【《基于单片机控制的小型风光互补装置的设计》13000字（论文）】

基于单片机控制的小型风光互补装置的设计摘要随着化石能源的不断枯竭，人们对地球生态环境的问题也越来越重视，也越来越迫切的希望能开发代替化石能源的清洁能源。太阳能和风能被认为是是自然界最基本的几种能量之一，它们在整个自然界中体量很大，并且发电方式非常环保。所以，太阳能发电和风力发电在未来的发展形势非常好。本设计最终目标是制作出一个小型装置，能够将风力发电和太阳能发电结合起来，达到能够在阳光下或者风力吹动下将所有的风能和太阳能转化成电能输入进电池中，并且这个装置可以将所有储存的电能全部输出。本设计主要的问题有风光互补控制核心的选型，装置各个电路的设计，风力发电机和太阳能电池板的选型，装置各个部件的焊接组合以及调试，风光互补控制器程序的设计和编写等。本设计的核心部分就是微机控制器，主要通过STC89C52单片机来实现，程序的设计方面采用C语言进行汇编，整体电路主要包括电源指示灯电路，电压采集电路，液晶显示屏电路。电压采集电路采用ADC0832芯片进行设计。解决以上列出的各个问题后，本次设计就能成功实现利用太阳能和风能进行转换，变成电能储存进蓄电池然后通过设计的电路输出给负载。关键词：风光互补控制器；电压采集；STC89C52单片机；风光互补；目录TOC\o"1-3"\h\u1014摘要 21106Abstract 330921.概述 680641.1风光互补发电的背景和意义 6138091.2风光互补发电的提出和发展前景 7266691.3本次课题的研究内容 8311702.发电部分 10290202.1发电机的介绍 10220022.2风力发电理论 1052992.3本设计风力发电机选型 10263242.4太阳能电池板的介绍 1124232.5太阳能电池板发电原理 11189232.6本实验太阳能电池板选型 12299903.蓄电池部分 12155193.1蓄电池的介绍 1276513.2蓄电池工作原理 12229073.3蓄电池选型 13136254.单片机介绍 13123834.1单片机概述 1397284.2单片机工作原理 1464814.3单片机的选型 14262225.硬件电路设计 16242785.1时钟电路 1660355.2复位电路 1610075.3转换电路的设计 18178735.4显示电路的设计 18192546.软件程序设计 19312566.1系统设计语言的选择 1940146.2系统设计思路 2025347.仿真与调试 21177297.1系统仿真软件的选择 21174987.2原理图的绘制 21261157.3实物图 22196808.总结与展望 2331407参考文献 24概述1.1风光互补发电的背景和意义随着世界各国社会和经济的进步与发展，能源供求方式的矛盾和对于环境问题的冲击与压力将有机会进一步加剧,能源结构也必然面临着巨大的挑战。目前，全球化石能源储存量越来越少，供给能源的压力越来越严峻。在目前清洁能源受到越来越多关注情况下，可再生能源取之不尽、用之不竭的优点和特点，这就决定了它会在未来的能源格局中继续发挥一个极为重要的作用,全球各国均把清洁能源作为自身的能源结构改革的重点和发展方向[1]。从上世纪70年代开始，尤其是进入21世纪以来，可再生清洁能源已逐步发展成为像煤炭，天然气等不可再生化石燃料的一种不可替代性能源，世界上许多新兴国家或发达地区都把可再生清洁能源发展视为其实施新一轮清洁利用能源产业增长发展战略的主要重点和组成部分;据有关专家推测，2017年美国加利福尼亚州20%的电力将来自可再生能源(2002年就增长到12%)；2010年欧洲地区22%的电力或整年所需能源的12%将来自可再生能源(1999年整个欧洲地区可再生能源发电利用占总电量为14%)1997年占整体的6%)，2010年日本整体光伏发电将达到483万千瓦(2003年大约为88.7万千瓦)；2010年拉丁美洲可再生清洁能源发展至将占整个能源的10%[2]。