基于单片机的太阳能电池控制器的设计

陕西理工学院毕业设计 I 基于单片机的太阳能电池控制器的设计 摘要 目前在全世界范围内 由于能源的不可再生和人类的过度开采 全球化的能源危机已经初现端 倪 为此世界各国竞相发展绿色能源 太阳能凭借其独特的优点 受到了一致的青睐 在太阳能的各种应 用中 光伏发电应用倍受关注 光伏发电系统主要有两种 分布式发电系统和独立式发电系统 然而现在 光伏发电应用的主流为独立式发电系统 在独立式发电系统中主要由四部分 太阳能电池板 控制器 和直流负载 其中控制器为整个发电系统的核心 由于独立式发电系统中蓄电池的充电放电比较频繁故所 以控制器要对蓄电池的充电放电进行管理 从而延长蓄电池寿命 减少系统的故障率 提高系统稳定性大 大减少发电运营成本 本次毕业设计就将对独立式光伏发电中所要使用到的基于单片机的太阳能蓄电池的 控制器进行探讨和研究 关键词 太阳能 单片机 控制器 Abstract At present while most countries all over the world are developing green and renewable energy solar energy is accepted commonly because of its unusual advantages Photovoltaic PV systems are paid more 陕西理工学院毕业设计 II attention to among its various applications PV systems are mainly two stand alone distributed power systems and power generation systems but stand alone systems has been a trend in nowdays Stand alone distributed power systems has four mainly parts the Solar panels the controller the battery and the DC load while in the four parts the controller is the most important one The controller has to decide how and when to charge or discharge because of the high working frequency of the system So the controller can extended the battery life decrease the failure rate make the system steady and reduce the costs of system This gradual design aimed at the study of the controller used in the stand alone systems based on microcontroller Key words solar energy microcontroller controlle 目录 陕西理工学院毕业设计 III 1 概述 1 1 1 题目要求 1 1 2 题目国内外发展现状 1 1 3 题目设计目标级功能要求 2 1 4 题目设计所需要的环境 2 2 总体设计 3 2 1 硬件总体设计 4 2 2 程序总体设计 4 3 硬件设计 9 3 1 电压采集电路 9 3 1 1 电压采样电路 9 3 1 2ADC0809 模数转换芯片 9 3 1 3 74LS373 锁存器 11 3 2 单片机及其外围电路 12 3 2 1 单片机功能引脚介绍 12 3 2 2 单片机外围电路 13 3 3 充放电电路 14 3 3 1MOSFET 14 3 3 2 光耦合器件 15 3 3 3PWM 控制技术介绍 16 3 4 硬件设计软件 18 4 软件设计 19 陕西理工学院毕业设计 IV 4 1 中断系统 19 4 1 1 中断系统结构 19 4 1 2 中断响应 22 4 1 3 中断响应过程 22 4 1 4 中断请求的撤销 23 4 2 各设计模块 24 4 2 1 程序初始化模块 24 4 2 2 定时器中断模块 24 4 2 3A D 转换模块 25 4 2 4PWM 脉冲宽度控制模块 25 4 2 5 方案的选择控制模块 26 4 2 6 单片机停止工作的按键输入模块 26 4 3 软件总体设计 26 5 系统调试 31 5 1 硬件电路调试 31 5 2 程序调试 32 6 其它器件介绍 33 6 1 太阳能电池 33 6 2 蓄电池 33 6 2 1 蓄电池分类 33 6 2 2 蓄电池容量 33 6 2 3 蓄电池能量效率 35 陕西理工学院毕业设计 V 6 2 4 蓄电池循环寿命 35 参考文献 36 致谢 38 陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 38 页 1 概述 1 1 题目要求题目要求 在全球能源形势紧张 全球气候变暖严重威胁经济发展的今天 世界各国都在寻取新 的能源替代战略 以求得可持续发展及在日后的发展中获得优势地位 太阳能以其清洁 可再生 安全等显著等显著优势成为当今关注的重点 