太阳能电动自行车启动装置的设计

丽水学院2012届学生毕业设计（论文）太阳能电动自行车启动装置的设计摘要 为了控制太阳能发电系统中蓄电池的最优控制，于是可以采用低功耗高性能的RISC微处理器，并通过以单片机ATmega48作为控制电路的核心，设计一种可靠性高，性能好的太阳能智能控制器，并对控制器的控制原理做详细介绍分析。使该控制器能正确监控和检测蓄电池的状态，并最终完成控制器具有的控制和保护功能，如过充和过放保护、负载过流及短路保护、过压保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护等。关键字 太阳能电池，控制器，PWM，ATmega48The design of Solar electric bicycles start deviceAbstract In order to control the optimal control of the batteries in the solar power system, so you can use low-power high-performance RISC microprocessors, and through the microcontroller ATmega48 as the core of the control circuit, the design of a high reliability, good performance solar Intelligent Control, and controller of the control principle is to do a detailed analysis. The controller can correct the monitoring and detection of battery state, and the final completion of the controller has control and protection functions, such as overcharge and over discharge protection, load flow and short circuit protection, overvoltage protection, anti- charging function, solar reverse-battery protection, battery reverse polarity protection, battery open-circuit protection.KeywordsSolar energy,Controller,PWM,ATmega48目 录引 言1第一章 概述21.1选题的目的及意义21.2太阳能电动自行车的研究现状和发展趋势3第二章 项目方案设计要求42.1设计任务分析42.2系统方案解决办法4第三章 太阳能电池原理及性能参数63.1 太阳能电池的工作原理63.2 太阳能电池的分类73.3 太阳能电池的等效电路83.4 太阳能电池的伏安特性曲线93.5 太阳能电池的输出特性曲线103.6 太阳能电池的性能参数103.7 太阳能电池的测试方法11第四章 太阳能光伏发电系统的设计124.1 控制器的硬件结构124.2 AVR单片机124.2.1 ATmega48单片机的简介134.2.2 ATmega48单片机的引脚介绍134.3 蓄电池的充放电控制17第五章 硬件电路的设计195.1系统整体结构布局195.2 电压电流信号采集单元设计195.3 光强信号采集单元设计205.4 温度信号采集单元设计215.5 蓄电池充放电采集单元设计235.5.1 充电电路的设计235.5.2 放电电路的设计24第六章 系统软件设计266.1 系统主程序软件设计266.2 温度采集软件设计276.3 A/D转换部分软件设计286.4 显示部分软件设计296.5 脉宽调制部分软件设计30第七章 实物制作、调试以及出现的问题31 7.1安装及使用：317.2使用说明：317.3负载指示：317.4工作模式设置：317.5工作模式设置表：327.6注意事项：32总 结34致 谢35参考文献36附录一 电路原理图37附录二 电路板实物图40附录三 系统运行演示图41附录四 程序代码4250引 言随着世界经济的迅速发展，交通工具的大量使用，传统的交通工具采用的不可再生能源如汽油、柴油等所带来的空气污染日益严重。为了缓解环境的污染，采用可再生能源如太阳能作为交通工具的能源系统已经受到人们的日益重视。太阳能发电具有无污染、零空气废气排放、可持续发展等优点，近几年来得到了快速的发展。但是由于太阳能发电成本比较高，制约了太阳能在交通工具上的推广应用。降低成本的一个有效的途径是提高太阳能电池的转换效率，并使用最大功率跟踪的方法使电池板输出最大功率，也就是用控制电路实现对电池板的最大功率点（）行跟踪。太阳能电池输出功率受气候、光照强度、树荫等因素的影响，对太阳能电池板进行最大功率跟踪是使太阳能能量转换最大化的有效的方法，有利于在相同里程下使用较小的电池板面积从而达到降低成本的目的。 