我国的新一代能源风电产业的起步也很早，上世纪七十年代和八十年代，我国小中型风电产业就已经开始发展，在内蒙、新疆等一些能源匮乏偏远的地区小中型风电产业成为了为送电到乡的“工人”加入国家“863”项目，进入农牧民的家庭生活，那时国内大部分公民还不认识风电产业、太阳能产业还不知在哪个角落。我国大型民用风电系统装置和配套设备的整机制造业也已经正式开始逐步进入了一个崭新的高速经济增长期,到2008年12月底,我国己经累计拥有将近70家风电公司和1个企业分别正式进入了首批并网的大型风力发电系统装置和相关设备配套整机配件制造业和工程技术研发行业,中、小型民用风力发电系统装置和配套设备整机制造业也正在实现快速增长。目前我国太阳能发电技术和相关产业近年来在整体上已经得到了一个飞跃性的快速发展。截至2007年底,全国各地累计完成推广示范使用小型农村地区太阳能燃气热水器4286万平方米,太阳能厨房1468万平方米,太阳能炉灶112万台[3]。纵观全球的可再生能源的发展，有以下几个趋势。随着技术水平不断提高，制造成本正在大幅降低。发展速度在加快，市场份额占比越来越多。可再生能源已经是越来越多国家实施可持续发展战略的一个重要举措。可再生能源存在巨大的经济环境效益，是新兴的朝阳产业。因此，不管是从缓减能源危机、解决环境污染、保护人类生存环境、有效的开发和利用自然资源；还是从社会和经济的发展角度出发，开发太阳能、风能、生物质能等再生能源都具有非常重要的意义。从长远来看，利用洁净的可再生能源代替原本的化石能源，不仅仅是人类对未来社会发展的期望，更是世界能源发展的趋势[4]。1.2风光互补发电的提出和发展前景1.2.1风能和太阳能的优点和缺陷在化石能源储量日益减少并且对环境造成严重污染的今天，太阳能、风力发电等可再生资源也越来越受到重视。它们具备了传统的化石能源所没有的特点。第一，太阳能和风能具有可持续利用的优点，当太阳照射在地面时，地面升温空气就会流动就会产生风能。第二，风能和太阳能的采集装置大部分比较便宜，一次性的投资就可以常年使用，除了维修费用并没有其他较多的开支。第三，太阳能和风能都属于清洁可再生能源，所以在对它们综合利用时不会给环境造成任何污染，比较环保。第四，太阳能和风能随处都有，特别是在缺乏常规能源的山区，野外，沙漠等，不需要进行一个长途运输第五，太阳能和风力发电所可能蕴含的可再生能源储量是巨大的。有人曾计算出来表示，把一个30000平方公里的沙漠地带中的太阳能全部利用起来，就已经完全能提供全球生产活动所需要的能量。当然，虽然风能、太阳能存在上述诸多优点，但也存在着一些缺陷:第一，这两种能源比较分散，不容易集中起来产生巨大的功率。第二，目前，不管是利用天然太阳能还是风能发电，天气气候条件非常重要，天气不稳定时，发电也非常的不稳定。第三，受地形的影响也比较大，地区差异较大。尽管太阳能和风能存在很多优点，但是这些缺陷的存在，使得太阳能或风能在单独利用时存在许多不稳定的因素，无法将其转变成经济可靠的电能。不过随着现代科技的进步与发展，风能和太阳能的利用技术都已经取得了很大的的发展与突破，特别是在风能和太阳能结合利用的方面，充分利用两种能源自身的优势建立起了一些实用性非常好，经济可靠的能源利用系统。1.2.2风光互补发电系统的提出风光互补发电系统，主要强调的是风能和太阳能的互补。风能和太阳能有着天然互补的优势。太阳能辐射到地球上引起气温的变化产生风能，所以风能是太阳能的一种转化[5]。我们知道，白天一般太阳辐射大风小，夜晚风大太阳辐射小，夏天太阳辐射大风小，冬天风大太阳辐射小。风能和太阳能能够在季节与时间上相互补充。