-m3 cpu，最高工作频率72mhz，1.25dmips/mhz，单周期乘法和硬件除法，不仅支持thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。较之arm7 tdmi，cortex-m3拥有更强劲的性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。存储器：片上集成32-512kb的flash存储器，6-64kb的sram存储器。arm的cortex-m3是32位的risc处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了arm核心的高性能。stm32f103c8单片机是st公司的一款高速、低功耗单片机，存储器为从64k或128k字节的闪存程序，高达20k字节的sram、内置2个12位adc，1us转换时间（多达16个输入通道），a/d测量范围：0-3.6 v、多达7个定时器，其中有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/pwm或脉冲计数的通道、多达80个快速i/o端口、9个通信接口。该主控制模块采用arm系列芯片stm32f103c8芯片为主控芯片，该主控芯片在控制中主要是完成 两个方面的功能：一个是完成电路中输入电压的采集并处理，以及液晶显示器的人机接口功能，另一个是完成对pwm波的占空比的调制来实现对充放电的控制和逆变器的控制。stm32的优异性体现在如下几个方面： 1、超低的价格。以8位机的价格，得到32位机，是stm32最大的优势。 2、超多的外设。stm32拥有包括：fsmc、timer、spi、iic、usb、can、iis、sdio、adc、dac、rtc、dma等众多外设及功能，具有极高的集成度。 3、丰富的型号。stm32仅m3内核就拥有f100、f101、f102、f103、f105、f107、f207、f217等8个系列上百种型号，具有qfn、lqfp、bga等封装可供选择。同时stm32还推出了stm32l和stm32w等超低功耗和无线应用型的m3芯片。 4、优异的实时性能。84个中断，16级可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为中断输入。 5、杰出的功耗控制。stm32各个外设都有自己的独立时钟开关，可以通过关闭相应外设的时钟来降低功耗。 6、 极低的开发成本。stm32的开发不需要昂贵的仿真器，只需要一个串口即可下载代码，并且支持swd和jtag两种调试口。swd调试可以为你的设计带来跟多的方便，只需要2个io口，即可实现仿真调试。 3.1.2复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。当电路中出现死机以及乱码的情况，按下s1键系统将会重新回到起始状态。stm32f103c8的复位电路下图所示。图3-2 复位电路图3.1.3电源电路图3-3电源电路图stm32的工作电压(vdd)为2.03.6v。当主电源vdd掉电后，通过vbat脚为实时时钟(rtc)和备份寄存器提供电源。由于在该控制器中，需要一些电源对电路中的各个功能部件提供不同的供电电压，这样才能使系统正常运行，分析整个系统电路部分，主要是对微处理器stm32f103c8芯片进行供电，由于stm32所需要的工作电压(vdd)范围为2.03.6v。这里我首先从蓄电池两端的分压电路引出12v的电压值，然后经过7805输出5v的电压值，5v电压给芯片的电源模块供电，经过lm117稳压后输出3.3v的电压值，该电压为stm32芯片供电。其中，蓄电池两端的分压电路的两个电阻的阻值比为3:1,48*1/4=12v。3.2逆变器的boost（升压型）电路图3-4 升压电路图该电路中使用了电力场效应晶体管（mosfet），电路中的电感l和电容c的值都很大，当场效应晶体管处于通态时，电源e向电感l充电，充电电流基本恒定为i1，同时电容c上的电压向负载即灯泡（r）供电。因为电容c的值很大，所以输出电压u0基本上保持恒值。设电力场效应晶体管处于通态的时间为ton，此阶段电感l上积蓄的能量为ei1ton。当电力场效应晶体管处于断态时电源e和电感l同时向电容c充电并向负载灯泡（r）提供能量。设电力场效应晶体管（mosfet）处于断态的时间为toff，则此阶段电感l释放的能量为（u0-e）i1toff。当电路处于稳态时，一个周期t中电感l积蓄的能量与释放的能量相等，即 ei1ton=（u0-e）i1toff化简得 u0=（ton+toff）/toffe=t/toffe假设该pwm波的占空比为，则=ton/（ton+toff）由u0=220v,e=48v，计算得=0.78182。在该电路中，使输出电压高于电源电压有两个关键原因:一是电感l储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容c可将输出电压保持在住。3.3 dc-ac逆变电路图3-5 逆变电路该逆变电路是单相全桥逆变，该电路的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（bjt）、功率场效应管（mosfet）、绝缘栅晶体管（igbt）和可关断晶闸管（gto）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为mosfet,因为mosfet具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用igbt模块，这是因为mosfet随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而igbt在中容量系统中占有较大的优势。igbt正向驱动电压应为12v，典型值15v；截至电压-5v，典型值-7.5v-9v。逆变电路的工作原理分析：在图2-3所示的电路结构中，同一桥臂的开关管不能同时开启，所以，当开关管g1和g4开启，g2和g3关断时，电流流经g1u0l3g4,此时输出电压为u0=ui。而当开关管g2和g3开启，g1和g4关断时，电流流经g3l3u0g2，此时输出电压为u0=-ui。