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太阳能蓄电池充放电控制器的设计,太阳能,蓄电池,放电,控制器,设计
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太阳能蓄电池充放电控制器的设计学 生：彭升指导老师：匡迎春(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要：本文首先对太阳能光伏发电系统的组成和工作原理进行分析说明，其次分析说明蓄电池充放电原理，然后对太阳能蓄电池充放电控制器原理进行分析说明，最后设计充放电控制器，基于AT89C52单片机的智能电路，采集蓄电池两端电压，通过单片机内编写的程序判断，由驱动电路对蓄电池的过充、过放采取保护措施，实现了对太阳能蓄电池充放电的合理控制。关键词：光伏发电；蓄电池；充放电控制；AT89C52The design of the charge and discharge controller for storage battery Students: Peng ShengTutor: Kuang Yingchun(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：This paper first on solar photovoltaic power generation system and the working principles are analyzed and explained, followed by analysis of battery charging discharging principle, and then on the solar battery charging and discharging controller is analyzed, the final design of the charge and discharge controller based on AT89C52 single-chip microcomputer, intelligent circuit, two ends of the battery voltage acquisition, through the microcontroller program written judgment, driven by the circuit of the battery overcharge, overdischarge protective measures are taken, the realization of solar battery charging and discharging control.Key words：Photovoltaic power generation; battery; charge and discharge control; AT89C521 前言 21世纪随着化石能源消耗的不断增长和地球生态环境的日益恶化,世界各国都在积极寻找一种可持续发展且对生态环境无污染的新能源。作为绿色再生能源，太阳能因其独特的优势而得到青睐。但因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响大，而且，光伏电池的光电转换效率低且价格昂贵，光伏发电系统的初期投入较大，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统加以有效的控制。随着微电子技术的发展，人们逐渐采用单片机（MCU）智能控制的方法对太阳能光伏发电系统中的蓄电池充放电进行控制，该方法能实时侦测太阳能电池板的电压，并调整电路中的充放电开关，智能切换充放电过程，使蓄电池实现智能充放电管理。 1.1 国外太阳能光伏发电的现状和趋势首先，这些年来在太阳电池及其组件的制造枝术方面有了长足的进步。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池。此外，还有CaAs 太阳电池、 CdTe太阳电池和CuInSe2 （CIS）太阳电池等。单晶硅太阳电池组件的平均效率已达到3%15%, 实验室最高效率已达到2个4%（澳大利亚新南威尔士大学）。多晶硅太阳电池组件的平均效率也有12%14%儿实验室最高效率已达到19.8%。由于生产规模扩大，生产工艺的改进，晶体硅太阳电池组件的制造成本已降到3.03.5美元/Wp，组件的售价也相应降到3.54.5美元/Wp左右，光电系统成本约为79美元/Wp 对于非晶硅太阳电池由于其稳定性问题长期得不到解决，一度曾放慢了开发速度。然而近来由于引入了引C之类的功能材料和研制成了叠层非晶硅电池，其稳定性得到了显著的改善，重新获得了人们的重视。目前单结非晶硅太阳电池的光电转换效率稳定值已达到5%7% ，实验室最高效率为13.2人多结电池为7%9%，实验室最高效率为15.3% 单结非晶硅电池组件原材料成本0.3美元/Wp，售价3.03.5美元/Wp；多结电池组件的成本差别较大，售价为3.54.5美元/Wp。太阳能光电技术应用系统方面，在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后，现在正在迈向较向较大规模的商业应用。一方面，兆瓦级阳光电站不断出现，在已建成兆瓦级电站中，最大的已达到6.5MWp（美国加州）。目前正在建造阳光电站规模达到50MWp（希腊克里特岛），而准备建造的更大的阳光电站规模将达到100MWp（美国）；另一方面，近年来许多国家的政府都非常重视屋顶阳光发电系统的发展。这些系统以家庭为单位进行安装供电，同时为了降低造价省去储能部件（蓄电池），与大电网相联，互相补充电能。1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划”，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15KWp，累计安装量已达33MWp。1998年德国政府进一步提出了10万套屋顶计划，今年将完成0.6万套。日本政府1994年开始实施“朝阳七年计划”，到2000年将安装16.2万户屋顶系统，总容量达185MWp，1997年又再次宣布实施“七万屋顶计划”，每套容量扩大4KWp，总容量为280MWp。意大利1998年也开始实行“全国太阳能屋顶计划”，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量50MWp。