因此，风光结合互补发电系统具有更高的可靠性和实用价值，风光互补发电系统的出现能更好的弥补太阳能和风能提供能量间歇性、不稳定的缺陷，实现可持续供电。风光互补发电系统有两种主要的类型，一类是并网型的电力发电管理系统，即和各个公用动力电网之间通过各种标准接口互联进行网络连接,就像一个小型火力发电厂,将所有被接受到的发电能量直接通过高频直流进行转换后再改变成高压千伏直流电,经过高压逆变器进行逆变后向公用电网内部输出与公用电网输入电压基本相等或者与电压同频、相等的正交余弦波和交流驱动电流;另一类是离网型电力发电管理系统，即在自己的风光闭路发电管理系统内部直接建立一条离网的综合电路,系指风光发电采用各种类型区域性单独联合发电、各种类型分户单独联合发电的一种离网式风光再生电力发电系统模式,将所有被接受到的发电能量直接提供给各种充电负载,并将多余电能经过充电控制器处理后变成化学能储存在蓄电池中。离网型较并网型发电而言，它的发电投资小、见效快，占地面积小，从发电设备投入安装使用开始至设备投入正常运行所需要花费的大量时间就视其为最大工程量,少则一天或者两个人每月,无须同时有行业专人进行看护或人员值守,易于运行管理。本文将以拟择离网式小型发电配套系统为例进行相关研究[6]。1.3本次课题的研究内容本次课题研究旨设计出一个小功率的离网式风光互补发电装置。1.利用太阳能光电池进行光电转换和风力发电机对蓄电池进行充电2.设计出系统电路，把蓄电池中的直流电变成标准的交流电来保证交流负载的正常使用3.在完成以上两子节点的情况下，实现装置的控制单元能够根据太阳辐射强度、风力的大小及负载的变化，不断对蓄电池工作电压进行实时的监视和调整。本文将针对小型风光互补装置的风力发电机、太阳能电池板和控制器的选型问题进行展开，主要分为以下几个部分。发电理论及选型。蓄电池介绍。单片机部分。硬件电路设计。软件程序设计。仿真与调试。1.4系统总体设计方案风光互补发电装置结构如下图：该发电系统主要由风力发电机，太阳能电池板，单片机控制器，蓄电池等组件构成。以下是各个部分的功能。风力发电机和太阳能电池板；完成风能向电能；光能向电能的转换，并且通过整个装置的充放电电路完成对蓄电池的充电工作。微机控制器：完成装置各个部分的连接、组合以及对蓄电池工作状态的自动控制。蓄电池：完成装置全部的电能储存。器件的选择：控制核心：采用STC89C52系列单片。蓄电池：采用TP4056锂电池。风力发电机：采用5V微型风力发电机太阳能电池板：选用5V/1.5W的单晶太阳能电池板。电压采集电路：采用ADC0832芯片设计。发电理论及选型2.1发电机的介绍发电机就是指将其他各种动力形式的机械能量直接驱动转化电力为机械电能的一种机械驱动装置,它由一台水轮机、汽轮机、柴油机或其他各种大型动力机械设备进行动力驱动,把经过水流,气流、燃料的加热焚烧等所作用产生的机械动能直接变化转换电能为各种机械提供电能功率,再由发电机直接驱动转换为机械电能[7]。发电机已经在现代社会、国防工程技术以及人们日常生活中已经得到许多的广泛使用。虽然发电机的驱动类型有很多，但它们的基本结构和主要工作驱动原理均基于其对电磁场的感应驱动定律和电磁力驱动定律,发电机的主要工作基础驱动原件及其构成部分有，如发电机的主要原动力、转子、定子。转子转动所需要的能量由原动机驱动提供，也可以说是利用磁场过剩或者可以是利用直流电磁场来直接产生一个磁场,当一个转子可以高速旋转时与一个定子就成为可以直接产生相对的转子切割力与磁力。而线圈的运动,在一个定子上就直接可以产生一个感应电动势,当一个定子与外部的电子回路导线连接好之后就会产生一个闭合电动势，这个电动势便可以将定子电流快速传递到一个负载上。2.2风力发电理论按照风轮的形状结构及其在气流中的位置不同，风力发电机又可以分成水平或竖向轴式风力发电机。水平轴式的风力发电机风轮围绕某一个水平轴进行旋转，旋转方向与风向垂直。