目前国外自行车公司正在积极的对太阳能电动自行车进行研究，而国内对太阳能电动自行车的研究较少，但是由于太阳能电动自行车的造价不菲，不利于低成本的大规模推广使用，所以当务之急是需要加速发展无污染，零空气废弃排放的能源的利用，利用无污染的太阳能转换成电动以供人类在日常生活中使用。太阳能电动自行车就是最好的从人们出行交通方面上去解决，为人类创造更大的财富，并有望未来成为主流的绿色交通工具。第一章 概述1.1选题的目的及意义目前，我国电动自行车成为很多人出行的选择，但是电动自行车的充电是个问题，电动车的电池很沉，拿到室内充电很费劲，并且，电动自行车时常走在半路上会没电了，为了克服电动自行车充电易用完电的不足下，当今社会急需太阳能电动自行车。目前，在世界能源结构中，人类主要利用的是煤炭、石油、天然气等化石能源。这些常规能源，曾极大地推动、并继续支撑着人类社会的发展。但化石能源的大规模开采和使用，使得资源日益枯竭、人类生存环境也不断恶化，还诱发了许多国家和地区之间的经济、政治纠纷，甚至引起了冲突和战争。我国的煤炭储量比较丰富，是世界上最大的煤炭消费国，消耗量占我国总能耗的67%。这是导致我国环境污染和生态恶化的重要原因之一。因此，人类必须未雨绸缪，大力开拓新能源与可再生能源的应用领域。太阳能作为新能源与可再生能源的重要组成部分，有着煤炭、石油、天然气等化石能源无法比拟的优点：（1）储量丰富：太阳能是取之不尽、用之不竭的，照射到地球表面的太阳能是人类目前所消耗能量的 6000 多倍。而且经测算表明，太阳还能照耀地球600 多亿年。（2）应用广泛：太阳能与其它能源不同，它不存在分布的偏集性。只要有阳光的地方就可以就地利用，不受海拔、地域等地理因素的限制。有利于解决偏远乡村、海岛等地区的能源供应问题。（3）绿色环保：太阳能利用过程中，不需要燃料、不产生噪声，没有废气、废水、废渣等的排放。与化石能源对环境造成的污染相比，太阳能的绿色环保显得十分可贵。（4）经济性：虽然目前太阳能发电的成本仍为常规发电的几倍，但随着太阳能利用技术的发展，其利用成本已大大下降。一般来说，太阳能利用的初期投入成本比较高，但由于太阳能无污染、无噪声、取之不尽、分布广泛的特点，从长期来看，其使用成本要小的多。所以,专家们一致认为太阳能是未来最清洁、最廉价的能源。鉴于以上优点，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅能带来很好的社会和环境效益，还具有明显的经济效益。由于石油、煤、天然气等常规矿物燃料目前己面临供应不足和日益枯竭的局面，并且在它们的使用过程中产生了大量的温室气体和有毒气体，对环境造成了严重的污染，成为全球关注的问题。世界各国都在积极采取措施，开发、利用风能、水能、太阳能、生物质能等可再生能源，已经取得了可喜的成就，为应对常规矿物能源的枯竭做了相应的准备。世界能源消费结构正在向着清洁、低碳或无碳的核能、天然气、风能和太阳能方向发展。在各种可再生能源中，太阳能是最重要的能源，太阳每天投射到地面上的辐射能理论上可以满足全球每天的能源需求，因此大力开发利用太阳能足解决能源问题的有效途径。太阳能利用的主要形式有光热发电和光伏发电等。光热发电是利用太阳光的热效应，通过热动力装置来发电；光伏发电是利用太阳能电池实现光能与电能的相互转化，从而实现太阳能的利用。太阳能利用方式中最重要、最具应用前景的技术就是太阳能光伏发电。太阳能光伏发电可以直接将太阳能转换为电能，是一种无需化石燃料、没有污染获取电能的高新技术，是发达国家研究太阳能利用的重点。 由此可见太阳能电动自行车的研制及广泛使用已经迫在眉睫，它的优点如下：（1）在环保上，即能节省能源，无污染，无有害气体排放，无噪声，能做好蓄电池的回收工作，几乎对环境没有任何污染；（2）在生活上，能为人们出行带来更大的方便与舒适；（3）在经济上，太阳能电动自行车价格不会跟贵，只比同等档次的电动车贵三、四百左右。若与摩托车相比都要便宜得多，且太阳能电动自行车的内燃机的效率低，节能。太阳能电动自行车启动装置的研发成功能够很好得应用在自行车上，使之带来可观的效益。对于大学生，可以培养大学生动手能力，加强大学生理论联系实际的能力，提高大学生在实践过程中更好的运用课本知识、在项目研发过程中的思维能力与处事能力。1.2太阳能电动自行车的研究现状和发展趋势我国是自行车保有量最多的国家，同时也逐步成为电动自行车最多的国家。我国的国情决定了我们的交通工具不可能像欧美发达国家那样全面使用小轿车，电动自行车将有可能成为中国人的主要个人交通工具。国家从多方面着手，本着创建节约型社会为宗旨，在多、快、好、省地大力倡导发展太阳能科技事业，作为中国的支柱产业太阳能电动自行车，一直是政府大力构建和全力支持的，并势必为广大消费者所青睐。目前，国外太阳能电动车的设计出了对太阳能的利用外，还大量结合材料、电子、能源的多种新技术，例如：2006巴黎车展，在车界享有良好声誉的世界著名公司Venturi向世人展出了一款“自驱式”电动车Venturi Ecelectic.该款车利用太阳能、风能、在不依赖任何天然能源的情况下，依然能够行使自如。