尤其是太阳能光伏发电技术 在近 些年来更是得到飞速的发展 时至今日光伏发电技术已经极其成熟 在光伏发电技术中主 要分为两种 独立式发电系统和分布式发电系统 分布式发电系统则主要应用于大规模的并 网发电系统 独立式发电系统主要面向小型用户或者小型负载 独立式发电系统以其应用 灵活 适应性强贝越来越多的应用于各个领域 独立式光伏发电系统主要有 4 部分组 太阳能电池板 制器 电池和直流负载 太阳能 电池板和蓄电池的技术发展相对来说比较成熟 而对于控制器由于所适用的场合有所不同 其对性能的要求也就各不相同 就一般太阳能电池板蓄电池对于控制器的要求主要侧重于 对蓄电池充放电的管理 以及对夜间和白昼的充放电选择 这样才能更加合理的利用太阳 能 使光伏发电系统的效率最大化 另一方面通过单片机对蓄电池的过充电和过放电的管 理 可以延长蓄电池的寿命 从而进一步提升系统的性价比 因此对于设计出这样一种智 能控制器就显得很必要了 1 2 题目国内外发展现状题目国内外发展现状 太阳光没有地域的限制无论陆地或海洋 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 正是由于以上特点 美国在经历上世纪 80 年代能源危机 后 就一直致力于开发太阳能发电技术 到现在为止该项技术在美国 德国 瑞士和日本 等国的技术发展和推动下 已变得极为成熟 在我国国内市场 已经有很多对此类控制器 开发研制的技术厂商和科研院所 因此从某一方面来讲 我国已完完全全进入太阳能全面 发展的时代 图 1 1 太阳能电池板给直流系统供电的系统结构框图 太阳能 电池板 控制装置 直流负载 蓄电池 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 38 页 太阳能电 池 蓄电池 充电控制光耦电路A D 转换 分压电路 采集电压 分压电路 采集电压 A D 转换 光耦电路放电控制 51 单 片 机 图 1 2 本次设计中所采用的系统结构框图 1 3 题目设计目标及功能要求题目设计目标及功能要求 在本次设计中抓药要设计出一种智能型的太阳能电池控制器 对功能具体要求如下 1 电池长时间发电 电压较低时要停止放电 2 蓄电池电压高于其所能承受的电压时 要停止对其充电 3 通过电压采样检测 对不同的蓄电池不同充电状态 采用不同的充电方案 4 对于整套充放电系统要设置可手动关停的按钮 以达到对系统更为智能的设计 5 通过设置时间 从而根据光照情况对蓄电池进行自动的关停 6 可对线路进行过流 短路保护 本次设计中将以 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 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 进行过流保护及负载功率检测 1 4 题目设计所需要的环境题目设计所需要的环境 对于本次设计的关键核心在于 如何对硬件电路进行设计 和单片机程序如何设计 现行的硬件电路设计和单片机汇编语言设计的主要工具为 proteus 和 keil uVision2 proteus 对数字电路的设计有着优越的性能 它有着庞大的元件库 而且元件库中拥有大量的微处 理器芯片 另一方面 keil 对汇编语言进行编译成功后可产生能与 proteus 进行联机调试的 HEX 文件 故在本次设计中采用 proteus 和 keil 这两款软件分别对软硬件进行设计和仿 真 在接下来的各个章节中 我们就将对独立式光伏发电系统中的控制器部分 通过 proteus 和 keil 对其进行软硬件的设计 并对其进行仿真 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 38 页 2 2 总体设计总体设计 系统设计的流程图如下 Y N Y N Y N N Y 图 2 1 系统设计的流程图 开 始 初始化变量 电压采集 Vbat 12V Vbat 14 5V Vbat 10 8V 停止充电 快充 浮充 停止放电 是否按键输入 结束 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 38 页 由流程图可知 对于 整个充放电过程主要分为以下 4 个阶段 Vbat 10 8V 时 电池停止放电 而且当有结束按键输入时要结束整个程序 当无啊 结束按键输入时 程序转而对蓄电池进行快充 10 8V Vbat 12V 时 对电池进行快速充电 12V Vbat 14 5 时 对电池进行浮充 Vbat 14 5V 时 对电池停止充电 执行以上各阶段程序后 程序要继续进入电压检测阶段 进而根据充电情况对充放电 方案重新进行选择 由流程图可以看出没有对充放电进行专门的设置 而是通过单片机比较经过 A D 转换 过的采样电压的大小来对冲电或放电进行管理的 当电压值大于 14 5V 时单片机发出信号 使得充放电电路停止充电 当然此时可以放电回路 可以放电 也可以出断开状态 当 电压值小于 10 8V 时 首先要断开放电回路 然后再通过一个外置于单片机的手动开关 若此时用户想要控制器停止工作 则按下按钮 此时单片机就会进入停止工作状态 若想 让单片机继续进行充放电工作状态 则无需按下按钮 系统会自动进入快充状态 之后后 继续进入下一个电压采集转换 以及方案选择的循环中 直至用户需要停止系统工作按下 按钮 2 1 硬件总体设计硬件总体设计 