目前，国内外研制最多，应用领域最广泛的就是水平轴式风力发电机。它的叶片一般切割成两到三片，安装时要和风轮在旋转方向呈一定角度。水平轴风力发电机的特征是其启动时力矩相对较大，而且风能的利用率也很高，但是要想风轮一直保持迎风，则必需安装调向器[8]。不管风力发电机是水平轴式还是竖直轴式，要设想其能够在风速不停地变化下始终保持最高功率的输入,主要方法之一就是通过调整发电机风叶片的受到风面。所以当发动机的风速太快时,在能够保证发动机安全运行的前提下,适当地减小发动机风叶片的受到吹入面积,使得发动机的转速不至于太快。所以当风速超标时,就要加大风叶的承受风量和面积,来提高电动式风力发电机的转速。2.3本设计风力发电机选型风叶：直径17.5cm,具有11片风叶，质量较好，能承受的转速较高。风力发电机：选用卓业280直流碳刷微型电机。主要参数如下；额定转速：9500转/分额定电压：5V额定功率：1KW轴伸出长度约：1.5cm电机壳体外径约：2.4cm壳体长度约：2.8cm该电机的主要优点有体积小、质量轻、转速和功率较高。2.4太阳能电池板的介绍硅太阳能材料电池板主要种类有单晶硅复合太阳能材料电池板、多晶硅复合太阳能材料电池板和一种非晶硅复合太阳能材料电池板等。其中以新型单晶硅材料太阳能电池组在进行电能转换时发电效率最好,技术也可说是最为成熟[9]。实验室中研究产生的产品转化结果效率一般大约为24.7%,但是当企业进行大型化和规模化产品生产时的转化效率一般仅仅为15%。多晶硅材料薄膜电池太阳能材料电池成本相对于其他单晶硅薄膜电池,成本低廉,而转换效率则远远需要高于其他非晶硅材料薄膜太阳电池,其中应用实验室的最高产品可以进行转换最高效率约18%,工业产品大型化所需要生产的产品可以进行转换最高效率约10%。非晶硅阳光薄膜材料太阳能电池由于制造成本低,重量轻,转换电能速度和发电效率都相对更高,便于企业进行大量的规模研发生产,具备极大的行业市场潜力。但是由于其他光电材料所应用引发的光电反应效率值的衰减以及反射光电效应,稳定性并不高,直接影响决定了其不能够在实践中的广泛应用。太阳能电池片可根据所需电压和尺寸大小的要求，由不同种类和数量的太阳能电池片共同组成，其转化和效率受到多方面因素的影响,例如太阳能光照、太阳能动力电池片的制造技术和工艺等等,2010年中国的平均效率大约为17.2%。常见的太阳能动力电池供应的电压主要有3v、6v、9v、12v、18v、32v、48v等,更大的是适合太阳能发电工厂建设项目。2.5太阳能电池板发电原理光伏电池进行能量自动转换的主要工作原理为一个pn-n相连结的复合光生伏特效应[10]。当太阳能量辐射到PN结上时，会产生电子与空穴复合对，属于半导体内部PN结附近的载流子没有得到复合而到达空间电荷辐射区，在内建电场的作用下，P区中空穴较多，而N区流入许多电子，导致N区和P区电子和空穴数量的不平衡。而这种不平衡就会产生光生电场并且它的作用方向与势垒方向相反。光生伏特电场除了部分地直接抵消势垒电场作用外,还同样可以直接使它的P区区域带正电,N区区带正或负电,在N区和P区之间的导电薄层就这样可以直接产生电动势,这也就是俗称光生伏特效应。将太阳光伏电池的正、负电极和外接负载连接，那么光生电流就会直接流进外接负载。晶体硅薄膜太阳能电池主要可以被细分为各种单晶硅晶体太阳能材料电池、多晶硅晶体薄膜薄层太阳能材料电池和各种非晶硅晶体薄层薄膜太阳能材料电池。单体式直流太阳能离子蓄电池的电流工作时其输出稳压电流一般可以设定为20malcm2,工作时的输出直流电压一般可以设定为0.450sv,固通常也就是不能单独独立地把它作为一个备用电源[11]。