甚至印度也于1997年12月宣布在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。1.2 国内太阳能光伏发电的现状和趋势我国的太阳能光电技术自70年代以来也有相应的发展。现有主要生产厂有六家：宁波太阳能电源厂、云南半导体器件厂，秦皇岛华美光电设备总公司、哈尔滨一克罗拉太阳能电力公司，深圳字康电子有限公司。 目前国内生产的太阳电池组件年销售量为2.53.0MW。，单晶硅太阳电池的效率已达到12%一14%，实验室效率最高为20人草结非晶硅电池的稳定效率为5.0%55%，实验室最高效率为8.35%(南开大学），单晶硅太阳电池组件制造成本为3035元/WP，市场售价42元/WP；单结非晶硅太阳电池组件的原材料成本约为3元/WP，售价为24元/WP。历年来太阳能光电系统的总安装容量在10MW。以上，多数用于交通信号、通信和阴极保护等方面，约占60%以上，其余用于我国西部和西北部阳光资源比较丰富的边远地区，如新疆、青海、甘肃、西藏和内蒙古等省区供人民家庭用电。这些家用小系统的功率多在50W。以下，估计全国己有10万套以上。现有最大的阳光电站容量为100kWp（西藏安多）。并网屋顶光电系统也已起步，在深圳和北京分别安装了17kWp和7kWp。根据电力部制定的19962020年国家太阳能光电(PV)发展计划，我国在2000年和2020年太阳能光电总容量将分别达到66MWp和300MWp，其中家用阳光电源分别为15MWp和50Mwp。在联网阳光电站建设方面，计划2000年完成二座500KWp的阳光电站， 2020年前建成5座兆瓦级阳光电站。以上可见，我国的太阳能光电发展也相当快，但与国外一些国家相比，其发展速度实在不尽如人意，1998年，我国太阳电池组件的销售量为3.03.5MWp，仅占当年世界总销售量的2%左右，多晶硅太阳电池及组件的规模生产尚属空白。应用系统的商品化程度很慢，实验室的研究工作与国际先进的水平差距正在扩大。总之，无论是太阳电池组件，还是阳光发电应用系统，与国外先进国家相比，在研究和开发水平、产业化规模，商品化程度上匀有根大的差距。我国有960万km的土地，其中有2/3地区年日照时数在2200h以上，具有丰富的太阳能资源，我国有12.5亿人口，其中还有近0.6亿人生活在无电地区。目前我国的年消费量约为15亿吨标煤，其中煤炭占75%以上,由于燃煤造成的烟尘排放量和CO排放量均在2000万吨左右。至2020年，预测我国能源的年需求量将达到3040亿吨标准煤，环保问题比较突出。因此，无论从当前来看，还是从长远来看在我国都存在着巨大的太阳能光电市场。2 太阳能光伏发电系统研究分析2.1 太阳能光伏发电系统的构成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、蓄电池、光伏控制器、交流逆变器、光伏发电系统附属设施组成。太阳能光伏发电系统中，太阳能电池板将太阳光的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能储存于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理的分配到各个负载上。太阳能电池板产生的直流电，可以直接供给直流负载使用，也可以用交流逆变器转变为交流电，供交流负载使用。（1）太阳电池组件：太阳电池是太阳能光伏发电系统的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。但单体太阳电池的工作电压和工作电流一般很小，工作电压约为0.450.5V，工作电压约为2025mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳电池组件，其功率可以达到几瓦、几十瓦、几百瓦，就可以单独作为电池使用了。太阳电池的转换效率和成本是太阳光伏发电研究过程中重要的两个指标。（2）蓄电池：当白天阳光充足时光伏电池发出的电相对负载可能有多余而在晚上或阴雨天时光伏电池的输出功率为零或很小不能满足负载的要求时，需要一个储能装置，此时蓄电池可以作为太阳能不足时的补充，由可以作为多余太阳能的存储，大大提高了太阳光能的利用率1。（3）光伏控制器：光伏控制器又叫充放电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电的现象发生。（4）交流逆变器：交流逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。（5）光伏发电系统附属设施：光伏发电系统附属设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统。2.2 太阳能光伏发电系统的工作原理太阳能发电系统从大类上可分为独立（离网）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。图1是独立型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。其基本原理是太阳能电池将太阳能的光能直接转换成电能，并通过控制器把太阳能电池产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分配到各个负载上。太阳能电池所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。图1 独立型太阳能光伏发电系统工作原理示意图Fig 1 The independent solar energy photovoltaic power generation system schematic diagram图2是并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图。并网型光伏发电系统由太阳能电池组方阵将光能转变成电能，并经直流配线箱进入并网逆变器，有些类型的并网型光伏系统还要配置蓄电池组存储直流电能。图2 并网型太阳能光伏发电系统的工作原理示意图Fig 2 The grid-connected solar photovoltaic power generation system working principle diagram并网逆变器由充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。经逆变器输出的交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网（可称为卖电）。