太阳能电动车的设计随着太阳能、电动技术的成熟，其研发方向也从原先偏向高科技技术，如高性能的太阳能的太阳能汽车，转为具有一定的商业价值、民用的交通代步工具。其设计也开始更加注重美学元素，运用造型原理恰到好处的将突兀的太阳能电池与车体造型有机的融合起来，更加趋于个性化的造型设计和乘坐的舒适性设计以满足现代消费群体的个性化需求。国内，太阳能技术、太阳能电动车的开发技术近年来也得到了突飞猛进，与汽车相媲美的高速太阳能汽车不断出新，也有相当的太阳能电动车走向市面，如有网上资料显示“西藏的10套太阳能电动车已于2004年完工交付使用”。但是，太阳能电动车在设计师偏向于技术实现，而造型艺术上表现薄弱。如前所述，因太阳能电池板的转换效率等技术限定问题，目前太阳能只能用在短途或者行车速度比较低的场合。针对于此，本课题研究的重点放在设计一种轻便型太阳能电动车启动装置，以便能设计一种尽可能降低车体负载的、短途、低速运行下的单人代步工具。第二章 项目方案设计要求2.1设计任务分析本设计主要设计内容是以单片机C语言为核心将太阳能与电能转换上的不同工序、不同功能的装置作业进行联系起来，模拟实现光电转换并实习运行的整个过程。我们利用实验室先进、完善的设备，完成太阳能电动自行车启动装置模型的机械结构设计与搭建组装，并制成实物。设计要求完成：（1） 完成对电路板电路图的设计，把太阳能技术、数字电子与日常交通工具相结合起来。 （2） 场效应管、元器件等各种材料的收集与整理；（3）光伏发电装置的设计；（4）完成太阳能到电能的转换；（5）完成对铅酸蓄电池，太阳能电池阵列，太阳能控制器以及灯之间的有效连接；（6）完成太阳能辅助充电器的安装与调试以及运行；（7）设计美观的外形；（8）装置的参数计算以及性能测试。2.2系统方案解决办法 太阳能光伏发电系统如图所示， 图2-2太阳能光伏发电系统示意图 由系统示意图可知，我们可以从以下四部分去解决方案。太阳能发电系统由四部分组成： （）太阳能电池阵列：太阳能电池阵列是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。 太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 （）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，对系统的运行情况和环境状况进行检测，包括光强、温度、充电电流、蓄电池电压和蓄电池温度等，并最终完成控制器具有的控制和保护功能。如过充和过放保护、负载过流及短路保护、过压保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护等。 在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。（）蓄电池：一般为铅酸电池，小型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 （）逆变器：在很多场合，都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。第三章 太阳能电池原理及性能参数3.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的制作材料多种多样，有硅、硒、砷化镓、硫化镉等，但目前在全球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池，因此本文中主要以硅材料太阳能电池为代表来讨论太阳能电池的工作原理。生产过程大致可分为五个步骤：a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。太阳能电池之所以能够在太阳光作用下发出电来，关键是太阳能电池片内有PN结。因此PN结的制作是生产太阳能电池片的一道最重要的工序。晶体硅太阳能电池是用硅材料制成大面积pn结进行工作的，一般是以p型硅半导体材料作为基质材料，在p型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的n型层，然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在整个背面制作作为背面接触电极的金属膜，太阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反射损失。当太阳能电池表面的pn结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于硅材料的禁带宽度，则在n区、p区和结区中会因光子被吸收而产生电子空穴对，在结附近的n区中产生的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即p区与n区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空间电荷区。在耗尽层内的正负电荷间会形成一个方向由n区指向p区的内建电场。扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向p区，而扩散到结界面处的少数载流子电子会被内建电场拉向n区，结区内产生的电子一空穴对会被内建电场分别拉向n区和p区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子和空穴会积累在pn结附近，结果使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，在pn结上就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应，太阳能电池就是根据光伏效应工作的。太阳能电池板太阳光照在半导体pn结上，形成新的空穴.电子对，在pn结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。（）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（）光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的电池板原料：玻璃，EVA，电池片、铝合金壳、包锡铜、不锈钢制价、蓄电池等。3.2 太阳能电池的分类太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。美国的Bell实验室于1954年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价又过于昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电池所起的作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重要元件，这也促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能电池的效率有了很大提高。单晶硅太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法：多晶硅晶硅材料带状硅硅基太阳电池_si多晶薄膜材料硅微晶图3-2太阳能电池分类图（）多晶硅电池多晶硅太阳电池是光伏电池市场主要产品之一。商品多晶硅电池组件转换效率一般为1214，目前已制出转换效率达1719.8的多晶硅。（）单晶硅电池单晶硅不仅是现代电子工业基础材料，也是最重要的光伏电池材料，现阶段单晶硅电池的转换效率为1417。单晶硅材料虽然光电转换率比较高，但价格昂贵。（）带状电池硅带又称片状硅，是从熔体中直接生长出来的。其最大的优势是：制备带状硅，无需切片，可以明显减少切片的损失，由此材料利用率大大提高。随着规模扩大，自动化程度提高，材料成本将占电池总成本的5070。（4）非晶硅电池非晶硅薄膜电池造价低廉，易形成大规模生产，但光电转换率低，稳定性不如晶体硅。（5）太阳能级硅的研发 按我国光伏产业现在的生产技术水平，生产1Mw硅太阳能电池约需15t硅材料。如果我国到2010年生产100Mw硅太阳能电池，那么就需要1000t左右硅材料，远远大于我国硅材料的供应能力。如能将其用简单的化学或物理方法提纯，就能够用于制造太阳能电池，那将明显地降低太阳能电池的成本，用这种方法制成的硅，称为太阳能级硅。一般认为，能够廉价地制造出光电转换效率达到10的硅材料，就可称为太阳能级硅。 3.3 太阳能电池的等效电路太阳能电池的基本结构是一个大面积的pn结，根据电子学理论，理想pn结的伏安特性可以表示为： 式（21）在式(2.1)中，定义为pn结电流，I0定义为反向饱和电流，U0为pn结外加电压,q=l.6l0.l9C是电子电荷，Vr=kT/q定义为温度的电压当量，k=1.38l0.23J/K定义为波尔兹曼常数，T是绝对温度。在没有光照的情况下，pn结处于平衡状态，没有电流流过pn结。当有太阳光照射到太阳能电池表面时，pn结的平衡状态会被破坏，将产生一个从n区流向p区的光生电流Iph，同时，存在一个从p区流向n区，与光生电流方向相反的暗电流Id，我们把光生电流的方向定义为参考正方向，因此，可以得到理想pn结太阳能电池的伏安特性可以表示为： 式（2-2）考虑到太阳能电池的材料、制造工艺等因素，硅片的内部阻抗和电极接触会引起串联电阻Rs，pn结内部的不完整性会引起并联电阻Rsh，pn结还具有结电容Cj。在一定的光强照射下，太阳能电池的光电流不随工作状态而变化，在等效电路中可以看做恒流源，光电流中的一部分流经负载，在负载两端建立端电压，端电压反过来又正偏于pn结两端，产生一股暗电流，暗电流方向与光电流方向相反。因此，太阳能电池的等效电路可以表述为图3.2所示（其中R1为负载电阻）。Rs太阳能电池IphCjIshRshIIdUR1图3-3太阳能电池等效电路由于器件的瞬时响应特性与太阳能的转换无关，且瞬时响应时问与绝大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此在实际的分析过程中结电容C，可以忽略不计。