小功率太阳能控制器的设计与制作

1、小功率太阳能控制器的设计与制作摘要随着社会经济的飞速发展，对能源的需求量也愈来愈多；不可再生能源的过度利用，导致环境不断恶化；环境的不断恶化和能源的缺乏也给我们社会的可持续发展带来了严峻的挑战和压力。发展和利用新型洁净能源成了迎接挑战缓解压力的有效途径。在所有的新型洁净能源中太阳能是被公认的最具有前景的绿色能源之一。在太阳能的利用中，太阳能发电则是最具有潜力的应用技术之一。因此，研究如何合理有效地利用太阳能发电具有重大的现实意义。传统的庭院式小功率太阳能光伏发电系统的充电控制器多采用纯硬件电路或者低端的微处理器，导致其性能有一定的局限，如效率偏低。针对这些，本文提出了本系统的设计思路和方案。论

2、文首先介绍了太阳能光伏发电系统的组成，并对太阳能电池的输出特性进行研究，在分析影响输出特性因素的前提下，提出合理利用太阳能能量的要求；然后在分析蓄电池特性、工作原理、影响充电效果因素的基础上，根据本系统的实际要求选取分阶段充电法作为本系统的充电方式。其次对比不同的MPPT算法的优缺点，针对本文的实际需求选择增量电导法作为本系统的MPPT算法。最后结合选择的充电方式和本文的设计需求，给出相应的硬件和软件设计。关键词：太阳能 光伏 充电控制器 MPPT目录第一章 引 言411本课题的选题背景和来源41.2太阳能光伏发电简介4121太阳能光伏发电系统4122独立太阳能系统的构成513国内外太阳能发电

3、的现状514光伏太阳能控制器国内外现状515论文意义616论文的主要研究内容6第二章 光伏发电系统中太阳能电池的特性与应用821太阳能电池的结构及工作原理8211太阳能电池的结构8212太阳能电池的工作原理822太阳能电池的特性及应用923本章小结9第三章 蓄电池1031蓄电池的简介10311蓄电池的介绍10312蓄电池技术参数1032蓄电池的工作原理1133蓄电池的充电技术1234本章小结13第四章 光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现1441光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪1442最大功率跟踪控制的常用方法14421恒压跟踪法14422扰动观察法15423增量电导法15424模糊逻辑

4、控制法1543控制算法的分析和选择1644本章小结16第五章 小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计1751控制器系统的简介1752硬件电路设计18521太阳能光伏充电控制器18522系统供电电源19523太阳能电板输入电流采样电路20525蓄电池放电控制电路22526蓄电池过充过放检测电路22527控制系统显示电路2353软件设计245.3.1 A/D转换程序设计24532最大功率点跟踪控制程序设计25533充电控制程序2554系统的可靠性分析及设计26541硬件的可靠性设计26542软件的可靠性设计2755本章小结28第六章系统数据分析2961系统结果分析2962本章小结30总结31参考文献

5、32致 谢3229第一章 引 言11本课题的选题背景和来源太阳能是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到大气层的能量仅为总辐射量(约为375x1026W)的22亿分之一，但其能量高达173000TW(功率单位ITW=1012 KW=1015 W)，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤所产生的能量。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射量约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335837 kJ(cm2/)，中值为586 kJ(cm2/) 。我国的太阳能辐射量相当充足，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优势，就拿我们所在的广州地区太阳辐射量在国内也是中等水平。另外太

6、阳能作为一种新型的能源，它与常规的能源相比有三大优点：(1)太阳能是人类可以利用的最为丰富的能源之一，据估算，自太阳形成到现在，太阳辐射出的能量只占自身能量的2，因此可以算是取之不尽，用之不竭。(2)太阳对地球的辐射是全方位的，在全球的任何一个地方都有机会接受到太阳的辐射，因此可以直接就地开发利用，这样就没有了运输的问题，尤其对于交通不发达的地区更有利用的价值。(3)太阳能使用后不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，更不会影响生态，是一种比较洁净的能源。面对如此巨大的能源，对太阳能开发利用的研究已经成为一个新兴的重大课题。这项集多学科为一体的高新技术，在科技进步、能源战略和环境的保护领域中都会

7、发挥重要的作用，对该技术的深入研究将会为探索广阔的光伏发电市场和掌握相关领域提供一定的理论依据。本文就是借助对庭院式小功率太阳能光伏发电系统的研究来探索太阳能光伏发电。1.2太阳能光伏发电简介121太阳能光伏发电系统太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。一般将光伏发电系统分为独立系统、并网系统和混合系统。根据其应用形式、应用规模和负载类型，光伏发电系统大致可以分为以下七种类型：小型太阳能供电系统(SmallDC)，简单直流系统(Simple DC)，大型太阳能发电系统(Large DC)，交流、直流供电系统(ACDC)，并网发电系统(UtilityGrid Con