当并网光伏系统因天气原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载供电（称为买电）。系统还配有监控、测试及显示系统，用于对整个系统的工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以通过计算机网络系统远程传输控制和显示数据。本设计中的太阳能蓄电池充放电控制器采用面对独立型太阳能光伏发电系统而设计。3 光伏电池的研究与分析3.1 太阳能光伏发电原理分析 太阳能光伏发电的基本原理是利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器件）的光生伏打效应直接把太阳的辐射能转变为电能的一种发电方式，太阳能光伏发电的能量转换器就是太阳能电池，也叫光伏电池。当太阳光照射到由P、N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的太阳能电池上时，其中一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的高能级状态下的电子，产生电子-空穴对，在PN结的内建电场作用下，电子、空穴相互运动，N区的空穴向P区运动，P区的电子向N区运动，使太阳电池的受光面有大量负电荷（电子）积累，而在电池的背光面有大量正电荷（空穴）积累。若在电池两端接上负载，负载上就有电流通过，当光线一直照射时，负载上将源源不断地有电流流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。图3是太阳能光伏电池发电原理示意图。图3 太阳能光伏电池发电原理示意图Fig 3 Schematic diagram of solar photovoltaic power generation3.2 光伏电池等效电路分析太阳能电池的内部等效电路如图4所示，为了便于理解，我们可以形象地把太阳能电池的内部看成是一个光电池和一个硅二极管的复合体，即在光电池的两端并联了一个处于正偏置下的二极管，同时电池内部还有串联电阻和并联电阻的存在。由于二极管的存在，在外电压的作用下，会产生通过二级管PN结的漏电流，这个电流的方向与光生电流的方向相反，因此会抵消一部分光生电流。串联电阻主要是由半导体材料本身的体电阻、扩散层横向电阻、金属电极与电池片体的接触电阻及金属电极本身的电阻几部分组成，其中扩散层横向电阻是串联电阻的主要形式。正常电池片的串联电阻一般小于1.并联电阻又称旁路电阻，主要是由于半导体晶体缺陷引起的边缘漏电、电池表面污染等使一部分本来应该通过负载的电流短路形成电流，相当于有一个并联电阻的作用，因此在电路中等效为并联电阻，并联电阻一般为几千欧，则通过电流很小，对光生电流消耗很小。通过分析说明，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，就越接近于理想的太阳能电池，该电池的性能就越好。图4太阳能电池的等效电路Fig 4 Equivalent circuit of solar cell3.3 光伏电池主要性能参数太阳能电池的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因数和转换效率等。（1） 短路电流：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。（2） 开路电压：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。（3） 峰值电流：在给定日照强度和温度下相应最大功率点的电流。（4） 峰值电压：在给定日照和温度下相应最大功率点的电压。（5） 峰值功率：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。（6） 填充因数（FF）： 太阳能电池在给定日照和温度下最大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。 (1)（7） 转换效率：输出功率与阳光投射到电池表面上的功率之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率, 。以上各个参数可以在图5中表示如下： 图5 太阳能电池的I-U特性关系曲线Fig 5 Solar battery I-U characteristic curves图6 太阳能电池的P-U特性曲线 Fig6 The P-U characteristic curve of solar cell图5中，在I-U曲线上总可以找到一个工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(MPPT)，即图中M点。M点所对应的电流为最佳工作电流，为最佳工作电压，为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点，,从而求出最大输出功率：。图6可表示太阳能电池的P-U曲线。从图5可见，和的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-U特性曲线是理想的矩形，那么和乘积就等于和的乘积。对实际光电池，引人填充因子FF(Fill factor)概念来表征光电池的这一特性，填充因子FF定义为式1。它表示最大输出功率的值所占的以和为边长的矩形面积的百分比，填充因数是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。3.4 光照强度和温度对光伏电池的影响3.4.1 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图7、图8分别是太阳能电池阵列在温度为25时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-U)和功率-电压(P-U)特性。从图7可知，太阳能电池阵列的输出短路电流和最大功率点电流随日照强度的上升而显著增大虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图8中虚线与各实线的交点所示，从交点可以看出，随着日照强度的上升，输出功率明显增大，而且增大的幅度有日照强度决定。