式中U为负载两端电压，Iph为光生电流，A的取值范围为l5，称为二极管因子，用于考虑电路中二极管的非理想pn结。3.4 太阳能电池的伏安特性曲线I根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线如下图2.2所示IscPmIm0VocVmV图3-4太阳能电池的伏安特性曲线图中Voc是太阳能电池的开路电压，Isc是太阳能电池的短路电流，Pm是太阳能电池的最大输出功率，Vm是最大功率点电压，Im是最大功率点电流。由图中可知，太阳能电池的伏安特性曲线是非线性的，该曲线受太阳能电池自身的工艺参数，外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响。从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源，也不是恒压源，不可能为负载提供任意大的功率。太阳能电池是一个非线性直流电源，输出电流在一定电压范围内相当恒定，最终在到达某个电压值之后，电流迅速下降至零。太阳能电池的输出电流在短路状态下不是无穷大，而是一个有限值。太阳能电池有一个最大输出功率点，工作在最大功率点上时利用效率才最高。太阳能电池的伏安特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数、外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因索的影响，不同的伏安特性曲线可以反映太阳能电池在不同环境条件下工作时的发电能力和最佳效率点。3.5 太阳能电池的输出特性曲线由它的输出特性曲线(见图1) 可知，太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流会有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时，电池板输出的电流一定，可以认为是恒流源。因此，必须研究和设计性能优良的太阳能发电控制器，才能更有效地利用太阳能。 图3-4太阳能电池的输出特性3.6 太阳能电池的性能参数对太阳能电池进行分类评判需要依据特定的性能参数，这些性能参数通常包括：（）开路电压Voc:太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池两端开路时的输出电压值。（）短路电流Isc：太阳能电池在标准光源的照射下，太阳能电池输出端短路时的输出电流值。（）最大输出功率Pm:太阳能电池的输出电压和电流随负载变化而变化，如果选择的负载值使输出电压和电流的乘积最大，这个乘积即为太阳能电池的最大输出功率Pm，此时的输出电压和电流分别称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用Vm和Im表示。（）填充因子FF:填充因子是太阳能电池的一个重要参数，定义为太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比，表述为： 式（2-3）（）转换效率：太阳能电池的转换效率表示的是外电路连接最佳负载时的最大能量转换效率，定义为太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。表述为： 式（2-4）太阳能电池的光电转换效率是评判电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、工作温度、材料性质、放射性粒子辐射损伤和环境变化等因素有关，其中与制造太阳能电池半寻体材料的禁带宽度的大小的关系最为直接。（）串联电阻Rs：串联电阻主要由半导体材料的体电阻、半导体材料与电极的接触电阻、金属导体电阻和电极导体电阻等组成。串联电阻对填充因子有重要影响，串联电阻越小，填充因子越大，太阳能电池的VI特性曲线越接近矩形，太阳能电池的转换效率越高；串联电阻越大，短路电流越小，开路电压不变，填充因子越小，转换效率越低。 （）并联电阻Rsh：并联电阻主要是由电池表面不清洁和半导体体内缺陷引起的，包括pn结的漏电阻和电池边缘的漏电阻等，并联电阻对太阳能电池的开路电压有很大的影响。3.7 太阳能电池的测试方法太阳能电池的伏安特性受光照强度和电池温度的影响，因此规定太阳辐射光谱为AMl.5，日照强度为1000W/m2。太阳能电池温度为25时为地面测试太阳能电池性能的标准测试条件。太阳能电池分析评判的依据是太阳能电池的伏安特性曲线及性能参数，就是要测出太阳能电池在标准日照强度S和标准温度T条件下，太阳能电池所带负载从零变化到无穷大时太阳能电池的输出电压和输出电流的值，根据输出电压和输出电流的值作出太阳能电池的I-V特性曲线，并根据测得的数据计算出太阳能电池的性能参数，根据得出的I-V特性曲线和性能参数来评判太阳能电池的性能。为了尽可能降低光强和温度变化对测试带来的影响，必须保证太阳能电池的测试是在极短时间内完成的。