太阳能供电装置之设计制作.doc

太陽能供電裝置之設計製作摘要本計畫以太陽能板及89C51單晶片為主，專題是以結合這兩樣硬體為主，以致製作所謂的庭院式太陽能控制燈，利用太陽能板吸收太陽光把電力儲存在電瓶中來達到蓄電。而由89C51單晶片中的程式來感應光，使庭院燈能對應白天與夜晚來作功用。而其中的89C51單晶片，就是一種儲存電腦設計程式的元件，它是最常被用來實作的一種單晶片微控制器，此物件是藉由電腦軟體中的語言來寫入其中，使89C51單晶片能藉由光的感應來對燈泡作相對的功用，其中的功用有:當感應到沒燈光時燈泡發光，但前提是只有當沒感應到時，以及沒感應到光度燈泡會持續發光一段時間，以及不分白晝燈泡持續發光或持續關閉。而此實體的作用程序全部的電力都來自於由太陽能板所收集的太陽能光，藉由不使用到市電，節省資源的消耗，使在夜晚也能讓生活空間能保持一定亮光，也能利用於突發狀況或無電力停電時所提供的便利。39一、前言在現今的生活中，科技的進步是無止歇的，但相對的，所需的能源也就相對的增加，再現有的能源中，需求量最大的莫非就是石油，再來就是煤，跟天然氣等等。但以上這些，並不是無限的，可能再過或年後，這些資源可能就被開發完。也因為那些能源會帶來的污染問題，以及為了避免發生能源危機，人們開始紛紛的尋找可以替代的資源，其中發現，所謂的能量就是來自於熱能，而熱能最基本的來源就是太陽，取之不盡用之不竭，並且是最乾淨無污染的能源，於是太陽能變成為最被積極研究的能源。在微波通信和廣播電視領域中，太陽能電源系統正逐步取代一些傳統的電源設備，得到越來越廣泛的應用。用太陽能系統為微波通訊供電具有擴大微波通信覆蓋範圍、節省輸電線路建設投資、提高微波通信聯繫可靠性、建設時間短、無污染、運行費用低、系統維護簡單和可以無人職守等許多優點。在高山建微波中繼站，電源是一個難以解決的問題。一般高山地區附近沒有電網，如果從數十里或數百公里以外將交流電網拉到山上，投資十分巨大，而且電網容易引入雷電，損壞各種設備，甚至造成人員傷亡。如果利用發電機（如柴油發電機）發電，不僅費用高，而且維護困難，同樣不經濟。然而，高山地區太陽能、風能資源十分豐富，綜合利用這些自然資源作為中繼站的電源，便是我們所要研究的問題。太陽能系統的最優設計必須依靠系統運行最優化控制來實現。利用計算機進行系統控制可以實現這個目標。由於太陽能系統規模較小，一般可採用微機控制和微處理機技術，或者把二者集於一體。目前，太陽能系統的微機控制多用於運行穩定性要求較高的系統。在光電系統中，單晶片機控制器是太陽能電池供電系統的控制部分，在整個系統中占據著重要的位置。它對系運狀態進行參數採集和監控，控制整個系統充放電回路的工作狀態，保證供電系統能在長期無人值守的況下可靠的運行，配以輸入輸出、顯示控制等外圍電路，組成一個實用控制系統。本控制器有以下的特點：（1）採用微型計算機作為控制核心；（2)採用逐路切換充電控制的模式；（3）體積小，功耗低。太陽所照射在地球上的熱能，只要把百萬分一的量拿來當能源使用，就能供給全球的電力，所以在現今的有限能源減少，提倡環保中，太陽能勢必會成為未來的趨勢。而我們所想研究的就是利用太陽能所給的能量，經由轉換發電，來供給民生家電器具，一方面盡量節省所用的市電，另一方面希望達成即使出外也可以擁有即時供應的電力(類似小型發電種類)。或許這個題目有許多的人做過，但我們希望研究出能更與眾不同的成果出來，組員間的共同探討，與師長的一起討論，希望藉由此專題，能學習出更專業的知識與能力。二、太陽能供電裝置的原理(1) 單晶片機智能控制器的設計在微波通信和廣播電視領域中，太陽能電源系統正逐步取代一些傳統的電源設備，得到越來越廣泛的應用。