图7不同日照下的I-U关系曲线图Fig 7 Different sunshine under the I-U curve 图8 不同日照下的P-U曲线图Fig 8 Different sunshine under the P-U curve3.4.2 温度对光伏电池输出特性的影响图9，图10分别给出了太阳能电池阵列在日照射为，和在变化温度T的情况下，表现出典型的I-U和P-U特性。可以看出，温度对太阳能电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图10中各实线的波峰的幅值变化。 图9 不同温度下的I-U特性曲线 Fig 9 The I-U curves under different temperature 图10 不同温度下的P-U特性曲线 Fig 10 The P-U curves under different temperature综上，太阳能电池板的输出特性具有以下特点：（1）太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；（2）开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；（3） 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点，且随着外界环境的变化而变化。4 蓄电池充放电研究分析4.1 蓄电池充放电工作原理分析蓄电池选择使用最广泛的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质-氢氧化铅，氢氧根离子在溶液中，铅离子留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅，与电解液中的硫酸发生反应，变成铅离子，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子2e。可见，在未导通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势2。其原理可通过下面的反应方程式来表示：负极： 正极： 总反应： 图11 是固定放电电流下电池端电压与放电时间的示意图。从图可以看出，在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的，说明电池释放的能量与电池端电压的降低量间存在一定的关系。但到了放电末期CD段，此时电池端电压急剧下降，这是因为电解液中，硫酸的浓度已经很低，电解液扩散到极板的速度不及放电的速度，在电解质不足的情况下，极板的电动势急剧降低，造成电池端电压的下降，至此应停止放电，否则会造成电池的过度放电。过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”，由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充、放电性能产生很大的负面影响，因此在阴极上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻也越大，电池的充、放电性能就越差，从而使蓄电池的寿命缩短3。因为蓄电池过充、过放不仅对蓄电池性能有很大的影响，而且大大缩短了蓄电池的寿命，所以在后面的电路设计中，电路设计采用对蓄电池过充、过放的保护电路，防止蓄电池发生过充、过放现象，保证蓄电池正常工作4。图11 铅酸电池端电压与放电时间的关系 Fig 11 Lead-acid battery terminal voltage and the discharge time relationship4.2 蓄电池主要参数指标描述蓄电池特性的参数有很多，主要的有：蓄电池的充放电容量、蓄电池效率、荷电状态、放电深度和蓄电池寿命等。4.2.1 蓄电池充放电容量蓄电池充电容量：蓄电池充电时消耗的电量。 （2）式中为充电电流，为充电时间。蓄电池放电容量：完全充足电的蓄电池在一定放电条件下放出的电量。 （3）式中为放电电流，为放电时间。影响蓄电池放电容量的主要因素有：（1）放电率放电时间越短，放电电流就越大，蓄电池的终止电压越低，蓄电池的容量就越小。（2）电解液的温度当电解液温度在10-35变化时，温度每升高1，蓄电池容量约增加额定容量的0.008。通常采用25下10小时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量5。4.2.2 蓄电池效率放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的百分比。可用安时效率或瓦时效率表示，它们的关系为 （4）式中和分别为蓄电池充放电时的平均电压。4.2.3 荷电状态(SOC)己充电量与蓄电池额定容量的比值。 （5）式中是蓄电池实际带电量，是额定容量。荷电状态是描述蓄电池实际工作状态的重要参数。4.2.4 放电深度(DOD)蓄电池放电量与额定容量的比值。 （6）4.2.5 蓄电池寿命（1）浮动充电寿命：蓄电池保持在浮动充电条件下的使用寿命。即在一个固定的浮充电压和特定的电解液温度条件下的使用寿命。（2）循环寿命：在一定的充电条件下，蓄电池被全充全放的次数。蓄电池的寿命与放电深度、充电电压和环境温度密切相关。选择放电深度30-50%，环境温度10-25可充分延长蓄电池使用寿命。4.3 蓄电池充电方法分析对蓄电池的充电方法有很多种，如恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法4.3.1 恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个蓄电池串联的蓄电池组进行充电，能使落后的蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处是，蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照蓄电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏蓄电池。充电过程中电压、电流变化关系如图12所示。 图12恒流充电曲线 Fig 12 The curve of constant current charging 4.3.2 恒压充电恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图13所示，此法也有其不足之处：（1） 在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且蓄电池可能因过流而受到损伤。