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 U1 80C51 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U7 74LS373 OUT1 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF 12 VREF 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 OUT5 8 EOC 7 OE 9 CLOCK 10 OUT2 20 OUT7 14 OUT6 15 OUT8 17 OUT4 18 OUT3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 U2 ADC0808 11V 12 34 56 U2 CLOCK 10k 充满低压 R2 2 10k 10k R3 1 停止 11MHz 100p 100p 10k 10u 10k 2 7 6 2 3 U6 OPTOCOUPLER NAND 5k 5k 太太阳阳能能电电池池板板 D1 1N4001 100u Q1 IRF9530 4k1k D2 1N4001 蓄蓄电电池池 Q2 IRF9530 直直流流负负载载 7 6 2 3 U8 OPTOCOUPLER NAND 5k 5k 1k 图 2 1 硬件总体设计图 2 22 2 程序总体设计程序总体设计 ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP EXTERN INT ORG 000BH 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 38 页 LJMP TIMER0 INT START MOV SP 050H 设置堆栈 MOV R0 030H 设置 A D 存储单元初始地址 MOV IE 0FFH 打开所有中断 MOV DPTR 0FEF8H 采集通道首地址 只使用一路 A D 就可以 MOV R0 40H MOV R0 00H 清除方案选择 MOV R0 40H MOV R0 00H 清楚方案选择触发位 MOV R1 042H MOV R0 00H 清除定时计数器 LCALL TIMER1 INT LOOP MOV R0 30H 30H 是 A D 转换的地址 将数据和几个值进行比较 确定方案 MOV A R0 SUBB A 99H 当电压很小的时候 采用第 1 种方案 想引脚 PWM 发送占空比为 10 的信号 JC PROCESS 01 MOV A R0 SUBB A 0AAH JC PROCESS 02 很小的时候 采用第 2 种方案 想引脚 PWM 发 送占空比为 20 的信号 MOV A R0 SUBB A 0CDH JC PROCESS 03 电压很小的时候 采用第 3 种方案 想引脚 PWM 发送占 空比为 50 的信号 MOV A 04H 当电压超出的时候 采用第 4 种方案 向引脚 PWM 发送占空比为 0 的信号 LJMP PROCESS 04 CLEAR FLAG MOV R0 40H 清除方案选择位 MOV R0 00H MOV R0 41H 清除触发位 MOV R0 00H LJMP LOOP PROCESS 01 MOV R1 040H MOV R1 01H 选择方案 1 PROCESS 01 NEXT CLR P2 4 将和 PWM 连接的管脚置低 此时停止充电 MOV R1 01H 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 38 页 MOV R0 01H PROCESS 01 01 DJNZ R1 PROCESS 01 01 DJNZ R0 PROCESS 01 01 空跑 16 256 2 个周期 CLR P2 4 将和 PWM 连接的管脚置低 MOV R1 01H MOV R0 01H PROCESS 01 02 DJNZ R1 PROCESS 01 02 DJNZ R0 PROCESS 01 02 空跑 16 256 2 9 个周期 MOV R1 041H 当方案改变标志位到来的时候 清楚标 志并且重新进行判断 CJNE R1 00H CLEAR FLAG SJMP PROCESS 01 NEXT PROCESS 02 MOV R1 040H MOV R1 02H 选择方案 2 PROCESS 02 NEXT SETB P2 4 将和 PWM 连接的管脚置高 选择浮充 MOV R1 01H MOV R0 01H PROCESS 02 01 DJNZ R1 PROCESS 02 01 DJNZ R0 PROCESS 02 01 空跑 16 256 2 个周期 CLR P2 4 将和 PWM 连接的管脚置低 MOV R1 01H MOV R0 01H PROCESS 02 02 DJNZ R1 PROCESS 02 02 DJNZ R0 PROCESS 02 02 空跑 16 256 2 8 个周期 MOV R1 041H 当方案改变标志位到来的时候 清除 标志并且重新进行判断 CJNE R1 00H CLEAR FLAG SJMP PROCESS 02 NEXT PROCESS 03 MOV R1 040H MOV R1 03H 