第四章 太阳能光伏发电系统的设计4.1 控制器的硬件结构该控制器以AVR mega 48为控制核心，外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、电池板电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、串口数据上传和键盘输入电路构成。电压检测电路用于识别光照的强度和获取蓄电池端电压。温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿。该系统采用PWM方式驱动充电电路，控制蓄电池的最优充放电。电池板分组切换控制电路用于不同光强度和充电模式下电池板的切换，该系统实现对电池板阵列控制。负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。状态显示电路用于系统状态的显示，包括电压、负载状况及充放电状态的显示。串行口上传数据电路用于系统运行参数的上传，实现远程监控。键盘输入电路用于充电模式设定及LCD背光开启。该控制器在有阳光时接通电池板，向蓄电池充电；当夜晚或阴天阳光不足时，蓄电池放电，以保证负载不停电。4.2 AVR单片机AVR单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片机。RISC（精简指令系统计算机）是相对于CISC（复杂指令系统计算机）而言的。RISC并非只是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。RISC优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令：并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从而缩短指令周期，提高运行速度。由于AVR采用了RESC的这种结构，使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹）的高速处理能力。AVR单片机吸收了DSP双总线的特点，采用Harvard总线结构，因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在AVR单片机中，CPU执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中，从而可以避免传统MCS51系列单片机中多指令周期的出现。传统的MCS51系列单片机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间的数据转换就成了单片机的瓶颈；在AVR单片机中，寄存器由32个通用工作寄存器组成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提高了系统的性能。AVR单片机具有良好的集成性能。AVR系列的单片机都具备在线编程接口，其中的Mega系列还具备JTAG仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序Flash、同步串行接口SPI；多数AVR单片机还内嵌了AD转换器、EEPROM、摸拟比较器、PWM定时计数器等多种功能；AVR单片机的I/O接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约系统成本。AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造，除具有低功耗、高密度的特点外，还支持低电压的联机Flash，EEPROM写入功能。AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植，并加快软件的开发过程。AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。AVR单片机共分为三个系列：低档：ATtiny；中档：AT90；高档：ATmega。4.2.1 ATmega48单片机的简介ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega48的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾3。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega48有如下特点：4K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW)，256字节EEPROM，512字节SRAM，23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，一个SPI串行端口，一个6路10位ADC(TQFP与MLF封装的器件具有8路10位ADC)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、USART、两线串行接口、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC 继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力4。