（2） 如果蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。（3） 蓄电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，所以在这样的系统中蓄电池组串联不多。图13 恒压充电曲线 Fig 13 The curve of constant voltage charging4.3.3 恒压限流充电恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与蓄电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到蓄电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在蓄电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。4.3.4 二阶段、三阶段充电这种方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使蓄电池产生析气。其充电特性如图14所示。采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图14所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。图14 两阶段、三阶段充电曲线Fig 14 Stage two, three stage charging curve4.3.5 快速充电正常充电方式蓄电池从0%到100%容量比，一般需要8-20小时，充电时间长。在某些场合需要缩短充电时间，但采用电流过大时蓄电池的温度会升高过快，对蓄电池有损害，且电流利用率也下降。快速充电就是采用大电流和高电压对蓄电池充电，在1-2小时内把蓄电池充好，而且在这个过程中不会使蓄电池产生大量析气和使蓄电池电解液温度过高(一般在45以下)。这种方式解决不产生大量析气和不使温度升高过大的方法是采用不断地脉冲充电和反向电流短时间放电相结合方法。短时反向放电的目的是消除蓄电池大电流充电过程中产生的极化。这样就可以大大地提高充电速度，缩短充电时间。当然脉冲充电电流、持续时间和放电电流以及持续时间必须根据蓄电池的要求进行。4.3.6 脉冲式充电法 这种充电法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，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图15所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。图15 脉冲式充电曲线 Fig 15 Pulse charging curve4.3.7 智能充电智能充电是以美国人J.A.MAS（马斯）研究提出的蓄电池快速充电的一些基本规律为基础。它是以最低析气率为前提，找出蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线。虽说可以使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的附近，从而使蓄电池能得到快速充电，且对蓄电池影响较小。但是在光伏系统中因为充电电源本身并不是真正意义上的“无限电源”，而是来自太阳能光伏阵列这个“有限电源”，对蓄电池充电的同时还必须考虑电源电流的“来源”是否足够。因此还未见到在光伏系统中采用充电可接受电流控制的智能充电的研究报道5。5 太阳能蓄电池充放电控制器原理分析 太阳能蓄电池充放电控制器又称太阳能光伏控制器，它是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分。在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。在大中型系统中，控制器担负着平衡光伏系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。目前市面上的光伏控制器种类繁多，型号不一，虽然控制器的控制电路根据光伏系统的不同其复杂程度有所差异，但其基本原理是一样的。图16所示的是最基本的光伏控制电路的工作原理框图。该电路由太阳能电池组件、控制器、蓄电池和负载组成。开关1和开关2分别为充电控制开关和放电控制开关。开关1闭合时，由太阳能电池组件通过控制器给蓄电池充电，当蓄电池出现过充电时，开关1能及时切断充电回路，使光伏组件停止向蓄电池供电，开关1还能按预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。当开关2闭合时，由蓄电池给负载供电，当蓄电池出现过放电时，开关2能及时切断放电回路，蓄电池停止向负载供电，当蓄电池再次充电并达到预先设定的恢复充电点时，开关2又能自动恢复供电7。图16 光伏控制器基本电路框图Fig 16 Photovoltaic controller basic circuit diagram6 太阳能蓄电池充放电控制器硬件电路的设计6.1 充放电控制器系统结构设计一个完整的控制系统一定要具备检测、传输、运算、执行部分，这个设计也不例外。太阳能蓄电池充放电控制器的系统结构设计如图17所示，本系统的能量由太阳能电池提供，系统具有以下功能：（1）数据采集：通过对蓄电池两端电压进行检测，后经过整流和滤波，及A/D转换后，输入给AT89C52单片机的。（2）电压判断控制：在得到瞬时的电压数据后，自动运行单片机内软件预先设定的电压值对比程序，作出相应的判断，电压信号从单片机输出端口输出。（3）命令执行：通过对相应的端口输出高电平，相应线路上的三极管截止，断开相对应的充放电开关，达到智能控制充放电的目的。图17 太阳能蓄电池充放电控制器的系统结构Fig 17 Solar battery charging and discharging controller system structure6.2 太阳能蓄电池充放电电路设计6.2.1 光伏电池的选择 对于光伏电池的选择考虑到前面对光伏电池的分析说明，在本电路系统设计中采用SUNTEL公司型号为M-sol50W的单晶硅光伏电池，电池板规格：100845335mm,4.5kg、短路电流：3.2A，开路电压：25.43V，峰值电流：2.9A，峰值电压 ：17.2V峰值功率：50W。