8、nect)，混合供电系统(Hybrid)，以及并网混合供电系统。其中小型太阳能供电系统(Small DC)根据应用场合的不同又分为庭院式太阳能供电系统、通信太阳能供电系统等。122独立太阳能系统的构成光伏发电系统的规模跨度巨大，从 0.32W的太阳能小系统，大到兆瓦级别的太阳能光伏电站，其应用也各有不同，在家庭、交通、通信、航天等众多领域都有涉及。其基本框架图如图11所示。独立的太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏组件阵列、储能蓄电池、控制器、DC/AC或者DC/DC变换器、以及输出设备构成。图11太阳能光伏发电系统的组成图13国内外太阳能发电的现状1839年，法国科学家贝克雷尔(Becquer

9、el)就发现，光照能使半导体材料的不同位置之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应一，简称“光伏效应一。1 954年，美国贝尔实验室研究人员DMChapin，CSFuller和GLPearson首次制成了光电转换效率为45的单晶硅太阳能电池，至此之后太阳能发电进入了飞速发展的时代。在新型能源产业中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，最近十年更是飞速发展。14光伏太阳能控制器国内外现状目前市场中独立的太阳能光伏充电控制器主要有五种类型：并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器、智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。1并联型控制器当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输

10、出分流道内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型控制系统一般用于小型、低功率系统。2串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。3脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。4智能型控制器：基于MCU对光伏电源系统的运行参数进行高速的实时采集，并按照一定的规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。对于中、大型光伏电源系统，还可以通过串口，或者别的一些通讯方式实现远距离控制。5最大功率跟踪型控制器：根据太阳能电池的输出功率判断是否工

11、作在最大功率点，若不是则做出相应的调节使得输出功率靠近最大功率点，从而实现对太阳能发电能量的有效利用。现在的市场的庭院式小功率太阳能光伏控制器多是并联型控制系统、串联控制系统、脉宽调制型控制器，也有少量的智能型控制器和最大功率跟踪型控制器。常见的智能型基本都是基于微处理器的控制，例如基于传统的51，DSP等。15论文意义本文所研究的小功率太阳能光伏发电系统是针对当今社会的发展趋势和需求提出的。本研究综合分析现有的太阳能光伏发电系统的发展和技术要求，对比已有的光伏发电系统，以此为基础，选取高性能意法半导体的新型8位控制芯片STMSS作为主控芯片，凭借STMSS微控制器强大的运算能力和丰富的外围资

12、源，优化系统的电流采样电路设计，提升系统的性能，设计出一款小功率太阳能光伏发电系统。本系统的设计改进了传统小功率太阳能光伏发电系统的信号采集电路，降低了电路的损耗。16论文的主要研究内容1本论文需要研究的内容主要有以下几个方面：(1)在分析现有的太阳能光伏发电系统的发展概况的基础上，简单介绍了当前太阳能光伏发电系统的结构；(2)根据常规太阳能光伏发电系统功能的要求分析太阳能光伏电池和蓄电池的需求及特性，最终根据需求选择本系统的设备；(3)系统软件设计，包括系统主程序模块底层设计、MPPT技术控制程序设计、充电方式的控制以及输出、输入安全控制等；(4)系统硬件设计，具体的系统硬件设计包括：控制系

13、统电路设计、太阳能光伏发电充电电路设计、芯片供电电源电路设计、蓄电池防过放电路设计、蓄电池防过充电路设计等；(5)系统的可靠性分析及设计，主要是基于系统硬件可靠性和软件可靠性的研究与实现；2根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，采取以下研究步骤来实现：(1)针对系统整体功能进行具体分析与研究，合理地将整个系统划分成各个不同功能模块。(2)针对各个模块的功能对其进行相应的电路设计、芯片选型与特性测试。(3)各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。(4)在整个系统中按照软件和硬件两个方向严格的执行可靠性设计。第二章 光伏发电系统中太

14、阳能电池的特性与应用21太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池又称为“太阳能晶片"或光电池，通常由半导体硅材料制成，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射，瞬间就可输出电压。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，photo光，voltaic伏特，缩写PV)，简称光伏。211太阳能电池的结构太阳能电池是一种将光能转换为电能的光电器件，基本构造是由P型与N型半导体集合而成，最基本的材料是半导体硅，单纯的硅是不导电的绝缘体，但是在掺入不同杂质时就可以做成P型和N型半导体。下图就是一种常见的太阳能电池的结构图，它的基本材料是P型单晶硅。上表层是N型半导体层，是受

15、光层，在和基体的接触面形成一个PN结。为了进一步增加对太阳能的利用率，在太阳能电池的受光面会覆盖一层减少反射的薄膜，它可以增加太阳能电池对入射光的吸收率。2.1太阳能电池结构图212太阳能电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓的光生伏特效应就是当物体受到太阳光的照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。22太阳能电池的特性及应用当光照强度改变时根据太阳能电池的输出功率和电压的关系可以得到下图。从图2.3中可以看出在不同光照时最大的输出功率点是唯一的，只有太阳能工作在这个位置才能合理的利用太阳产生的能量。为了合理利用太阳能电池，在后续的设