ATmega48是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序进行多次编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区。在更新应用Flash存储区时引导程序区的代码继续运行，从而实现了FLASH的RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega48为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。ATmega48AVR有整套的开发工具，包括C编译器，宏汇编，程序调试器/仿真器和评估板。4.2.2 ATmega48单片机的引脚介绍ATmega48单片机的TQFP封装引脚如图4-2-2所示。 图4-2-2ATmega48单片机TQFP封装的引脚图ATmega48单片机的引脚介绍：VCC：数字电路的电源。GND：地。端口B(PB7PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2：端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B保持为高阻态。通过对系统时钟选择位的设定，PB6可作为反向振荡放大器与内部时钟操作电路的输入。通过对系统时钟选择位的设定，PB7可作为反向振荡放大器的输出。系统使用内部RC振荡器时，通过设置ASSR寄存器的AS2位，可以将PB7、PB6作为异步定时器/计数器2的输入口TOSC2、TOSC1使用。端口B也可以用做其他不同的特殊功能，见表4-1。表4-1端口B的第二功能端口引脚第二功能PB7XTAL2(芯片时钟振荡器引脚2)TOSC2(定时器振荡器引脚2)PCINT7(引脚电平变化中断7)PB6XTAL1(芯片时钟振荡器引脚1或外部时钟输入)TOSC1(定时电平器振荡器引脚1)PCINT6(引脚变化中断6)PB5SCK(SPI总线主时钟输入)PCINT5(引脚变化中断5)PB4MISO(SPI总线主机输入/从机输出)PCINT4(引脚电平变化中断4)PB3MOSI(SPI总线主输/从输入)OC2A(定时器/计数器2输出比较匹配A输出)PCINT3(引脚电平变化中断3)PB2(SPI总线主从选择)OC1B(定时器/计数器1输出比较匹配B输出)PCINT2(引脚电平变化中断2)PB1OC1A(定时器/计数器1输出比较匹配A输出)PCINT1(引脚电平变化中断1)PB0ICP1(定时器/计数器1输入捕捉输入)CLKO(系统时钟分频输出)PCINT0(引脚电平变化中断0)端口C(PC5PC0)：端口C为7位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C保持为高阻态。PC6/：RSTDISBL位被编程时，可将PC6作为一个I/O口使用。因此，PC6引脚与端口C其他引脚的电特性是有区别的。RSTDISBL位未编程时，PC6将作为复位输入引脚Reset。此时，即使系统时钟没有运行，该引脚上出现的持续时间超过最小脉冲宽度的低电平将产生复位信号。持续时间不到最小脉冲宽度的低电平不会产生复位信号。端口C也可以用做其他不同的特殊功能，见表4-2。表4-2端口C的第二功能端口引脚第二功能PC6(复位引脚)PCINT14(引脚电平变化中断14)PC5ADC5(ADC输入通道5)SCL(两线串行总线接口时钟线)PCINT13(引脚电平变化中断13)PC4ADC4(ADC输入通道4)SDA(两线串行总线接口数据输入/输出线)PCINT12(引脚电平变化中断12)PC3ADC3(ADC输入通道3)PCINT11(引脚电平变化中断11)PC2ADC2(ADC输入通道2)PCINT10(引脚电平变化中断10)PC1ADC1(ADC输入通道1)PCINT9(引脚电平变化中断9)PC0ADC0(ADC输入通道0)PCINT8(引脚电平变化中断8)端口D(PD7PD0)：端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D呈现为三态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能，见表4-3。表4-3端口D的第二功能端口引脚第二功能PD7AIN1(模拟比较器负输入)PCINT23(引脚电平变化中断23)PD6AIN0(模拟比较器负输入)OC0A(定时器/计数器0输出比较匹配A输出)PCINT22 (引脚电平变化中断22)PD5T1(定时器/计数器1外部计数器输入)OC0B(定时器/计数器输出比较输出)PCINT21(引脚电平变化中断21)PD4XCK(USART外部时钟输入/输出)T0 (定时器/计数器0外部计数器输入)PCINT20(引脚电平变化中断20)PD3INT1(外部中断1输入)OC2B(定时器/计数器2输出比较匹配B输出 )PCINT19(引脚电平变化中断19)PD2INT0(外部中断0输入)PCINT18(引脚电平变化中断18)PD1TXD(USART输出引脚)PCINT17(引脚电平变化中断17)PD0RXD(USART输入引脚)PCINT16(引脚电平变化中断16)AVCC：AVCC为A/D转换器的电源。