6.2.2 蓄电池电池的选择根据光伏电池的选择，蓄电池选择YOUTOP公司的12V12AH型号的铅酸蓄电池，电池的性能参数：外形尺寸:长:151mm 宽:98mm 高:95mm 总高:100mm，额定电压:12V，额定容量(20hr):12Ah，重量:约3.4Kg，不同放电率实际容量：20小时率:12.0Ah，10小时率：11.4Ah，5小时率：9.6Ah，1小时率：7.8Ah，在25(77)时完全充电的内阻：约32m，充电方法（恒压），循环：最大充电电流为3.6A，充电电压14.5-15.0V/12V 77(25)，充电温度补偿电压 -24mV/，浮充：最大充电电流为3.6A，充电电压13.6-13.8V/12V 77(25)，充电温度补偿电压 -18mV/。本设计采用两个12V的蓄电池串联使用。6.2.3 充放电电路其他元件选择根据前面的选择，在下表1中选择保护蓄电池的保险丝8。表1常用的铅锑合金保险丝的规格Table 1 Common lead antimony alloy fuse specification直径（mm） 额定电流（A） 熔断电流（A） 直径（mm）额定电流（A） 熔断电流（A）0.28 120.71360.321.12.20.813.757.50.351.25 2.50.985100.361.352.71.026120.401.5 31.257.5150.461.85 3.71.5110200.522 41.6711220.542.254.51.7512.5250.602.551.981530因为蓄电池最大充电电流为3.6A，选择一个比它大一点的电流，选择直径为0.46mm, 额定电流1.85A 熔断电流3.7A。整流二极管选择型号6A05二极管, 最高反向峰值电压50V，平均整流电流6A 最大峰值浪涌电流400A最大反向漏电流10A 正向压降0.95V。对于场效应管的选择，因为考虑到要用单片机实现蓄电池充放电的智能控制，需要随时导通和断开电路，所以这里采用N沟道增强型绝缘栅场效应管，增强型管子的N沟道只当外加电场U0时才能存在，而当U=0时，N沟道就不存在了。图18 关闭状态下的场效应管Fig 18 Under the closing state of the field effect tube其结构和工作原理如图18、19，这里开启电压为U ，当0UU出现耗尽层，此时场效应管为关闭状态；UU出现N型沟道，此时场效应管为开启状态9。图19 开启状态下的场效应管 Fig 19 Under the opening status of field effect tube这里选择型号为G50N05E的场效应管。考虑到负载的选择，根据以上元器件的选择，采用直流负载，额定功率满足工作运行需要即可，本论文的研究重点为蓄电池充放电的控制，不考虑直流负载是否能实时达到额定功率。选择直流负载，额定电压为24V或24V以下，额定电流为3.6A或3.6A以下即可。 图20 太阳能蓄电池充放电电路图 Fig 20 Solar battery charging and discharging circuit diagramG50N05E的场效应管的最大通过电流为50A，远大于蓄电池的最大电流3.6A，可以满足电流要求。漏-源击穿电压U约为48V，漏-源击穿电压U为50V，蓄电池组的额定电压为24V，可以满足电压需要。场效应管内阻为23m,经过计算其耗散功率为82.8mW, 场效应管的漏极最大耗散功率P为100 mW,可以满足耗散功率要求。所以选择型号为G50N05E的场效应管可以满足电路的正常工作。选择好了相关的电子元件后，就可以连接电路图了，连接好的电路图如图20所示。6.3 A/D转换电路的设计6.3.1 三端集成稳压块LM7805的介绍LM7805，采用TO-220封装方式。 压降:2V ，针脚数:3 ，其中针脚1输入，针脚2输出，针脚3接地。封装类型:TO-220 ，工作温度范围:0150，电压整流器类型:正固定 ，电源电压最大:20V ，电源电压最小:8V ，输入电压最大:35V ，输入电压最小:7V， 输出电压最大:5V ，输出电流最大:1.5A 。在本设计中，蓄电池两端的电压，经过LM7805处理后，转换为5V的电压接入AT89C52和ADC0809的V引脚，供给AT89C52和ADC0809工作。图21 LM7805实物图 Fig 21 LM7805 physical map6.3.2 A/D模数转换器ADC0809的介绍ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换6。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。 ADC0809的内部逻辑结构由下图22可知，图22 ADC0809的内部逻辑结构Fig 22 ADC0809 internal logic structureADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据6。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图23所示。下面说明各引脚功能: D0-D7：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端，输入，高电平有效。（以上两种信号用于启动A/D转换）.EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。A、B、C：地址输入线，送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路10。图23 ADC0809外部引脚图Fig23 ADC0809 external pin diagramADC0809的工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上11。 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89C52单片机直接相连。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式:对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式:A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式:把表明转换完成的状态信号EOC作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受12。