16、计中选择实现MPPT的控制。2.2太阳能电池等效电路2.3太阳能电池的I-U曲线23本章小结本章首先介绍了太阳能电池的结构和原理；然后介绍了不同太阳能电池材料的优劣，为选择太阳能电池提供依据；接着是介绍太阳能电池的IU特性根据其特性引出太阳能电池的选用：最后介绍了本太阳能电池的设计需求和安装要求。第三章 蓄电池在太阳能光伏发电系统中由于太阳能光伏阵列产生的能量受外部光照的影响，而光照又是一个随机的变量，这样就造成太阳能光伏阵列的输出能量极不稳定，因此需要配置蓄电池才能使负载正常工作。在太阳能电池板充电时，蓄电池将电能转化为化学能存储起来；在负载需要供电时，蓄电池把化学能转换成电能输出给负载。蓄

17、电池的性能直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。作为太阳能光伏发电系统中的储能器件，蓄电池的选择在注重性价比的同时还要做到能合理的利用太阳光光照，并持续地对负载供电。31蓄电池的简介311蓄电池的介绍蓄电池作为一个储能的器件，能够反复使用，另外蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、使用方便等优势，广泛的应用于汽车、航空、通信等众多行业。在目前市场上的蓄电池主要有四类蓄电池：铅酸蓄电池、镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NMH)蓄电池和锂离子蓄电池。镉镍(NiCd)蓄电池、氢镍(NiMH)蓄电池和锂离子蓄电池。312蓄电池技术参数1蓄电池容量蓄电池的容量是指在一定的放电条件下所能给出的电量，

18、通常用C表示，但是蓄电池作为电源时，其端电压是一个变量，选用安时(Ah)表示蓄电池的电源容量更为准确。当蓄电池放电时，它的容量等于放电电流对时间的积分。Q=0tit公式上看t的取值可以从0取到无穷，但实际上为了防止蓄电池因过放而导致损坏，因此对t的取值是有限制的。当蓄电池的电压低于终止电压时，此时为t的最大值，所谓终止电压就是蓄电池的最低正常工作电压。通常蓄电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值；实际容量是指蓄电池在一定的条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量；额定容量，又称为标称容量，是按照

19、国家标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定型蓄电池一般采用10h所放出的容量为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。额定容量也用字母C表示。例如：额定容量为100Ah的蓄电池，C=100Ah；在恒定的电流放电时，蓄电池的容量为：Q=Ixt2蓄电池的电压(1)开路电压 开路电压是指蓄电池在开路状态下的端电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池在开路时，蓄电池的正极电位与负极电位之差。蓄电池的开路电压表示，即Vk=EEf其中：E表示是正极电位，Ef为负极电位。(2)工作电压工作电压是指在蓄电池接通负载后放电过程中显示的电压，通常用V表示：V=VK(Ro+Rf)其中：I为蓄电池

20、放电电流：R0为蓄电池的内部电阻；Rf为蓄电池的极化电阻。(3)充电电压充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。(4)浮充电压 浮充电压是指充电器对蓄电池进行浮充充电时设定的电压值。蓄电池需要一个精确而且稳定的浮充电压值，浮充电压的高低和储能的大小成正比，质量差的蓄电池浮充电压小，人为的提高浮充电压的大小对蓄电池是一种损害。(5)终止电压终止电压指的是蓄电池放电终止时的电压，也就是蓄电池正常使用的最小允许电压。32蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的工作原理：充电时：2 PbS04+2 H20=Pb02+Pb+2 H2S04(电解液)放电时：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbS04+

21、2H20(原电池)以上是蓄电池正常充放电理想化的化学方程式。在充电时，正极由硫酸铅转化为二氧化铅后将电能转换为化学能储存在正极板中；负极由硫酸铅转换海绵状铅后将电能转化为化学能储存在负极板中。在放电时，正极由二氧化铅变成硫酸铅，而将化学能转换成电能向负载供电，负极由海绵状铅变成硫酸铅，也是化学能转化成电能向负载供电。33蓄电池的充电技术铅酸蓄电池具有可以重复使用、电压特性平稳、使用寿命比较长、适用范围广等特点，但是在使用不当的时候，将会导致其寿命急剧降低。影响铅酸蓄电池的因素有很多，研究发现，电池充电过程对电池寿命的影响最大，放电过程较少。由此可见，正确的充电方式可以有效的延长蓄电池的使用寿命