将光伏太阳能电池的单体分别进行了串、并联和密封后,成为一种具有稳定利用率和高效益的太阳电池串,然后就已经可以被封装为一种具有稳定的机械运动强度的光伏太阳电池单体,将多个组件分别固定到一个支架上,用导线相互连在一起,就已经可以形成光伏系统的阵列,从而使其产生整个系统必须要求的电压和电流。2.6本实验太阳能电池板选型本设计太阳能电池板的选型是105*105的单晶硅太阳能电池板，它的最大额定工作电压是5V,，额定电流范围是0.3A，额定功率是1.5W，长度为13.5cm,宽度为12.5cm。所以我们选用了单晶硅太阳能电池板主要原因是由于其转化效率比较高,也相对稳定,还有一个原因就是单晶硅太阳能电池板成本相对较低,大小也非常适合小型风光互补装置的制作。2.7本章小结本章对小型风光互补装置的发电部分进行了介绍，主要分为太阳能发电和风力发电两个部分，对发电机和太阳能电池板从他们的工作原理，基本组件，用途等方面进行了简单的介绍。经过与其他型号器件的简单对比，并且与本次设计想要实现的功能相结合，最终确定了发电机与电池板的选型，并且对该型号器件基本参数做了简单介绍。蓄电池介绍3.1蓄电池的介绍蓄电池就是能够将自身化学性质和电能直接相互作用转换的一种化学物质，它能够将电能通过一些化学反应储存起来，需要用电时再经过化学反应释放出电能。蓄电池已经是目前世界上广泛被采用的一种新型化学"电源",它主要具有工作电压平稳、安全可靠、价格低廉,适用适应区域宽、原材料丰富及化学资源节约回收容易再生和可利用率相比较高等六大特性,在世界上所有不同类蓄电池中其应用最多、产量最大、使用区域范围最广[12]。3.2蓄电池工作原理蓄电池的工作原理主要可以从两个方面叙述：1：放电过程：蓄电池向外界负载提供电能的过程叫做放电。蓄电池正负极连接外部电路由正极向负极输送一定化学电能时，硫酸铅的分子会与附着在电池内部正、负极上的一些活性化学物质分子发生放电化学反应,生成的硫酸化合物"硫酸铅"在高频放电反应过程下其中的硫酸释放持续时间相对较长,硫酸的分子浓度越稀薄,电池里的液态物质越少,随着电池两端的硫酸释放时间越长电压也越低。2：充电过程：蓄电池从外界电源获得电能的过程叫做充电。在正、负极板上的铅和二氧化硫酸铅部分可以被快速地加热分解并通过还原而成为新的铅和二氢氧化铅等物质,同时在正极板产生中一定量的氧气,负极板产生一定量的氢气。随着铅池电解液中酸的成分含量逐渐得到减少,使得铅酸电池两端的充电高压逐步提高。所以当正、负极板上的每一个羟基硫酸铅都被化学还原转化为硫酸形成原来的活性化学物质,那么电池充电也就到此结束了。在充电时，在正、负极板上生成的氧气和氢气会通过化学反应变成水回到电解液中[13]。在蓄电池向外界提供电能时，正、负极的活性物质由化学反应转化变成成硫酸铅，硫酸铅的结构非常疏松，是一种拥有较高活性的细密结晶物。在蓄电池由外界获得电能的过程中，正、负极上疏松细密的硫酸铅,在负极受到大量外界氧化充电电流的强烈影响下,它们可能会重新被硫酸还原而成为溶于二氧化铅和其他金属中的硫酸铅,蓄电池就又再次地继续处于放电后充满电能的工作状态。也因为正是这种电池具有可逆转变的惰性电化学反应,使得铅酸蓄电池具备了快速储存和释放大量电能的使用功能3.3蓄电池选型本设计蓄电池的选型是TP4056一款全新的新型单节容量锂离子动力电池。它是一款采用恒定电流/一个恒定电压的线性充电器。它所采用的SOP8/MSOP8封装带有散热功能且拥有较少的外部元件使得它能够便携式应用。由于TP4056采用了内部PMOSFET框架，加上了外部防静电倒流填充的保护电路，所以它并没有采用必须外部的电源隔离光电二极管。热温度反馈系统内置可对每次充放电的芯片电流量温度进行自动温度调整,,以便于功率较大或者是在较高温度环境下保证对芯片正常工作进行温度控制。充电的内部电压一般来说应该是固定于4.2v,而用于充电的外部电流则一般可以通过单个有源电阻器输出来直接进行外部的电流设置。