选择方案 3 PROCESS 03 NEXT SETB P2 4 将和 PWM 连接的管脚置高 选择快充 MOV R1 01H MOV R0 01H PROCESS 03 01 DJNZ R1 PROCESS 03 01 DJNZ R0 PROCESS 03 01 空跑 16 256 2 2 个周期 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 38 页 CLR P2 4 将和 PWM 连接的管脚置低 MOV R1 01H MOV R0 01H PROCESS 03 02 DJNZ R1 PROCESS 03 02 DJNZ R0 PROCESS 03 02 空跑 16 256 2 7 个周期 MOV R1 041H 当方案改变标志位到来的时候 清除 标志并且重新进行判断 CJNE R1 00H CLEAR FLAG SJMP PROCESS 03 NEXT PROCESS 04 CLR P2 4 停止放电 CLR P2 1 MOV R1 040H MOV R1 04H 选择方案 4 MOV R1 041H CJNE R1 00H CLEAR FLAG SJMP PROCESS 04 TIMER1 INT ANL TMOD 0FH 设置定时器 T1 为方式 2 ORL TMOD 10H MOV TMOD 21H 定时器 T0 工作在方式 1 MOV PCON 080H CLR TR1 禁止定时器 T1 SETB EA SETB ET1 SETB ET0 SETB PT0 定时器 T0 中断优于串口中断 CLR TF1 MOV TL0 00H MOV TH0 01FH 定时器 T0 中断发生时间为 62 5ms SETB TR0 使能定时器 T0 CLR TF0 RET 进入定时器中断 每 500ms 设置 1 次标志位 TIMER0 INT PUSH ACC 累加器入栈 PUSH PSW 程序状态字入栈 MOV PSW 18H 切换寄存器区域 CLR TF0 清除定时器 TF0 CLR TR0 禁止定时器 T0 MOV TL0 00H MOV TH0 01FH 定时器 T0 中断发生时间为 6 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 38 页 CLR TF0 清除溢出中断位 MOV R1 042H INC R1 增加计数器的值 到 8 为止 这样达到 500ms CJNE R1 08H TIMER0 READY MOV R1 00H 清除计数器的值 MOV R1 041H 设置标志位 每 500ms 重新选择方案 MOV R1 01H TIMER0 READY SETB TR0 使能定时器 T0 POP PSW 程序状态字出栈 POP ACC 累加器出栈 RETI 进入外部中断 每进入一次读取 ADC 的值 EXTERN INT PUSH ACC 累加器压栈 PUSH PSW 程序状态字压栈 MOV PSW 010H 切换寄存器区域 MOV DPTR 0FEF8H A D 转换器首地址 MOVX A DPTR 读入 A D 的值 MOV R1 030H 存储 A D 转换器的数据的地址 MOV R1 A 将 A D 的值读入该地址 POP PSW 程序状态字出栈 POP ACC 累加器出栈 RETI END 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 38 页 3 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 电压采集电路电压采集电路 3 1 13 1 1 电压采样电路电压采样电路 如图 2 5 所示 电压采集电路使用两个串联的电阻 大小比例为 4 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 5 电 池充满电时电压大概为 14 5V 计算出采集到的电压为 2 9VA D 转换芯片的 ADC0809 的值 为 94H 图 3 1 电压采集电路 假设蓄电池电压为 U 则根据欧姆定律 R I U 和串联电路的分压特性 可得 UAD1 U U U 21 2 RR R kk k 1040 10 5 1 通过采样对蓄电池电压进行采样后 模数转换的芯片输入端所处理的电压 范围缩小至 0 3V 大大增强了数模转换的可行性 3 1 2ADC08093 1 2ADC0809 模数转换芯片模数转换芯片 AT89S51 单片机没有内置的 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 在本次设计中 我们采用 ADC0809 对采样电压进行数模转换 ADC0809 为八位逐次比较式 A D 转换芯片 具有 8 路模拟输入通道和 8 位数字输 出通道 其工作频率为 640kHz 理论上 1kHz 该芯片采用脉冲启动方式 只要给其控制 端加一个符合要求的脉冲信号即可启动该芯片进行模数转换 通常用和地址译码的输WR 出经过一定的逻辑电路进行控制 对于本次设计 只需把符合要求的电平加到启动控制端 即可可是转换 ADC0809 芯片内部逻辑与引脚图 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 38 页 IN7 DB7 IN0 ADDA