22、。蓄电池的常用充电模式有一下几种。1恒流充电恒流充电就是在充电过程中一直以恒定的电流进行充电的一种方式。这种方式适合用在多个串联的蓄电池组。缺点是：开始充电电流对于蓄电池来说较低，在后期电流值偏大(相对蓄电池的需求)，在充电过程中析出的气体多，充电时间长，对极板有较大的冲击，耗能高。一般的免维护蓄电池不采用本方法。2恒压充电类似恒流充电，恒压充电在充电过程中电压保持不变的一种充电方式。优点是：充电电流随着蓄电池电压的上升而逐渐减小，充电时间短，能耗低，析气少等。缺点是：开始时充电电流过大，后期充电电流又过小，不适合串联过多的蓄电池，对低压的蓄电池不能实现完全充电。3分阶段充电这种充电的方式是为

23、了克服恒流和恒压充电的缺点而设计的一种方式。分阶段充电在一开始时对蓄电池采用恒流方式充电，蓄电池充电到了一定容量后换为恒压充电。这样就避免了在充电的开始阶段出现较高的大电流，以及在充电的而后期出现高电压的现象，避免了对蓄电池的损坏。4快速充电一般的充电都需要较长的时间，快速充电是为了缩短充电时间而设计的。快速充电电流以脉冲的方式对蓄电池进行充电，每一次脉冲之后蓄电池都有一定的停充时间。在充电过程中脉冲使蓄电池充满电荷，停充过程中蓄电池内部化学反应产生的气体被重新吸收，在减少析气的同时也消除了极化现象，从而减小蓄电池的内压。5智能充电智能充电的基础依据是美国人J.A.MAS(马斯)提出的蓄电池快

24、速充电的基本规律。智能充电以析气率最低为前提根据蓄电池接受的充电电流和最大电流为参考，在充电过程中不停的调整适合的电流进行充电。以上就是常见的充电方式。在本文太阳能光伏发电系统中，结合实际的控帛电路、为了合理有效的利用太阳能光伏电池和蓄电池，选择在蓄电池深度放电时，利用MPPT技术和控制系统对蓄电池进行充电，当蓄电池在正常的放电范围内时，用分阶段的充电方式充电。34本章小结本章详细介绍了蓄电池的种类和工作原理，分析了对蓄电池的影响因素以及充电方式。根据对上述的理解和分析在最后选择了本文所需的蓄电池以及相应的充电方式。第四章光伏太阳能发电系统中MPPT技术的实现MPPT(MaximumPower

25、P0疏Tracking)就是最大功率点跟踪，是指控制器能够实时侦测太阳能电板的输出电压，并追踪最高的输出功率，使系统以最高的效率对蓄电池充电。在太阳能光伏发电系统分析中，由太阳能电池的特性，可得出光照强度、温度以及外界环境等都会影响光伏太阳能电池的输出功率。光照强度和温度变换的随机性，造成输出功率也具有随机性，进而影响太阳能光伏发电的效率。对最大功率点跟踪技术的研究，可以提高太阳的利用率，增加系统的实用性。41光伏太阳能发电系统中的最大功率点跟踪在太阳能供电系统中，太阳能电池的输出是非线性的，只有当输出功率最大时太阳能电池的利用效率才是最大。光伏太阳能发电系统最大功率跟踪工作的模式就是调节输出

26、电流和输出电压，使输出功率在光伏阵列的最大功率点附近。如图所示的太阳能电池的特性曲线最大功率点的跟踪的目标就是实现太阳能电池输出在如图4.1所示的最大功率点。4.1太阳能电池的特性曲线42最大功率跟踪控制的常用方法最大功率跟踪控制有很多常用的控制算法，如恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法、增量电导法和模糊控制法等。421恒压跟踪法由于太阳能电池在一定的温度下，最大功率点在一个恒定的电压附近。恒压跟踪法就是根据控制太阳能的输出电压位于这个恒定的电压值附近来实现的最大功率跟踪，这样大大简化了MPPT的控制设计。优点是：控制方式简单、容易实现等；缺点是：控制的精度不高、尤其是在四季光照变化巨大的地方、

27、无法应对恶劣天气造成的光照突变等。422扰动观察法扰动观察法的具体原理是一开始让光伏电池按照某一电压值输出，根据测得的电流值来计算电池的输出功率，然后在一定的时间间隔后去改变电压，并根据观测功率的变化来，决定下一步的调节方向，最终达到输出功率最大的位置。优点是结构简单，被测参数少，普遍使用于光伏发电系统的发电中。缺点比较明显，那就是在到达最大功率点的时候扰动仍会继续，这样会损失一定的功率，并且初始电压和调节比例的选择对跟踪速度和精度也有较大的影响。423增量电导法增量电导法是在针对扰动观察法在工作电压的调整过程中有一定的盲目性而改进的一种方法，其具体的原理推导如下111,19,20l。在图4-