当引脚PC3PC4与PC7、PC6用于ADC时，AVCC应通过一个低通滤波器与VCC连接。不使用ADC时该引脚应直接与VCC连接。PC6PC4的电源则是由VCC提供的。AREF：AREF为ADC的模拟基准输入引脚。ADC7、ADC6(TQFP与MLF封装)：TQFP与MLF封装芯片的ADC7、ADC6引脚为两个10位A/D转换器的输入口，它们的电压由AVCC提供。同时嵌入式仪器仪表的开发和概念的探讨正如火如荼的进行，其功能的实现大多通过各种各样的单片机编程来实现而且AVR系列单片机目前在国内得到广泛的应用，相关资料丰富，功能成熟，可见选用ATmega48单片机为设计提供了良好的软件条件。4.3 蓄电池的充放电控制阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大，安全和密封性能好，寿命长，免维护等优点，在光伏系统中被大量使用。由阀控密封铅酸蓄电池充放电特性图(见图3)可知，蓄电池充电过程有3个阶段：初期(OA)电压快速上升；中期(ABC)电压缓慢上升，延续时间较长；C点开始为充电末期，电压开始上升；接近D点时，蓄电池中的水被电解，应立即停止充电，防止损毁电池。所以对蓄电池充电，通常采用的方法是在初期、中期快速充电，恢复蓄电池的容量；在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下：正极：Pb02+He804PbS04+H20负极：Pb+H2S04PbS04+H2总反应：Pb02+2HeS04+Pb2PbS04+H20D2.6充电曲线C2.4BAI/V2.202.0放电曲线E1.6GF131197531T/H图4-3铅酸蓄电池充放电特性曲线蓄电池放电过程主要有三个阶段：开始(OE)阶段电压下降较快；中期(EFG)电压缓慢下降且延续较长的时间；在最后阶段G点后，放电电压急剧下降，应立即停止放电，否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。因此，如果对阀控密封铅酸蓄电池充放电控制方法不合理，不仅充电效率降低，蓄电池的寿命也会大幅缩短，造成系统运行成本增加。在蓄电池的充放电过程中，除了设置合适的充放电阈值外，还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿，并进行必要的过充电和过放电保护。根据阀控密封铅酸蓄电池的特点，控制器利用MCU的PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤；若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，由于自身控制器得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压(15 V)时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压(132 V)时，蓄电池进人浮充状态，当低于维护电压(132 V)后，浮充关闭，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(108 V)时，控制器自动关闭负载，以保护蓄电池不受损坏。若出现过放，应先进行提升充电，使蓄电池的电压恢复到提升电压后再保持一定时间，防止蓄电池出现硫化。通过PWM控制充电电路(智能三阶段充电)，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。第五章 硬件电路的设计5.1系统整体结构布局系统所需功能电路是以单片机作为控制核心，配以电子元件、以及太阳能电池板和蓄电池构成。采用单片机控制的优点是电路简洁，控制精确，可靠性高。该控制器以ATmega48为控制核心，外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、电池板电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、串口数据上传和键盘输入电路构成。输出驱动模块ATmega48单片机电源和复位模块充电控制放电控制太阳能电池电压采样模块蓄电池电压、电流采样模块显示模块温度采样时钟电路模块光强采样图5-1控制器的结构框图控制器需对太阳能光伏发电系统的运行情况和环境状况进行检测，包括光强、温度、充电电流、蓄电池电压和蓄电池温度等，并最终完成控制器具有的控制和保护功能。如过充和过放保护、负载过流及短路保护、过压保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护等。5.2 电压电流信号采集单元设计采用电阻分压方法来采集电压，并使用线性光电耦合器