ADDB ADDCDB6 ALE a b 图 3 2 ADC0809 芯片的内部逻辑结构与引脚图 a 内部逻辑图 b 引脚图 ADC0809 输入通道地址选择表 表表 3 13 1 ADC0809ADC0809 输入通道地址选通表输入通道地址选通表 ADDC ADDB ADDA选通的通道选通的通道 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 IN0 IN1 IN2 IN3 三态锁存缓冲器 8路模拟开关 地址 锁存 与译 码 A D 转换 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 38 页 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 IN4 IN5 IN6 IN7 ADC0809 工作转换时序 START ALE A B C IN OE EOC D0 D7 图 3 3 ADC0809 工作时序图 3 1 33 1 3 74LS37374LS373 锁存器锁存器 74LS373 是一种带输出三态门的 8D 锁存器 其结构如下图所示 8D 锁存器 三态门 1D 1Q 8D 8Q G OE IN1 IN8OUT1 OUT8 Date 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 38 页 图 3 4 74LS373 结构示意图 1D 8D 为 8 个输入端 1Q 8Q 为 8 个输出端 G 为数据锁存控制端 当 G 为 1 时 锁存器输出端同输入端 当 G 由 1 变 0 时 数 据输入锁存器中 为输出允许端 当为 0 时 三态门打开 当为 1 时 三态门关闭 输OEOEOE 出呈高阻状态 在 51 单片机系统中 常采用 74LS373 做为地址锁存器使用 其连接方法如下图所示 ALE 图 3 5 74LS373 用作地址锁存器 3 23 2 单片机及其外围电路单片机及其外围电路 3 2 13 2 1 单片机功能引脚介绍单片机功能引脚介绍 本设计使用 51 些列单片机 51 系列单片机是 8051 系列的简称 是指 MCS 51 系列单 片机和其他公司的 8051 派生品 MCS 51 系列单片机最早是由 intel 公司推出的通用型单片 机 MCS 51 系列单片机产品可分为两大系列 51 子系列和 52 子系列 51 子系列的基本 产品是 8031 8051 和 87c51 三种机型 分别与这三种机型兼容的低功耗 CMOS 器件产品 是 80C31 80C51 和 87C51 它们的指令系统和芯片引脚完全兼容 它们之间的差别仅在于 片内有无 ROM 或 EPROM 1D 1Q 8D 8Q 74LS373 G OE P0 7 P0 0 A7 A0 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 38 页 图 3 6 51 单片机引脚图 51 单片机引脚功能 MCS 51 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片 引脚分布请参照 单片机引脚图 l P0 0 P0 7 P0 口 8 位双向口线 在引脚的 39 32 号端子 l P1 0 P1 7 P1 口 8 位双向口线 在引脚的 1 8 号端子 l P2 0 P2 7 P2 口 8 位双向口线 在引脚的 21 28 号端子 l P3 0 P3 7 P2 口 8 位双向口线 在引脚的 10 17 号端子 P0 口有三个功能 1 外部扩展存储器时 当做数据总线 如图 1 中的 D0 D7 为数据总线接口 2 外部扩展存储器时 当作地址总线 如图 1 中的 A0 A7 为地址总线接口 3 不扩展时 可做一般的 I O 使用 但内部无上拉电阻 作为输入或输出时应在外部接 上拉电阻 P0 口有三个功能 1 外部扩展存储器时 当做数据总线 如图 1 中的 D0 D7 为数据总线接口 2 外部扩展存储器时 当作地址总线 如图 1 中的 A0 A7 为地址总线接口 3 不扩展时 可做一般的 I O 使用 但内部无上拉电阻 作为输入或输出时应在外部接 上拉电阻 RST 复位信号 当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时即为有效 用以完成单片 机的复位初始化操作 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引脚 当使用芯片内部时钟时 此二引脚用于外接石英晶体和 微调电容 当使用外部时钟时 用于接外部时钟脉冲信号 VCC 电源 5V 输入 VSS GND 接地 3 2 23 2 2 单片机外围电路单片机外围电路 8051 单片机单片机及其外围电路包括上电复位电路 晶振如图 11 所示 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 38 页 图 3 7 单片机外围电路图 3 33 3 充放电电路充放电电路 3 3 1MOSFET3 3 1MOSFET MOSFET 为金属 氧化层 体 场效晶体管 简称金氧半场效晶体管 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET 是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电 路的场效晶体管 field effect transistor MOSFET 依照其 通道 的极性不同 可分为 n type 与 p type 的 MOSFET 通常又称为 NMOSFET 与 PMOSFET 其他简称尚包括 NMOS FET PMOS FET nMOSFET pMOSFET 等 对于这一部分的设计由充二极管 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 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 Vth 0 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 Vgs 0 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 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 38 页 图 3 8 充放电电路 3 3 23 3 2 光耦合器件光耦合器件 光耦合器件是由发光二极管 发光源 与受光源 如光敏二极管 光敏晶闸管或光敏 集成电路等 封装在一起 构成的电 光 电转化器件 根据受光源结构的不同 可以将 光耦合器件分为晶体管输出的光电耦合器件和晶闸管输出的光电耦合器件两大类 图 3 9 为本次设计中所使用的晶体管光耦合器件 1 脚 正极 2 脚 负极 3 脚 发射极 4 脚 集电极 TLP521 是可控制的光电藕合器件 光电耦合器广泛作用在电脑终端机 可控硅系统设 备 测量仪器 影印机 自动售票 家用电器 如风扇 加热器等在 1 2 极之间加正向电 压 内部的发光二极管 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 光耦内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 电路之间的信号传输 使之前端与负载完全隔离 目的在于增加安全性 减小电路干 扰 减化电路设计 在本次设计中由图 2 7 可知 入信号 C1 为低电平时 光耦内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 内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 Vgs 0 当 S 极电压达 到一定值时 Q1 导通 1 2 4 3 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 38 页 图 3 10 光耦开关电路 3 3 3PWM3 3 3PWM 控制技术介绍控制技术介绍 PWM Pulse Width Modulation 控制 脉冲宽度调制技术 通过对一系列脉冲的宽 度进行调制 来等效地获得所需要波形 含形状和幅值 PWM 控制技术在逆变电路中应用最广 应用的逆变电路绝大部分是 PWM 型 PWM 控制技 术正是有赖于在逆变电路中的应用 才确定了它在电力电子技术中的重要地位 理论基础 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 冲量指窄 脉冲的面积 效果基本相同 是指环节的输出响应波形基本相同 低频段非常接近 仅在 高频段略有差异 t t t t t 0 t t t t a b c d 图 3 11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 面积等效原理 分别将如图 1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节 R L 电路 上 如图 2a 所示 其输 出电流 i t 对不同窄脉冲时的响应波形如图 2b 所示 从波形可以看出 在 i t 的上升段 i t 的形状也略有不同 但其下降段则几乎完全相同 脉冲越窄 各 i t 响应波形的差异 也越小 如果周期性地施加上述脉冲 则响应 i t 也是周期性的 用傅里叶级数分解后将 可看出 各 i t 在低频段的特性将非常接近 仅在高频段有所不同 i t i t e t a d c b 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 38 页 a b 图 3 12 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 正弦半波 N 等分 看成 N 个相连的 脉冲序列 宽度相等 但幅值不等 用矩形脉冲代替 等幅 不等宽 中点重合 面积 冲量 相等 宽度按正弦规律变化 SPWM 波形 脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形 0 t t 图 3 13 用 PWM 原理图 PWM 波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值 按同一比例改变各脉冲宽度即可 PWM 电流波 电流型逆变电路进行 PWM 控制 得到的就是 PWM 电流波 PWM 波形可等效的各种波形 直流斩波电路 等效直流波形 SPWM 波 等效正弦波形 还可以等效成其他所需波形 