28、1可知，在PU曲线的最大功率点处斜率为零。太阳能电池的输出功率P=UI，在最大功率点由于斜率等于零，则dP/dU=0，即：dP=/dU+UdI=0由公式(41)整理得IdU=Iu由上式推导可得到最大功率点的条件如上所示，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，太阳能电池阵列输出功率达到最大功率点。其优点是：控制精确，响应速度比较快，适合日照条件变化较大的场合；缺点是：对处理器和传感器的精度要求都比较高。424模糊逻辑控制法模糊逻辑控制法主要是基于模糊控制理论通过在过程中执行三种控制行为而实现的一种控制方式。这三种控制行为分别为：模糊化、模糊推理和解模糊化。(1)模糊化的作用是将输入的精确量，

29、通过模糊化方法转换，最终生成模糊化量。(2)模糊推理是模糊控制器的核心，它以一定的推理规则和经过模糊化处理后的模糊化量为依据，经过模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则等，得到模糊系统的输出。(3)解模糊化的作用是将模糊推理的输出量转换为实际用于控制的清晰量。模糊逻辑控制算法的优点是：有较高的精确度、可以更为直接的调节单步的电压变换量和更有效的利用太阳能电池的能量。缺点是：需要更高性能的处理器、要有大量的规则库和数据库等，不适合低成本的系统。43控制算法的分析和选择最大功率跟踪算法通常采用的方法如上所示。其中恒压跟踪法控制是最为简单的一种，但需要提前测得太阳能光伏电池所需要的开路电压，增加了成本，而且

30、不具有普遍的适用性，采样期间和控制期间也容易受到外部环境的影响，也导致恒压跟踪法的控制精度不高、转换效率低，比较适用于较小的功率场合。扰动观察法和增量电导法是目前使用的最多的两种方法，这两种控制方法的转换效率比较高。扰动观察法的调节相对比较盲目，其达到最大功率点后还会有波动，另外其电压的调节量是固定值。增量电导法和扰动观察法相比可以稳定在最大功率点，能识别调节的方向。模糊控制算法精确度高，转换效率高，能更好的利用太阳能电池产生的能量。但是模糊算法使用的数据库和规则库较大，成本也相对较高，因此不适用小成本的小功率庭院太阳能光伏发电系统中。综合上文的分析，结合本文的设计目标是小功率的太阳能光伏控制

31、系统，考虑成本的性价比，本文选择的是基于增量电导法作为MPPT控制的算法。44本章小结本章对最大功率点跟踪的常用算法做了一些介绍，对比了不同方式的优缺点，结合自身的需求选择了适合自己方案的方法。第五章 小型太阳能光伏控制器硬件和软件的设计经过前面几章节对太阳能光伏发电系统的介绍、分析，以及针对传统的小型太阳能光伏充电控制器多是基于纯硬件电路和低端微处理器的现状，提出本文基于STM8S主控芯片和高精度、低损耗信号采集电路的庭院式小型太阳能光伏控制器的设计方案。本章主要介绍控制器的软件和硬件部分。51控制器系统的简介控制器主要由太阳能电池阵列、BUCK电路、信号采集电路，最大功率跟踪控制电路和蓄电

32、池等组成。如图5.1所示。5.1系统结构图其具体的工作流程为：BUCK变换器实现从太阳能电池到蓄电池的充电转换；信号采集电路采集充放电时的电路的电流电压信号；采集到的信号直接送入MCU的A/D管脚；在MCU中根据相应的控制算法和需求通过调节输出，实现对变换器中开关管的控制，最终实现对蓄电池的合理充放电。52硬件电路设计521太阳能光伏充电控制器论文选择的微处理器是意法半导体公司推出的基于STM8内核架构的8位微处理器系列。选择该芯片的理由首先是STM8相比于ARM和DSP的低端处理器有较高的性价比；其次STM8功耗低、集成的外设种类多、可靠性高等。本文选择的是STM8中的S105KX系列的控制

33、器。1STM8S105KX微控制器简介STMSS系列8位微控制器是STM8系列的主流微控制器产品，采用意法半导体的130纳米工艺技术和先进的内核架构，主频达到16MHz(105系列)，处理能力高达20MIPS。内置EEPROM、阻容(RC)振荡器以及完整的标准外设，性价比高。STMSS指令格式和意法半导体早期的ST7系列基本类似，甚至兼容，内嵌单线仿真接口模块，支持SIWM仿真，降低了开发成本；拥有多种外设，而且外设的内部结构、配置方式与意法半导体的同样是Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器STM32系列的MCU基本相同或者相似。另外系列芯片功耗低、功能完善、性价比高，可广泛应用在家用

34、电器、电源控制和管理、电机控制等领域，是8位机为控制器控制系统较为理想的升级替代控制芯片26l。STM8S105KX的主要特性有：(1)内核先进的STM8内核，具有3级流水线的哈佛结构；(2)存储器16K-32K字节闪存存储器(STM8S105K4具有16K内存，STM8S105K6具有32K内存)；1024字节EEPROM；2K字节RAM。(3)时钟、复位和供电管理30-55V供电；内嵌4个主时钟源；带有时钟监控的时钟安全保障系统；拥有低功耗模式的电源管理：(4)中断管理带有32个中断的嵌套中断控制器，6个外部中断向量，最多37个外部中断。(5)定时器2个16位通用定时器带有2+3个CAPC