所以，当开关管g1g4和开关管g2g3轮流导通时，在逆变器的负载上就可以得到交流方波输出电压。3.4 a/d转换电路a/d转换电路需要对电压信号进行采集，如下图所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为19:1，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vad1=65*1/20=3.25，不超过3.3v,能保证芯片正常工作。当蓄电池充电过程的最大电压为58v左右，计算出采集到的电压为2.9v，也符合芯片的输入值要求。因为太阳能电池板和蓄电池两端的电压值不是稳定的，有时会超过48v，所以为了避免采集的电压值超过芯片的工作电压，按照电压的最大值标准来确定采集电路的电压比值。采样电压可通过变换a / d采样结果计算公式a d c_ data7：0=4096*vin/vcc得到vin=(ad c_data*vcc)/4096。图3-6 ad转换电路3.5 lcd 1602显示电路lcd要选择工作电压为3.3v的。lcd显示电路主要显示太阳能电池板和蓄电池两端的电压值。图3-7 lcd 1602液晶显示3.6电力电子器件的保护电路3.6.1mosfet的保护电路 功率场效应管的栅极与源极之间并联了一个电阻和一个齐纳二极管，电阻的作用是降低栅极与源极间的阻抗，齐纳二极管的作用是防止栅极与源极间尖端电压击穿功率管。同时，在功率场效应管的漏极与源极之间并联了一个rc电路和齐纳二极管，由于器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压，所以必须加上rc缓冲电路和齐纳二极管对其进行保护。图3-8 mosfet管的保护电路3.6.2 igbt 的保护电路igbt 的保护电路：过压保护，rl【还是rc?】缓冲电路（在原理图中截取）igbt模块在由导通状态关断时，电流ic突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在igbt模块的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压 uce=l dic/dt，加之igbt模块的耐过压能力较差，这样就会使igbt模块击穿,因此，其过压保护也是十分重要的。本文采用吸收回路保护igbt。吸收回路的作用是：当igbt模块关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。图3-9 igbt 的保护电路3.7充放电指示电路图3-10 充放电指示电路充放电指示电路用的是两个led灯，led3（绿灯）和led4（红灯），其连接原理图如图3-10所示，led3与18引脚pb0相连，led4与19引脚pb1相连，当pb0、pb1两个引脚为高电平时两个灯亮。当led3指示灯长时间亮时，表明蓄电池增在快速的充电；当led4 指示灯长时间亮时，表明蓄电池正在处于负载供电。3.8 驱动电路由于mosfet管和igbt的导通电压较高，单片机输出的电压不足以使其导通，故需采用驱动电路进行前级驱动。如下图所示，stm32f103c8使用pa0-pa6作为mosfet管和igbt的栅极控制信号。该驱动电路是用芯片tlp250提供驱动信号，芯片的结构图如下:图3-11 tlp250管脚图图中芯片的1脚和4脚都是空脚，不需要接任何器件，2脚和3脚为驱动信号的输入端，此系统为pwm波的输入端，5脚接地，6脚和7脚同为驱动信号的输出端，8脚为该芯片的供电电压，一般为10-35v之间。图3-12 tlp250连线图图3-12中vin为12v的电压，在tlp250芯片的工作电压范围内，为tlp250提供工作电压。此处电压从蓄电池两端的分压电阻引出。tlp250在使用时需注意：应在管脚8和5间连接一个0.1f的陶瓷电容来稳定增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引线长度不应超过1cm。pwm波经过tlp250驱动电路后输出的drive端直接与mosfet管和igbt的栅极g相连，使其工作。因为本论文中用到7路pwm波，故用pwmx表示pwm1pwm7，同样，drive x表示从drive 1drive 7。每一路pwm波控制相应的晶体管。3.9 负载控制电路该负载控制电路由继电器、光敏电阻与太阳能led路灯组成。太阳能led路灯与继电器开关串联，继电器与光敏电阻串联，继电器为常闭型。白天，光线好时，光敏电阻rp阻值很小，通过继电器的电流较大，使继电器开关断开，即太阳能led路灯供电电路断开；晚上，光线较暗，光敏电阻rp阻值很大，通过继电器的电流较小，使继电器开关闭合，即太阳能led路灯供电电路闭合。 这样就实现了太阳能led路灯的自动控制。 3-13 负载控制电路第四章 太阳能控制器和逆变器的软件设计4.1程序主要流程图图4-1 系统流程图4.2主要c程序设计4.2.1 pwm控制的程序/tim3 pwm部分初始化 /pwm输出初始化/arr：自动重装值/psc：时钟预分频数void tim3_pwm_init(u16 arr,u16 psc) gpio_inittypedef gpio_initstructure;tim_timebaseinittypedef tim_timebasestructure;tim_ocinittypedef tim_ocinitstructure;rcc_apb1periphclockcmd(rcc_apb1periph_tim3, enable);/使能定时器3时钟 rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa | rcc_apb2periph_afio, enable); /使能gpio外设和afio复用功能模块时钟gpio_pinremapconfig(gpio_partialremap_tim3, enable); /timer3部分重映射 tim3_ch1-pa.0 /设置该引脚为复用输出功能,输出tim3 