当充电电流使电池电压达到最终浮充电压然后下降到设定值十分之一后，TP4056将主动结束本次充电循环。当输入电压（交流适配器或USB电源）被拿掉时，TP4056自动进入一个低电流状态，将电池漏电流降至2uA以下。TP4056在有电源时也可置于停机模式。TP4056的其他特点包括电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和两个用于指示充电、结束的LED状态引脚。特点：（1）高达1000mA的可编程充电电流（2）不采用MOSFET、检测电阻器和隔离二极管（3)用于单节锂离子电池、采用两个sop封闭组装的新型线性自动充电器（4）可在恒定电流/恒定电压下操作，在无过热危险的情况下进行充电（5）快速和充电效率损耗最小化的根据加热温度调整充电功能（6）预设精度很高的4.2V充电电压（7）适合用于锂离子电池供电量的检测充电电流的监视器输出（8）自动再充电（9）充电状态不是单方面输出、能够将故障状态显示3.4本章小结本章对设计的蓄电池部分进行了简单介绍，讲述了蓄电池电压平稳，安全可靠等优点，从充电原理和放电原理两个部分对蓄电池的工作原理进行介绍。本次设计蓄电池的选型确定为TP4056，并对它方便携带，散热性好，能对充电电流进行反馈调节等优点做了介绍，并把它的特点进行了列写总结。单片机介绍4.1单片机概述单片机就是我们泛指一个全新的、集成应用到一块处理芯片上的一种计算机操作系统。尽管他大部分工作处理集中在一块小芯片上，但是它具有一个完整的集成计算机系统工作所必须功能需要的绝大部分主要零部件:cpu、内存、内部和外部的数据总线管理系统,目前绝大部分还可以使用内部数据外存。同时它还可以直接集成各种诸如通信接口、定时器,实时通信时钟等各种外围通信装置。而现在最强大的数控单片机自动控制软件系统甚至已经能够将各种声音、图像、网络、复杂的信号输入和数据输出等等控制软件系统都直接集成在一块控制芯片上[14]。单片机之所以叫"微控制器"(microcontroler),是因为其首先被广泛应用于现代工业化和自动化的微控制。单片机技术是从只有一个cpu的两个芯片内部专门的微处理器芯片演变而来。最早的研发理念是把大量外围设备和CPU能实现的功能聚集在一个芯片中，使得整个计算机操作系统体积变得更小,较容易地直接集成应用到一个复杂且对于要求很高的电脑控制器和装置当中。INTEL的Z80是最早按照这种思路研发并推出的一种微型控制器，从此以后，单片机和其它专用处理器分成了两个不同的方向发展。4.2单片机工作原理单片机工作原理是一种人工在线式实时控制计算机的工作方式。在线式就是现场监测控制其工作，所具备的特点是具有较强的抗干扰能力，成本低廉，这也是和离线式计算机（比如家用PC）的不同之处[15]。

单片机本身就是一个微型计算机，它是通过程序指令工作的，并且程序可以被修改。通过不同的程序流程实现单片机拥有不同功能。4.3单片机的选型本设计单片机的选型为STC89C52单片机，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机[15]。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。图4-STC89C52单片机引脚图STC89C52具体介绍如下：主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线（2）外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端（3）控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。