35、OM通道(IC、OC或PWM)；一个16位高级控制定时器，4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区输入和灵活的同步；已经常用的8位预分频的8位基本定时器；自动唤醒定时器以及2个看门狗定时器。(6)模数转换器(ADC)10位，±ILSB的ADC，最多有lO路通道，扫描模式和模拟看门狗功能。(7)I/O端口非常强健的I/O设计，对倒灌电流有非常强的承受能力。(8)开发支持单线接口模块(SWIM)和调试模块(DM)可以方便地进行在线编程和非入侵式调试。2控制系统电路控制系统电路如图52所示，主要包括STM8S105K4芯片，主时钟电路，复位电路，内部RTC(实时时钟)时钟电路和后备电源电路

36、以及SWIM调试接口电路。5.2控制系统电路电容C10、C1l和晶体振荡器Yl与芯片内部的反相放大器构成了电容三点式振荡器。在设计PCB板时，晶体振荡电路都尽量靠近处理器，其目的是为了防止走线的寄生电感影响谐振频率。本系统选择的外部8MHz的外部晶体振荡器。D2、R8、Y2和C12组成外部复位电路。开关按键Y2用来实现外部的复位控制。522系统供电电源在整个系统供电电源中设计中考虑到驱动和芯片控制电压的分配选择了双电源设计。考虑了工作电压需求、电路排版面积、芯片功耗等因素，结合自身熟悉电路和已有芯片选择了美国国家半导体的LM2842ADJ系列的芯片做电源芯片。LM2842系列芯片是具有PWM调

37、节功能，DC/DC降压BUCK型稳压芯片。其具体特点：具有从45V-42V的宽输入范围；内部开关具有较低的导通电阻Rdson(典型值为0.9Q)；较高的效率(85典型值)；工作频率在550KHz(X版本)和125MHz(Y版本)；具有软启动和热关机的功能：反馈电压为0765V；小封装(TSOT-6L)。其具体电路如图53所示。5.3LM2842ADJ供电电路其主要的参数R101，R102和L101分别由公式求得。v0ut=vFb（1+RR）L=vIN-voutv0utv*I*Fsw其中Vfb=0.765V，输入滤波电容一般选取ESR低的电容，推荐使用22uF-10uF的X5R或者X7R的电容。

38、523太阳能电板输入电流采样电路在许多电子系统中，电流检测是常见功能。常用的电流检测是通过放大其在采样电阻两端产生的电压来测量。对于那些需要较宽测量范围的系统，必须增大检测电阻或者改善放大器的精度：增大检测电阻值会使功耗增加，因此最好的办法是提高检测放大器的精度。放大器的精度很大程度上取决于放大器的输入失调电压。市面上常见的电流检测放大器所提供的输入失调电压大约为几百uV甚至几千uV。当采用此类的器件时，实现一个8至10位的实际动态范围是可能需要IW的功耗(在满电流条件下)。传统常用的电流采样电路如图所示，图中a、b、c三图是现在最常用的电流检测电路。图(a)是一种利用分压采样的电流检测电路，

39、；图(b)是一种串在电路对地端的电流采样电路，通过采样Rl上的电压来计算得到电路中的电流值；图(c)是另外一种串入电路输入端的电流采样电路，通过对比流入流出RI的电压差来计算电路中的电流：以上的电流采样方式都是直接通过检测采样电阻上的电压值来计算流过的电流，取样电阻的取值范围一般为几百毫欧，当通过放大电路处理时，取样电阻的取值一般为几十毫欧，具体电路见下文的输出控制电路。5.4常用的电流检测电路另外根据前面文章的概述可以知道在MPPT中电流、电压采样的精确度会直接影响到对最大功率点的运算，因此本系统中考虑到控制精确度、实现对太阳能的高利用率(MPPT中)以及降低系统的损耗，改进传统的用采样电阻

40、进行采样的电流采样电路，引入了凌力尔特公司(LINEAR TECHNOLoGY)的超精准电流检测放大器LTC6102。LTC6102的连接比较方便，具体电路如图55所示。对电流的检测一般是利用电流采样检测电阻转换成输入电压，放大器的电压增益由输入和输出电阻器来设定。换算公式如下所示：vout=IloadR401XR404R402小负载电流条件下的精确度主要由输入失调电压Vos来设定。由Vos引起的电流测量误差k则由下式得出：I0FFSET=v0SR401可见，当电流失调准确度设定为恒定值时，要实现Vos较小，可以相应的减小电流取样电阻R401。在大多数的应用中，应选择适当的电路增益，以使Vos