用太陽能系統為微波通訊供電具有擴大微波通信覆蓋範圍、節省輸電線路建設投資、提高微波通信聯繫可靠性、建設時間短、無污染、運行費用低、系統維護簡單和可以無人職守等許多優點。在高山建微波中繼站，電源是一個難以解決的問題。一般高山地區附近沒有電網，如果從數十里或數百公里以外將交流電網拉到山上，投資十分巨大，而且電網容易引入雷電，損壞各種設備，甚至造成人員傷亡。如果利用發電機（如柴油發電機）發電，不僅費用高，而且維護困難，同樣不經濟。然而，高山地區太陽能、風能資源十分豐富，綜合利用這些自然資源作為中繼站的電源，便是我們所要研究的問題。太陽能系統的最優設計必須依靠系統運行最優化控制來實現。利用計算機進行系統控制可以實現這個目標。由於太陽能系統規模較小，一般可採用微機控制和微處理機技術，或者把二者集於一體。目前，太陽能系統的微機控制多用於運行穩定性要求較高的系統。作者參與了某微波中繼站太陽能供電遠程監控系統的研製工作。目前國內已建成了幾座太陽光電站遠程監測系統，僅管系統具有強大的監測功能，但他仍存在如下一些問題：（1）數據傳輸速率低；（2）通訊電話線和日常電話線公用一根線纜,人工電話信號和通訊請求信號易混淆；（3）系統不能顯示電站的故障信息，對所採集的數據也不能進行分析、比較；（4）目前系統只能對遠程太陽光電站完成遠程監控，不能遙控電站的啟動停止運行，不能遠程修復電站可能出現的遠程故障。針對上述所存在的問題及工程要求，我們採用89C51單晶片機智能控制器解決上述的不足。(2) 遠程監控系統的總體設計為了遠到供電系統無人值守及遠程監控的目的，本監控系統由地面監控中心的監控主機和八仙太陽光電站單晶片機控制器兩部分組成。單晶片機空制器負責電站的充放電控制、數據採集和發送，並根據主機傳送的命令而完成相應的控制，系統通過太陽光電站直流電源供電；主機完成數據的接收和處理，並通過顯示器實時顯示電站運行參數及工作狀態，必要時通過印表機列印出來，系統直接通過市電220V交流電源供電。上、下位機通訊採用調制解調（MODEM）方式。系統硬體配置如圖一所示。上圖中太陽光電站遠程監控系統主要由一台IBM-PC機作為上位機一台89C51單晶片機作為下位機組成。限於篇幅，文章只討論89C51單晶片機智能控制器的設計。(3) 控制器硬體結構智能控制器的核心採用性價比高、用方便的89C51單晶片機。考慮到有大量的數據需要處理、保存，因而外接一片數據儲存器。具體結構如圖二所示。(4) 監控系統感測器的選擇控制器需對太陽光電站的運行情況環境狀況進行檢測，包括光強、風速、環境溫度、充電電流、蓄電池電壓和蓄電池溫度等物理量。電流電壓的取樣是採用科海電流電壓感測器模組。電流感測器的主要感測器件是霍爾元件，採用磁平衡原理，其檢測精度高，線性度好。電流感測器被測電流轉換為050mA電流，以電流源方式輸出，配以外加的電壓取樣電路，再將電流信號轉換為AD574採集的標準電壓信號。電壓感測器利用霍爾元件，採用磁補償原理，大功率電阻把蓄電池電壓輸入變換為感測器的標準電流輸入010mA，通過電壓取樣電路把感測器輸出電流信號變成電壓信號。充電電流與蓄電池端電壓檢測電路參見文獻【4】。 溫度感測器採用紅外線感測器，它是根據物體吸收外界的能量，會使物體的溫度發生變化的現象而製成的感測器是非接觸型的。圖三是利用量子型的紅外線感測器的電路圖，它具有較高的靈敏度和響應速度。風速採用風杯式感測器檢測，經F/V轉換器送到模擬輸入端。在太陽光的照射下，根據太陽能電池的短路輸出電流與太陽光照強度成正比，選取一塊兒經標準光計標定好的太陽能電池，作為光強檢測感測器的輸入，根據短路電流的大小即可確定太陽光強。