6.3.3 A/D转换电路设计图24 A/D转换电路Fig 24 A / D conversion circuit蓄电池两端的电压经LM7805稳压块滤波后，将整流后的锯齿波变为平滑的脉动波，通过LM7805的输出端口，将电压转换为+5V，输入ADC0809的V引脚，供给ADC0809工作。同时来自蓄电池的电压，根据所选蓄电池的特性，充电电压为14.515.0V，即蓄电池两端的最大电压为15V，通过一个82k和一个20 k的电阻的串联分压后，在20 k电阻端得到一个05V的电压，通过一个10 k的电阻后进入ADC0809的IN0端，将模拟电信号传入ADC0809，在ADC0809的内部将模拟电信号转换为数字信号。转换好的数字信号由ADC0809内部的输出锁存器，通过D0D7可以与AT89C52单片机相对应的引脚P0.0P0.7直接相连，完成数字信号的输送。数据采集和A/D转换电路图，如图24所示：Y开始选择通道，允许A/D转换设置相应寄存器的值启动转换转换是否结束读取转换值数据处理N下图是A/D转换的流程图，如图25所示，系统开始后选择通道，允许A/D转换，在设置其相应寄存器的值之后启动转换，判断转换是否结束，若结束，读取转换值，再进行数据处理。若没结束，则继续进行转换。图25 A/D转换流程图Fig 25 Flow chart of A/D conversion6.4 AT89C52单片机介绍AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kb的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。图26为 AT89C52单片机的内部结构框图18。2图26 AT89C52单片机的内部结构框图Fig 26 AT89C52 MCU internal structure diagramAT89C52采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等19。主要管脚有：XTAL1(19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能13。图27为单片机的外部引脚图。图27 PDIP封装的AT89C52引脚图Fig 27 The PDIP AT89C52 package pin diagramP0是一组8 位漏极开路型双向I/O口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻17。 P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）时钟输出和输入（P1.1/T2EX）计数器2。 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 P3是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号18。 RST复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲PROG。如有必要，可通过对特殊功能寄存器SFR区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效19。 PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许，地址为0000HFFFFH欲使CPU 仅访问外部程序存储器，EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp20。 XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2振荡器反相放大器的输出端。 6.5 显示电路的设计显示电路的主要元件是数码管。数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮14。本文采用的共阳极七段数码管，如图28为单个的数码管，ag接单片机的独立接口，用来显示所采集实时检测蓄电池两端的的电压，h接口用来接单片机P1.7接口用来显示小数点，设计需要三位的显示效果，则可选择型号:LB30401IR1B的0.4英寸的数码管，工作电流为20mA,工作电压为1.8V。图28 单个的七段数码管Fig 28 Single seven digital tube在单片机与数码管的ag引脚接口处，采用5k的电阻进行限流，采用C9012型三极管和5k，与单片机的RST和P3.0P3.2引脚相接，C9012型三极管耐压40V，电流为0.5A。如图29所示，为显示电路。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类15。 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性16。 图29 显示电路电路图 Fig 29 Shows a circuit diagram数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低21。 6.6 驱动电路的设计驱动电路的电流输入口为AT89C52单片机的P2.6和P2.7接口，电信号从单片机输出后通过C9013三极管的多级放大后，又经过18V的稳压二极管稳压后作用于充放电控制开关Q10和Q11。根据铅酸蓄电池性能，在充电过程中通过软件设置停止充电电压为14.5V、恢复充电电压为13.5V；同样在放电过程中设置停止放电电压为11.5V、恢复放电电压为12.5V。铅酸蓄电池的端电压被电阻分压后送入A/D变换成数字量，AT89C52一方面将数字量送给LED数码管显示，另一方面对数字量进行比较判断，如果比较结果超过14.5V时，P2.6口输出高电平，Q6截止、LED2熄灭、Q11也截止，使太阳能电池停止对铅酸蓄电池充电；如果比较结果低于11.5V时，P2.7口输出高电平、Q4截止、LED1熄灭、Q10也截止，使铅酸蓄电池停止对负载放电。这样就达到对铅酸蓄电池过充电、过放电的保护目的。驱动电路的设计就是为了避免充放电过程中过充电、过放电对蓄电池的损害。驱动电路的相关计算：在充电电路，当P2.6口输出低电平，Q6导通，由前面可知V=5V，LED2的工作电流I=3mA,压降为V=1.7V，三极管C9013的电流放大系数为64202之间，这里取=80，压降为V=0.7V，三极管保护电阻r=1k,则有：U=R=2000=1.8 VI= I=0.003AI=37.5A 单片机AT89C52的输出电流为2mA，大于37.5A，可以启动C9013。