41、在模数转换(ADC)采集系统中约为1LSB(量化分辨率)。变化范围则由ADC所处理的最大信号幅度以及取样电阻的允许功耗来决定。5.5电流检测电路525蓄电池放电控制电路为了满足系统设计的目的，在蓄电池的放电控制电路选择了传统的运算放大做处理。具体电路如图5.6所示。R204是放电取样电阻，在本系统中选择的是开关电源中常见的锰铜电阻做采样电阻R204。具体工作原理是：通过把电流流过R204形成的采样电压，引入到运放电路中，通过一定的放大倍数把低电压放大为可以便于采集的电压范围，利用单片机的AD采样从而获取蓄电池放电电流的检测以及实现控制放电电流的控制：然后在通过运放电路做的比较器产生一个辅助的过

42、流信号反馈给单片机，从而实现一个二次的过流控制。5.6蓄电池放电控制电路526蓄电池过充过放检测电路由蓄电池的特性可以得知，在蓄电池的使用过程中是严禁过充过放使用的，因此本系统设置了过充过放检测。通过检测电路检测到一定的信号，然后把信号反馈给MCU，最后在MCU中做出相应的分析和响应，从而实现设计要求。具体电路如图5.7所示。5.7蓄电池使用检测电路527控制系统显示电路显示电路主要包括利用高亮数码管的显示和4个LED指示两个部分。数码管主要是用于蓄电池容量的实时显示。在数码管显示电路中为了节约引脚引入了移位寄存芯片74HC595，用STMSSl05KX系列单片机模拟SPI的数据传输来驱动该芯

43、片。具体电路如图5.8所示。5.8数码管和LED显示电路图(a)为蓄电池容量显示；图(b)为RGB三基色显示灯，图(c)为太阳能电板反接指示灯：在蓄电池充放电的过程中都会对蓄电池的容量进行控制检测，从而直观的实现蓄电池容量的显示。另外在系统的控制过程中出现的故障状态也通过电路进行显示，以使达到警示作用。53软件设计太阳能光伏发电系统中充电控制器的目的就是利用太阳能电池产生的电能为蓄电池进行充电。在充电过程中根据蓄电池剩余电量智能选择充电的方式，合理利用太阳能光伏电池产生的能量。根据整个系统的实现的目的和需求，将系统分为五大块，分为初始化模块、充电控制模块、放电模块、放电完毕等待模块和充电完毕等

44、待模块。这里面又包含了AD转换模块、PWM产生模块、系统时钟控制模块和显示模块等。根据对蓄电池端电压的采样结果来判断充电的阶段，进而选择充电的控制方式。主函数的控制流程图如图5.9所示。5.9控制系统程序流程图5.3.1 A/D转换程序设计根据上文的介绍，本系统的MCU用的是意法半导体的新型8位微处理器STM8S105KX，这种型号的微处理器有最多10路lO位AD转换器。STM8S系列ADC转换器分辨率为10位，转换结果存放在两个8位寄存器中。本文所用的方式为单次转换模式，根据不同的需求用程序修改所需的通道，然后通过A/D转换得到数据。532最大功率点跟踪控制程序设计第四章中对常用的最大功率技

45、术的介绍和分析可知，现今使用范围比较广、技术比较成熟的是扰动观察法和增量电导法。本文结合自身的电路特性和采用的STM8S微处理器的功能，选择使用增量电导法作为本系统的最大功率跟踪技术的算法方式。具体的流程图如图5.10所示。图5.10中UK,IN为检测到的电压电流，UA, LA为上一次控制周期的电压和电流值。5.10增量电导法控制流程图533充电控制程序如前面所述，本系统中蓄电池充电采用的是根据蓄电池的容量来，调整充电控制的方式。整个充电过程主要分为两个方向，一是蓄电池处于过放电时，选择使用最大功率跟踪技术进行充电：二是当蓄电池未处于过放电时，选择使用分阶段充电法。其中分阶段充电法又包含三个阶

46、段：蓄电池电压小于VREF1，时，采用最大功率跟踪技术进行充电；当蓄电池电压大于VREF1时，采用恒流充电；当蓄电池电压大于VREF2时，采用恒压充电；当蓄电池电压等于VREF3，时，采用浮充充电，浮充一小时后结束.具体充电流程图如图5.11所示。5.11分阶段充电程序流程图54系统的可靠性分析及设计系统的可靠性设计是一个重要的方面，尤其在一个软硬件结合的系统中。太阳能光伏充电控制器通常会受到来自系统内部和外部的干扰，其主要的干扰来源是电子元器件自身产生的热噪声和外部设备产生的电磁干扰等。可靠性分析就是针对干扰产生的性质、传播路径和引入方式等，采用相应的方法实现控制系统的正常工作和运行。在嵌入