（4）可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.74.4本章小结本章对单片机做了简单介绍，将单片机与计算机进行一些对比，对单片机最早的应用领域和设计理念作了介绍，还对单片机的工作原理简单介绍，并和计算机的工作条件做了区别。单片机可以通过不同程序实现不同的功能。本次设计单片机的选型是STC89C52单片机，并对STC89C52单片机的各个引脚和可编程的I/O口做了介绍，对它的了解提供了帮助。硬件电路设计5.1时钟电路如图5-1为仿真的时钟电路，作用为单片机提供基本的时钟信号，时钟工作电路主要分为两部分组成，一部分为晶体震荡器，另一部分为电容。时钟电路的主要功能是产生相应的时间频率，为程序运行工况提供时钟，保证单片机工作的精确运行，任何一个微控制电路在系统中都需要相应的时钟电路,时钟频率越高,处理的速度也越快。但是晶振的频率变化越大,对于系统的软硬件性能要求也就越高,增加了造价和功耗[16]。

图5-1时钟电路5.2复位电路单片机的复位电路可以把它直接比作电脑的重启电路，当一台电脑在运行的过程中会遇到一种死机的状态,那么这种状态只要按下了重新启动的按键,那么整个计算机程序也就会由此从头再次开始执行。单片机也一样的,受到周围环境的干扰而出现程序跑飞的情况时候,按下了复位键后的程序会自动地从头到尾地开始执行[17]。复位操作就是对单片机进行初始化。它的主要目标和功能就是把一个PC初始值变成0000H,使得一台单片机0000H单元起就可以执行一个程序。除了自动进入系统的正常程序初始化之外,当由于应用程序在运行中发生错误或者操作失败而导致系统陷入死锁状态时,为了摆脱这一困境,也必须按下复位键再次启动。图5-2复位电路5.3转换电路的设计由于单片机只能接收数字信号，所以需要转换模块将电压信号转换成数字信号，本设计选择的转换芯片是ADC0832C，ADC0832芯片可以适应大部分模拟量转换要求。其内部的模拟电源参考输入和模拟参考输出电压相互并联复用,使得该设计芯片的内部模拟参考电压值和输入输出范围从0~5V之间。芯片上转换数据时间只有32μS，外部设有基本的时钟接收引脚，转换允许引脚，转换结束EOC引脚以及输入输出引脚。操作简单便于实现本设计设计要求。ADC0832的特点：有很高的分辨率，转换效率高，输入输出电平兼容性好，工作频率高，功耗小等图5-3电压采集电路5.4显示电路的设计本设计显示电路完成后，打开装置开关，显示屏上会显示蓄电池的工作电压。显示电路连接在单片机的P0接口，主要实现是单片机采样处理转换器转换来的数字信号，用P0口输出达到显示的目的。根据本设计要求选择LCD1602显示。以下是LCD的主要技术特点：1.显示容量:16×2个字符2.芯片工作电压:4.5—5.5V3.工作电流:2.0mA(5.0V)4.模块最佳工作电压:5.0V5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mmLCD引脚功能说明表如下：表5-1LCD引脚功能图5-4液晶显示屏电路5.5本章小结本章对设计的各个组成电路进行了说明，从它们在整体电路中承担的任务和主要功能做了介绍，同时还最电压采集电路和液晶显示屏电路的选型与设计做了介绍，电压采集电路芯片的选型是ADC0832，液晶显示屏选型是LCD7602，并对它们的特点和参数做了介绍。软件程序设计6.1系统设计语言的选择对单片机编写程序的语言最常用的是汇编语言和C语言，C++也能对单片机编写程序，但是只能运用于一些比较好的单片机。大学期间我们学习过的语言只有C语言和C++，汇编语言没有接触过，同时汇编语言对于不同的单片机汇编的差距较大，所以综合来看，本系统设计语言最好的选择是C语言。6.2软件程序设计中的主要问题在确定了本设计将要运用C语言为软件程序设计语言后，明确本次软件程序需要解决的几个主要问题，然后通过对C语言的学习来解决。