光強檢測感測器採用小電流感測器。(5) AD574轉換器介面電路設計AD574是Analog Devices公司生產的具有微處理器介面快速12位元次逼近型A/D轉換器，AD574的腳位與89C51的連接如圖四所示。 AD574有5根控制線，其中CE、 CS、R/C為一般控制線，完成元件的定時、尋址、啟動和讀出操作。12/8和A0決定晶片的轉換週期和數據輸出格式，轉換結果的高8位元從D11D4輸出，低4位元從D3輸出，並直接和單晶片機的數據線相連，如果遵循左對齊原則，D3D0應接單晶片機數據線高半字節。借助LE13508可提供8個模擬信號分時進行A/D轉換，8位元模擬信號經過濾波分別加到電路模擬開關LF13508的INT0INT7，由順序控制INT0INT7中的一路與其接通，再加到LE398的模擬量輸入端。數據採集子程序略。(6) 鍵盤與顯示介面電路設計本控制器需要4個功能鍵SB0SB3，用於參數循環顯示及參數設置。一個按鍵實現顯示上一個參數的功能，一個按鍵實現顯示下一個參數的功能，一個按鍵為返回顯示蓄電池電壓（因為該參數比較重要），一個按鍵用於系統參數的設定。(7) 蓄電池充放電控制拉口電路設計太陽光電站的光電池陣列採用串並聯的方式分四路對蓄電池進行充電。蓄電池充放電控制開關K1K4由8255的PB口控制，當繼電器觸點閉合時，太陽能電池板給蓄電池充電；反之，則停止充電。單晶片機實時檢測蓄電池端電壓的大小，並根據充放電控制要求，控制相應繼電器得電和失電，從而延長蓄電池的使用壽命，保證系統正常運行。本系統蓄電池正常工作電壓為4749V，此時控制器正常運行。當蓄電池電壓U低於43V時，K1K4全部閉合，同時發出欠壓指示；當43U44時，K1K4全部閉合；當44U45時，閉合K1，K2，K3；當45U46時，閉合K1，K2；當46U47時，閉合K1；當U 47時，K1斷開。充放電控制接口電路圖略。(8) 光敏電阻的工作原理最簡單的光敏電阻原理圖及其符號如圖5-1所示，它是在均質的光電導體兩端加上電極後構成為光敏電阻，兩電極加上一定電壓後，當光照射到光電導體上，由光照產生的光生載子在外加電場作用下沿一定方向運動，在電路中產生電流，達到了光電轉換的目的。根據半導體材料的分類，光敏電阻有兩種類型本質型半導體光敏電阻和摻雜型半導體光敏電阻，前者只有當入射光子能量等於或大於半導體材料的能隙寬度時才能激發一個電子電洞對，在外加電場作用下形成光電流，能帶圖如圖5-2所示，後者如圖5-2所示的n型半導體，光子的能量hv只要等於或大於（雜質電離能）時，就能把施體能階上的電子激發到導電帶而形成導電電子，在外加電場作用下形成電流。三、8051 單晶片89C51系列單晶片歷經20多年的發展，仍然長盛不衰，在工業控制及儀器儀表中得到廣泛應用；用於89C51單晶片軟體開發的Keil C51編譯系統也日臻成熟，成為89C51系列單晶片軟體開發的優先選擇。在單晶片系統開發中，經常遇到整數BCD進制轉換的問題，一般可以採用C語言中的標準函數sprintf()來實現；但由於該函數是通用格式輸出函數，代碼量大(超過1KB)，用於整數BCD進制轉換的運算時間過長(在12MHz晶振頻率下超過1ms)，這在計算密集cpmputation intensive)的應用中是一個影響系統性能的重要因素。在低功耗系統設計中，也必須考慮因為運算時間長而增加系統耗電量的問題。經常有網友詢問如何高效地實現這種轉換。筆者通過對二進制整數的深入分析，巧妙運用89C51單晶片的特殊單字組乘除指令，成功地實現了整個BCD進制轉換的快速算法。