47、式系统中常见的干扰是电磁干扰，也就是所说的EMl，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰顾名思义就是利用导电介质传播的干扰；辐射干扰利用电磁辐射原理通过空间进行的一种传导。可靠性的设计也就是屏蔽或者消除这些干扰。一般的情况下，系统的可靠性都是从硬件和软件两个方面考虑的。541硬件的可靠性设计在硬件可靠性设计的原则是抑制和消除外部干扰源带来的干扰、避免内部电路引起干扰和降低系统对干扰信号的敏感性137381。硬件的可靠性设计一般是采取主动的方式和措施，因此根据本系统的电路主要采用以下措施进行可靠性设计：1系统电路的可靠性设计本系统在太阳能电池的供电端和蓄电池的输出端都加入了保险管，用作电路的保护作用

48、；在太阳能电池给蓄电池的充电回路中加入二极管，防止在系统运行过程中因为电流反向冲击太阳能电板而照成太阳能电池板的损伤：在太阳能电池的输出端，并联引入了TVS管，防止因为瞬时电压过大导致后端电路失效；在太阳能电池输入端介入了防反接电路指示电路，防止电路反接。2系统供电时的可靠性设计在开关电源的输入、输出端的滤波电容都尽量靠近电源，同时还考虑留出适当的裕量；对系统的主控芯片STM8S和集成电路芯片，在电源和地之间加去耦电容来抑制高频噪声，在排版中去耦电容尽量靠近芯片。3特殊元器件的可靠性设计CMOS工艺的芯片的输入阻抗很高，输入端悬空时容易受外界的干扰，故电路中所有CMOS芯片不使用的输入端都不能

49、悬空，否则会引起逻辑电平不正常。4芯片内部的可靠性功能STM8S系列的MCU芯片内置了可靠性功能。如所有引脚与内部总线之间均有施密特触发器，对输入噪声有一定的抗干扰能力；内置上电掉电复位电路，保证了在电源失效的时候可靠的复位。542软件的可靠性设计由于影响可靠性的干扰信号产生的原因错综复杂，而且有很大的偶然性和随机性，并且很难确保硬件的可靠性能完全消除和屏蔽干扰。因此，在考虑硬件可靠性设计的基础上，同时用软件可靠性设计进行一定的结合补充，可以进一步的增加系统的可靠性，增强抗干扰的能力。通常采用的方式如下：1主芯片的处理对于主芯片STM8S按照芯片的最低功耗设置，防止因为芯片外设和不用端口引起的

50、软件干扰。具体办法是关闭所有不使用的外设，并使用PCG功能(通过时钟里面的CLK PCKENRx寄存器)来关闭不使用的外设时钟(时钟默认是打开)；所有的不使用的管脚都应当设置为低电平输出，绝对不能设置任何管脚为悬空输入状态.2输入信号的防干扰对于输入信号，选择多次重复确认信号，防止因为误动作造成的电路影响，同时重复确认信号有利于去除干扰信号。3数据冗余存储所谓的数据冗余技术就是将重要的数据进行备份2份或者以上，放置在不同的区域中，并加入校验。当数据更新时，所有数据包括备份数据也要及时更新。当出现检测到程序异常时，及时的与备份数据进行校对，并实时做出处理。采用数据冗余技术后，重要数据丢失的几率将

51、大大降低。55本章小结本章首先简要的介绍了系统的组成和控制器的构成，然后对控制器的具体结构进行了电路设计的选型和设计分析，对比了现在常用电路设计，提出了本系统创新点，给出了基本的选型参数。然后在软件设计中介绍了系统软件的主流程图和部分模块的软件流程图，并对A/D转换和充电方式进行了较详细的介绍和分析。最后结合本系统给出了本系统的硬件和软件的可靠性设计。第六章系统数据分析本章主要对已设计出的系统进行具体的分析对比。61系统结果分析本系统的切入点就是修改了常用的高损耗和低精度的电流采样电路，因此在结果的分析基本从这两点着手。为了对比方便本系统采用了两种电流采样电路，一种是传统的基于运算放大器的电流

52、采样电路，基于LM358的电流采样电路；另一种就是基于LTC6102的电流采样电路。采样电路的损耗主要由采样电阻、芯片外围元器件和芯片自身产生。由于本文选择用的芯片外围器件极少，而且外围元器件的损耗统计模糊，因此本文只选择取样电阻的损耗做比较。根据数据的统计得出图61。图中传统的未采用运算放大的采样电路取样电阻选取200m；基于传统运放的取样电阻选择本文的对比电路也就是输出电流控制电路中所用的50m。6.1采样电阻损耗对比图从图中可以看出在电流逐渐增大时本系统的采样电阻的损耗优势明显。由于采样电阻损耗只是总的损耗中的一部分，并且传统的运放多为有源运放并且外围器件比较多，因此本图只能从一个侧面体现损耗的对比。放大器的精度在很大的程度上取决于放大器的输入失调电压，当输入失调电压比较高时，为了实现同样的分辨率经常要增大取样电阻器，这样又会带来一定的损耗。从德州仪器官方文件显示LM358的输入失调电压最小值约为2m V，而LTC6102的输入失调电压只有10uV，因此在同等条件下，LTC6102的放大精度远远高于LM358。市面上的电流检测放大器所提供的输入失调电压