本次设计主要的问题有两个，一是电压采集模块采集电压信号传输给单片机处理，我们知道单片机只能处理数字信号，硬件中我们通过ADC0832芯片实现，软件程序设计中我们就需要结合ADC0832芯片的特点和功能来设计，在收集一次电压数据后，要通过程序使时钟电路发出一次时钟脉冲保证电压采集的精确。二是电压信号转换的数字信号在经过控制单元处理之后在液晶显示屏中显示出来，液晶显示屏亮起后需要初始化，所以要设计一个初始化函数，其次要设计一个延时函数来让采集来的电压信号得到正确处理，因为电压采集是本设计实时进行的，所以数据一直变化，所以要编写延时函数。6.3系统设计思路本设计程序设计的主要思路是根据电路图中各模块之间的关系进行程序控制，达到我们所需要实现的机械动作，完成设计要求。需要注意的是本设计中太阳能和风力发电机工作时状态由一个LED灯显示，所以程序中不赘述。启动程序，首先要进行的是初始化，把一些变量变成初始值的引脚初始化，电压采集清零初始化以及设定一个定时器的具体工作方式和初始值。初始化完成之后再重新对蓄电池的电压进行采集，通过转换电路的转换在液晶显示屏显示电压数值。图6-1整体程序设计流程图6.3.1LCD1602软件程序设计在确定了整体软件程序设计方案后，最重要的就是数据显示模块，经过单片机初始化工作和电压采集初始化重新采集之后，需要将电压数据正常合理的在液晶显示屏上显示出来，下面是液晶显示屏软件程序设计流程图。图6-2液晶显示程序设计流程图6.4本章小结本章对整个设计软件程序进行了说明，首先选择C语言为设计语言，明确设计中需要解决的主要问题。在明确问题之后，设计出主程序流程图，然后在对个别模块进行子程序设计，例如显示模块，最终达到设计要求。仿真与调试在完成了各个部件的选型，硬件电路和软件程序的设计之后，我们还需要将它们组合起来，经过一些仿真和测试来确定我们设定的方案可行性，没有经过调试和仿真的方案是不牢靠的，缺乏说服力，不能真正投入应用，这也是做实验设计当中不能确实的严谨性。在通过仿真和调试之后，从实际应用的角度对仿真结果不断完善，提高设计方案的可行性，应用性。7.1系统仿真软件的选择单片机主要常用的仿真软件有Multisim、Protues、Protel三种，本次设计仿真实验选择的是Protues进行仿真测试。Protues仿真是我们在大学课程中学习过的，它的优点有仿真数字电路较好，可以清楚地看到电平的高低，在仿真过程中出现错误时，能够及时验证，同时各种仪器都能在Protues仿真中找到，比如信号发生器、示波器等。Protues还支持对程序原文件进行修改。7.2系统的仿真测试本次设计的仿真采用Protues仿真软件，在仿真过程中出现的问题时，能够及时的发现并且改正。如果源程序存在一定的错误，在仿真过程中也会及时显现出来，同时在Protues中就能对源程序进行修改，非常的方便。下图7-1是电路的仿真图。图7-1电路仿真图7.3原理图的绘制本次设计运用Altium.Designer对原理图进行绘制。它的优点主要有提供高级元件库管理，电路分析功能强大，具有新的布线工具。在单片机的左侧是基本的钟电路和复位电路，时钟电路可以来保证整个控制单元的精确运行，复位电路可以通过释放高电平信号来使控制核心复位重新启动。电源指示灯电路串联电阻防止LED灯损坏，串口电路可以用来下载测试程序来使单片机实现新的功能，电压采集电路可以对蓄电池电压进行采集反馈给单片机处理，然后再通过液晶显示屏电路在显示屏上显示。图7-2电路原理图7.4实物图本次设计的实物图展示如下：图7-3实物图在使用该装置时，将太阳能电池板放在阳光下，就会看到充电指示灯亮起，同样将风力发电机用风吹动或者手快速拨东风力发电机的叶片，充电指示灯也会亮起，电池的实时电压会在液晶显示屏上显示出来。太阳能和风能通过太阳能电池板和风力发电机转换成电能