8051結構包含中央處理單元、記憶體單元、輸入單元與輸出單元等四個主要單元，其結構關係則如下圖所示。其中，中央處理單元則是由運算單元與控制單元兩部分所組成的單元，即是一般所通稱的CPU(Center Processing Unit)，此為微電腦最重要的部分1. 運算單元(Arithmetic Logic Unit，簡稱ALU)運算單元又稱為算數邏輯單元，在中央處理單元中可用於執行算數運算，(如：加、減、乘、除等)，以及邏輯運算(如：AND、OR、NOT等)，能將記憶體單元或輸入單元送至中央處理單元的資料執行各種運算。當運算完成後再由控制單元將結果資料送至記憶體單元或輸出單元。2. 控制單元(Control Unit，簡稱CU)此單元在中央處理單元中，負責協調與指揮各單元間的資料傳送與運作，使得微電腦可依照指令的要求完成工作。在執行一個指令時，控制單元先予以解碼(Decode)，瞭解指令的動作意義後再執行(Execute)該指令，因此控制單元將指令逐一執行，直到做完整個程式的所有指令為止。3. 輸入單元(Input Unit，簡稱IU)此單元是用以將外部的資訊傳送到CPU做運算處理或存入記憶體單元，一般在為電腦的輸入單元有鍵盤、磁碟機、光碟機、滑鼠、光筆、掃描器或讀卡機等週邊設備。4. 輸出單元(Output Unit，簡稱OU)此單元是用以將CPU處理過的資料輸出或儲存傳送外部週邊設備，一般在為電腦的輸出單元有顯示器、印表機、繪圖機、燒錄機或磁碟機等週邊設備。5. 記憶體單元(Memory Unit，簡稱MU)記憶體單元是用來儲存輸入單元傳送來的資料，或儲存經過中央處理單元處理完成的資料。記憶體單元之記憶體可分為主記憶體(Main Memory)與輔助記憶體(Auxiliary Memory)兩種，而主記憶體依存取方式不同，又可分為唯讀記憶體(Read Only Memory，簡稱ROM)與隨機存取記憶體(Random Access Memory，簡稱RAM)。ROM所儲存的資料，在微電腦中只能被讀出但不能被寫入，也不會因為關機斷電而使資料流失；至於RAM在微電腦中，則可被讀出或寫入資料，但在關機斷電後儲存於RAM中的資料將會流失。輔助記憶體則是指磁片、硬碟或磁帶等週邊硬體，一般亦為輸出入單元，主要用來彌補主記憶體的不足，其容量可無限制充。8051為40支接腳之單晶片，其接腳圖與功能說明如下：1.Vcc：+5電源供應接腳。2.GND：接地接腳。3.P0.0P0.7：埠0，為開洩極(Open Drain)雙向I/O埠。在做為外部擴充記憶體時，可低八位元位址線 (A0A7 address line)與資料匯流排(data bus)雙重功能。在做為一般I/O埠時必須加上如下之外部提升電路。 4. P1.0P1.7：埠1，為具有內部提升電路的雙向I/O埠。5. P2.0P2.7：埠2，為具有內部提升電路的雙向I/O埠。在做為外部擴充記憶體時，可為高八位元位址線(A8A15 address line)。6. P3.0P3.7：埠3，為具有內部提升電路的雙向I/O埠。此外，埠3的每支接腳都具有另一特殊功能，其功能如下：RXD(P3.0)：串列傳輸的接收端。TXD(P3.1)：串列傳輸的輸出端。(P3.2)：外部中斷輸入端。(P3.3)：外部中斷輸入端。T0(P3.4)：計時/計數器外部輸入端。T1(P3.5)：計時/計數器外部輸入端。(P3.6)：外部資料記憶體寫入激發信號(Strobe)。(P3.7)：外部資料記憶體讀取激發信號(Strobe)。7. RST：重置信號(Reset)輸入端