ch1的pwm脉冲波形gpioa.0gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_0; /tim_ch1gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_af_pp; /复用推挽输出gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz;gpio_init(gpiob, &gpio_initstructure);/初始化gpio /初始化tim3tim_timebasestructure.tim_period = arr; /设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值tim_timebasestructure.tim_prescaler =psc; /设置用来作为timx时钟频率除数的预分频值 tim_timebasestructure.tim_clockdivision = 0; /设置时钟分割:tdts = tck_timtim_timebasestructure.tim_countermode = tim_countermode_up; /tim向上计数模式tim_timebaseinit(tim3, &tim_timebasestructure); /根据tim_timebaseinitstruct中指定的参数初始化timx的时间基数单位/初始化tim3 channel2 pwm模式 tim_ocinitstructure.tim_ocmode = tim_ocmode_pwm2; /选择定时器模式:tim脉冲宽度调制模式2 tim_ocinitstructure.tim_outputstate = tim_outputstate_enable; /比较输出使能tim_ocinitstructure.tim_ocpolarity = tim_ocpolarity_high; /输出极性:tim输出比较极性高tim_oc2init(tim3, &tim_ocinitstructure); /根据t指定的参数初始化外设tim3 oc2tim_oc2preloadconfig(tim3, tim_ocpreload_enable); /使能tim3在ccr2上的预装载寄存器 tim_cmd(tim3, enable); /使能tim3stm32有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与gpio复用的。也就是说，一个gpio如果可以复用为内置外设的功能引脚，那么当这个gpio作为内置外设使用的时候，就叫做复用。4.2.2 a/d转化的程序/初始化adc/这里我们仅以规则通道为例/我们默认将开启通道03void adc_init(void) adc_inittypedef adc_initstructure; gpio_inittypedef gpio_initstructure;rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa |rcc_apb2periph_adc1, enable );/使能adc1通道时钟rcc_adcclkconfig(rcc_pclk2_div6); /设置adc分频因子6 /72m/6=12,adc最大时间不能超过14m/pa1 作为模拟通道输入引脚gpio_initstructure.gpio_pin =gpio_pin_1;gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_ain;/模拟输入gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);/初始化gpioa.1adc_deinit(adc1); /复位adc1,将外设adc1 的全部寄存器重设为缺省值adc_initstructure.adc_mode = adc_mode_independent;/adc独立模式adc_initstructure.adc_scanconvmode = disable;/单通道模式adc_initstructure.adc_continuousconvmode = disable;/单次转换模式adc_initstructure.adc_externaltrigconv = adc_externaltrigconv_none;/转换由/软件而不是外部触发启动adc_initstructure.adc_dataalign = adc_dataalign_right;/adc数据右对齐adc_initstructure.adc_nbrofchannel = 1;/顺序进行规则转换的adc通道的数目adc_init(adc1, &adc_initstructure);/根据指定的参数初始化外设adcx adc_cmd(adc1, enable);/使能指定的adc1adc_resetcalibration(adc1);/开启复位校准while(adc_getresetcalibrationstatus(adc1);while(adc_getresetcalibrationstatus(adc1);/等待复位校准结束adc_startcalibration(adc1);/开启ad校准while(adc_getcalibrationstatus(adc1);/等待校准结束/获得adc值/ch:通道值03u16 get_adc(u8 ch) /设置指定adc的规则组通道，设置它们的转化顺序和采样时间adc_regularchannelconfig(adc1, ch, 1, adc_sampletime_239cycles5 );/通道1/规则采样顺序值为1,采样时间为239.5周期adc_softwarestartconvcmd(adc1, enable);/使能指定的adc1的软件转换功能while(!adc_getflagstatus(adc1, adc_flag_eoc );/等待转换结束return adc_getconversionvalue(adc1);/返回最近一次adc1规则组的转换结果u16 get_adc_average(u8 ch,u8 times)u32