如等效所需非正弦交流波形等 其基本原理和 SPWM 控制相同 也基于等效面积原理 PWM 相关概念 占空比 就是输出的 PWM 中 高电平保持的时间 与 该 PWM 的时钟周期的时间 之比 如 一个 PWM 的频率是 1000Hz 那么它的时钟周期就是 1ms 就是 1000us 如果高电 平出现的时间是 200us 那么低电平的时间肯定是 800us 那么占空比就是 200 1000 也 就是说 PWM 的占空比就是 1 5 分辨率也就是占空比最小能达到多少 如 8 位的 PWM 理论的分辨率就是 1 255 单斜 率 16 位的的 PWM 理论就是 1 65535 单斜率 频率就是这样的 如 16 位的 PWM 它的分辨率达到了 1 65535 要达到这个分辨率 T C 就必须从 0 计数到 65535 才能达到 如果计数从 0 计到 80 之后又从 0 开始计到 80 那么它的分辨率最小就是 1 80 了 但是 它也快了 也就是说 PWM 的输出频 率高了 双斜率 单斜率 假设一个 PWM 从 0 计数到 80 之后又从 0 计数到 80 这个就是单斜率 假设一个 PWM 从 0 计数到 80 之后是从 80 计数到 0 这个就是双斜率 可见 双斜率的计数时间多了一倍 所以输出的 PWM 频率就慢了一半 但是分辨率却 是 1 80 80 1 160 就是提高了一倍 假设 PWM 是单斜率 设定最高计数是 80 我们再设定一个比较值是 10 那么 T C 从 0 计数 到 10 时 这时计数器还是一直往上计数 直到计数到设定值 80 单片机就会根据你的设 定 控制某个 IO 口在这个时候是输出 1 还是输出 0 还是端口取反 这样 就是 PWM 的最基 本的原理了 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 38 页 3 43 4 硬件设计软件硬件设计软件 本次设计中我们用 PROTEUS 对设计中的硬件电路进行设计 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 该软件中国总代理为广州风标电子 技术有限公司 它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围 器件 它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具 虽然目前国内推广刚起步 但已 受到单片机爱好者 从事单片机教学的教师 致力于单片机开发应用的科技工作者的青 睐 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具仿真软件 从原理图布图 代码调试到单片机 与外围电路协同仿真 一键切换到PCB 设计 真正实现了从概念到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计 平台 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器模型 在编 译方面 它也支持 IAR Keil 和 MPLAB 等多种编译器 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 38 页 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 中断系统中断系统 4 1 14 1 1 中断系统结构中断系统结构 在 CPU 与外设交换信息时 存在着一个快速的 CPU 与慢速的外设之间的矛盾 为 解决这个问题 发展了中断的概念 单片机在某一时刻只能处理一个任务 当多个任务同时要求单片机处理时 这一要 求应该怎么实现呢 通过中断可以实现多个任务的资源共享 中断现象在现实生活中也会经常遇到 例如 你在看书 手机响了 你在书上 作个记号 你接通电话和对方聊天 谈话结束 从书上的记号处继续看书 这就是 一个中断过程 通过中断 你一个人在特定的时刻 同时完成了看书和打电话两件事情 用计算机语言来描述 所谓的中断就是 当 CPU 正在处理某项事务的时候 如果外界或 者内部发生了紧急事件 要求 CPU 暂停正在处理工作而去处理这个紧急事件 待处理完 后 再回到原来中断的地方 继续执行原来被中断的程序 这个过程称作中断 从中断的定义我们可以看到中断应具备中断源 中断响应 中断返回这样三个要素 中断源发出中断请求 单片机对中断请求进行响应 当中断响应完成后应进行中断返回 返回被中断的地方继续执行原来被中断的程序 主 程 主 中断 中断 序 程 中 序 中断源 断 中断源 响 主 应 主 程 程 序 序 a b 图 4 1 中断系统结构图 a 一级中断系统机构图 b 二级嵌套中断系统结构图 MCS 51 单片机的中断源 MCS 51 单片机的中断源共有两类 它们分别是 外部中断和内部中断 外部中断源 外部中断 0 来自 P3 2 引脚 采集到低电平或者下降沿时 产生中断请求 外部中断 1 来自 P3 3 引脚 采集到低电平或者下降沿时 产 生中断请求 内部中断源 定时器 计数器 0 定时功能时 计数脉冲来自片内 计数功能时 计数脉冲来自片外 P3 2 引脚 发生溢出时 产生中断请求 定时器 计数器 1 定时功能 时 计数脉冲来自片内 计数功能时 计数脉冲来自片外 引脚 发生溢出时 产生中断请 求 串行口 