I= I=800.003=0.24AI=0.0012AI= I+ I=0.24+0.0012=0.2412AU= IR=0.2412A2010=4824V计算结果远大于3.6V，可以认为是一个高电平，使得Q9截止。电流通过R和R，分压后，由稳压二极管DW2导通场效应管Q11，开启充电过程。当P2.6口输出高电平，Q6截止，电流经过Q7接地，同时另一电路的电流通过Q9接地，效应管Q11的G端没有电流输入，Q11截止，充电过程关闭。驱动电路如30图所示。图30 驱动电路电路图 Fig30 Drive circuit circuit diagram在放电电路，当P2.7口输出低电平，Q4导通，由前面可知V=5V，LED1的工作电流I=3mA,压降为V=1.7V，三极管C9013的电流放大系数为64202之间，这里取=80，压降为V=0.7V，三极管保护电阻r=1k,则有：U=R=2000=1.8 VI= I=0.003AI= I=800.003=0.24AI=0.0012AI= I+ I=0.24+0.0012=0.2412AU= IR=0.2412A2010=4824V计算结果远大于3.6V，可以认为是一个高电平，使得Q9截止。电流通过R和R，分压后，由稳压二极管DW2导通场效应管Q10，开启放电过程。当P2.7口输出高电平，Q4截止，电流经过Q7接地，同时另一电路的电流通过Q9接地，效应管Q10的G端没有电流输入，Q10截止，放电过程关闭。7 太阳能蓄电池充放电控制器软件的设计图31 控制器程序流程图Fig 31 Flow chart of control program根据设计的要求，太阳能蓄电池充放电控制器要实现蓄电池的充放电控制，不仅如此本设计还实现了对铅酸蓄电池过充电、过放电的保护功能，铅酸蓄电池的端电压被电阻分压后送入A/D变换成数字量，AT89C52一方面将数字量送给LED数码管显示，另一方面对数字量进行比较判断，如果比较结果小于11.5V时，P2.7口输出高电平，Q4截止，Q10截止，P2.6口输出低电平，Q6导通，Q11导通，太阳能电池对蓄电池充电；如果比较结果11.5V12.5V时，P2.7口输出高电平，Q4截止，Q10截止，P2.6口输出低电平，Q6导通，Q11导通，太阳能电池对蓄电池充电；如果比较结果12.5V13.5V时，P2.7口输出低电平，Q4导通，Q10导通，P2.6口输出高电平，Q6截止，Q11截止，蓄电池对负载单独供电；如果比较结果13.5V14.5V时，P2.7和P2.6口输出低电平，Q10和Q11导通，太阳能电池对蓄电池充电，同时对负载供电；如果比较结果大于14.5V时，P2.7口输出低电平，Q4导通，Q10导通，P2.6口输出高电平，Q6截止，Q11截止，太蓄电池对负载单独供电。单片机驱动开关充放电控制的工作情况如表2，设计的主程序如图31所示：表2单片机驱动开关充放电控制的工作情况Table 2 Single-chip driver switch charging and discharging control work单片机P2.6引脚 单片机P2.7引脚 系统工作情况0 0 太阳能电池同时对蓄电池和负载供电0 1 太阳能电池单独对蓄电池充电1 0 蓄电池单独向负载供电1 1 系统不工作8 结论8.1 设计总结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，在人们生活、工作中有广泛的作用。本文首先对太阳能光伏发电系统的组成和工作原理进行分析说明，其次分析说明蓄电池充放电原理，然后对太阳能蓄电池充放电控制器原理进行分析说明，最后设计充放电控制器，基于AT89C52单片机的智能电路，采集蓄电池两端电压，通过单片机内编写的程序判断，由驱动电路对蓄电池的过充、过放采取保护措施，实现了对太阳能蓄电池充放电的合理控制。8.2 设计展望太阳能蓄电池充放电控制器在目前的市场上已经有了技术非常成熟的产品，控制效率也十分的高，针对本设计的不足我认为可从以下几个方面进行考虑进行改进，具体如下：（1）在满足对单片机选择遵循性价比的前提下，尽量倾向于速度更快的单片机，目前市场上单片机更新换代速度很快，因此单片机的选择应该考虑更广范围的选取。（2）对电路进行优化设计，采用更加稳定的电路元件。参考文献1朱小同，赵桂先.蓄电池快速充电的原理与实践M.北京: 煤炭工业出版社，1996：58-92.2王德志.蓄电池原理及使用M.北京: 中国铁道出版社，1989：296-320.3王鸿麟，许梦渊.蓄电池快速充电技术M.北京:人民邮电出版社，1985：70-127.4袁宝善.蓄电池M.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，1981：91-132.5秦鸣峰.蓄电池的使用与维护M.北京: 化学工业出版社，2009.7:180-215.6Wernekinck.E.,Kawamura.A.,A high freguency AC/DC conwerter with unity power factor and minimum harmonic distortionJ.Power Electronics IEEE Transactions,1991,6(3): 364-370.7蔡明生.电子设计M.北京: 高等教育出版社，2004.1:334-405.8 张金.电子系统设计基础M.北京：电子工业出版社，2011.1:215-245.9 何元清.电子产品设计M.北京: 北京大学出版社, 2006:270-317.10 秦曾煌.电子技术，电工学M.北京: 高等教育出版社, 2004:97-121.11Donald A.Neamen.Electronic Circuit Analysis and Design.Second EditionM.The McGraw-Hill Companies.Inc.2001:189-194.12 叶挺秀.电工电子学 M.北京: 高等教育出版社, 2008:180-212.13 杨志忠.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社,2004:56-7714 孙肖子.电子设计指南M. 北京：高等教育出版社, 2006.1:82-102.15 赵家贵.电子
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