为完成串行数据传送而设置 单片机完成接受或发送一组数据时 产生中断 请求 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 38 页 MCS 51 单片机有多个中断源 以 8051 为例 有 5 个中断源 两个外中断 两个定时 中断和一个串行中断 这一节我们讨论外中断软件编程 外中断是由外部原因引起的中断 有两个中断源 即外中断 0 INT0 和外中断 1 INT1 中断请求信号由引脚 P3 2 INT0 和 P3 3 INT1 输入 外中断请求信号有两种方式 一是电平方式 二是脉冲方式 可通过有关控制位的定 义进行规定 电平方式为低电平有效 只需在单片机的 INT0 和 INT1 中断请求输入端采样到有效 的低电平时 就会激活外部中断 脉冲方式则在脉冲的后负跳沿有效 即在相邻两个机器周期对中断请求引入端进行采 样中 如前一次为高 后一次为低即为有效中断请求 这就要求在这种中断方式 中断请 求信号的脉冲宽度必须大于一个机器周期 以保证电平变化能被单片机采样到 定时器控制寄存器 TCON 外中断请求方式的控制位在定时控制寄存器 TCON 地址为 88H 中的位 88 IT0 和位 8A IT1 两个位 当 IT0 IT1 0 为电平方式 IT0 IT1 1 为脉冲方式 同时在此寄存器中 的位 89 IE0 和位 8B IE1 为外中断请求标志位 当 CPU 采样到 INT0 INT1 端出现有效中 断请求时 此位由硬件置 1 在中断响应完成后转向中断服务时 再由硬件自动清 0 表 4 1 定时控制寄存器 定时器控制寄存器 TCON 位地址 8F8E8D8C8B8A8988 位符号 TF1TR1TF0TR0TE1IT1IE0IT0 中断允许控制寄存器 IE 表 4 2 中断允许控制寄存器 中断允许控制寄存器 IE 位地址 AFAEADACABAAA9A8 位符号 EA ESET1EX1ET0EX0 下面我们对有关控制位作说明 EA 中断允许总控制位 EA 0 中断总禁止 禁止所有中断 EA 1 中断总允许 总允许位打开后 各中断的允许或禁止由各中断允许控制位设置决定 EX0 EX1 外部中断允许控制位 EX0 EX1 0 禁止外部中断 EX0 EX1 1 允许 外部中断 ET0 ET1 定时 计数中断允许控制位 ET0 ET1 0 禁止定时 计数中断 ET0 ET1 1 允许定时 计数中断 ES 串行中断允许控制位 ES 0 禁止串行中断 ES 1 允许串行中断 中断的允许和禁止就是中断的开放和关闭 中断允许就是开放中断 中断的禁止就是 陕西理工学院毕业设计 第 21 页 共 38 页 关闭中断 从以上说明我们可看出 MCS 51 的中断允许是通过两级控制的 以 EA 位作为 总中断控制位 以各中断控制位为分控制位 当总中断位为禁止状态时 不管分控制位是 允许或禁止整个中断都是禁止的 只有当 EA 1 允许 时 才能由各分控制位设置各自的 中断允许与禁止 MCS 51 单片机复位后 IE 00H 因此中断处于禁止状态 值得一提的是 单片机中断响应后不会自动关闭中断 因此在转入中断服务程序后 应由软件指令禁止中断 中断优先级控制寄存器 IP MCS 51 的中断优先级控制比较简单 只设置了高 低两个级别的有限级 各中断源的优 先级别由优先寄存器 IP 进行控制 表 4 3 中断优先级控制器 中断优先级控制寄存器 IP 位地址 BFBEBDBCBBBAB9B8 位符号 PSPT1PX1PT0PX0 PX0 外中断 0 INT0 优先级控制位 PT0 定时中断 0 T0 优先级控制位 PX1 外中断 1 INT1 优先级控制位 PT1 定时中断 1 T1 优先级控制位 PS 串行中断 ES 优先级控制位 控制位 0 优先级为低 控制位 1 优先级为高 中断优先级是为了中断嵌套服务的 控制原则为 1 低优先级中断不能打断高优先级的中断服务 而高优先级的中断服务可以打断低 优先级的中断服务 2 同级的中断已经响应 其他中断将被禁止 3 如果同级的多个中断源同时出现 CPU 将按查询次序确定哪个中断被响应 次序 为 外中断 0 定时中断 0 外中断 1 定时中断 1 串行中断 中断控制寄存器的状态设置 在应用中 我们可以通过相应的控制寄存器来使用中断系统 因此从使用的角度上看 这些控制寄存器是面向用户的 这些控制寄存器既可以进行字节寻址 也可以进行位寻址 也就是对位状态的寻址既可以使用字节操作指令也可以使用位操作指令 例如 MOV IE 81H 如使用位操作指令 也可写为 SETB EA SETB EX0 对于一般的外中断程序 我们可以这样安排 ORG 0000H 主程序入口 START AJMP MAIN ORG 0003H 外中断程序入口 AJMP INT00 陕西理工学院毕业设计 第 22 页 共 38 页 MAIN MOV IE 81H 允许总中断和外中断 主程序 INT00 外中断服务程序 RETI 中断返回 4 1 24 1 2 中断响应中断响应 当 CPU 查询到中断请求时 由硬件自动产生一条 LCALL 指令 LCALL 指令执行时 首先将 PC 内容压入堆栈进行断点保护 再把中断入口地址装入 PC 使程序转向相应的中 断区入口地址 LCALL 指令的形式如下 LCALL addr16 addr16 中断入口地址 入口地址已由系统设定 如下 表 4 4 中断允许控制寄存器 中断源 入口地址 0003