太阳能发电系统设计(软件)

YanCheng Institute of Technology

课程设计报告

课程名称太阳能发电系统设计专业新能源科学与工程

学生姓名

班级

学号

完成日期

盐城工学院电气学院

目录

1.概述 (1)

2.设计框图与要求 (1)

3.总体设计思路 (2)

4.硬件设计 (2)

4.1 主控系统 (2)

4.1.1 单片机特点 (2)

4.1.2 单片机引脚功能 (3)

4.2 Pt100温度传感器选型 (6)

4.3显示电路模块选型 (7)

4.3.1 LCD1602主要参数： (7)

4.3.2 LCD1602各引脚功能： (8)

4.4 电压比较器的选型 (9)

4.5 TVS瞬态抑制二极管选型 (9)

4.6 二极管的选型 (10)

4.7 NMOS管及熔断器的选型 (10)

4.8差分放大器的选型 (11)

4.9 仪表放大器的选型 (12)

4.10 稳压集成器的选型 (12)

5.软件设计 (13)

5.1 A/D转换程序 (13)

5.2 PWM波输出程序 (14)

5.3LCD1602显示程序 (15)

6.电路工作原理 (16)

致谢 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

附录1 电路原理图 (20)

附录2 元器件清单 (21)

1.概述

目前，世界能源结构中，人类主要利用的是化石能源，其中石油、天然气、煤炭的消费构成分别为 41%、23%和27%。而根据目前所探明的储量和消费量计算，这些能源仅可供全世界大约消费170年，具体来说，石油将在40年内耗尽，天然气将在60年内用光，煤炭也只够使用220年。而太阳能是一个巨大，久远无尽的能源。太阳每秒照射到地球上的能量相当于500万吨媒所产生的能量。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。且太阳能的诸多优点使发展太阳能已是大势所趋，太阳能时代的到来已为时不远了。

光伏控制器是光伏发电系统中非常重要的组成部分，其性能直接影响光伏发电系统的发电量和使用寿命，特别是影响蓄电池组的使用寿命。蓄电池是贮能部件，其价格昂贵，在整个系统中的投资比例较大，其性能对整个系统的正常运行至关重要。

蓄电池的过充电或过放电都将缩短蓄电池的使用寿命，给用户造成经济损失，为光伏发电系统的推广应用带来不利影响。因此本文将对影响蓄电池使用寿命的关键部件—光伏控制器的设计进行重点讨论和分析。

2.设计框图与要求

图1-1 参考原理框图

1.根据给定的参考原理框图和技术要求，完成整体电路的拓扑设计。

2.相关器件的选型分析和电路参数计算。

3.各环节的功能及要求、所用芯片的说明。

4.具体电路图及说明、对应的软件流程图及说明和关键子程序代码。

5.系统参数：

（1）控制器输出电压范围：DC15-24V；

（2）蓄电池标称电压：DC12V；

（3）最大负载：30W；

（4）具有过充保护、过放保护、过流保护和温度补偿功能；

3.总体设计思路（由郭泽斌同学提供）

根据所给电路分析，智能光伏控制器主要由以下模块组成：

（1）单片机控制模块

（2）电压检测模块

（3）电流检测模块

（4）温度补偿模块

（5） MOS管驱动模块

（6） LCD显示模块

电路图见附录1。

4.硬件设计

4.1 主控系统

主控系统选择STC12C5410AD单片机，STC12C5410AD系列单片机是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换。

4.1.1 单片机特点

1．增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU ；

2．工作电压：STC12C5410AD系列工作电压：5.5V-3.3V(5V单片机)STC12C5410AD系列工作电压：3.8V-2.0V(3V单片机)；

3．工作频率范围：0‐35MHz，相当于普通8051的0‐420MHz ；

4．用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节；

5．片上集成512字节RAM ；

6．通过I/O口（27/23/15个），复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O 口)，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55ma；

7．ISP（在系统可编程）/ASP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

8．EPROM功能；

9．看门狗；

10．内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振20M以下时，可省外部复位电路）；

11．时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：

5.2MHz~

6.8MHz ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；

12．共6个16位定时器/计数器；

13．PWM(4位)/PCA（可编程计数器阵列），也可用来在实现4个定时器；

14．ADC，10位精度ADC，共8路；

15．通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；

16．SPI同步通信口，主模式/从模式；

17．工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)；

18．封装：PDIP—28，SOP—28，PDIP—20，SOP—20，TSSOP—20，PLCC—32；

STC12C5410AD单片机中包含中央处理器、程序存储器（Flash）、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、电源监控、片内RC 振荡器等模块。可以说STC12C5410AD单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统（SOC），可以很容易地构成典型的测控系统。

4.1.2 单片机引脚功能

STCSTC12C5410AD单片机引脚如图4-1所示。

图4-1 STC12C5410AD单片机引脚图

STC12C5410AD单片机管脚编号及说明如表4-1所示。

4.2 Pt100温度传感器选型

Pt100温度传感器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成：传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻，信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的，因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元，有些还具有现场总线功能。

Pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

当Pt100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： 对于－200～0℃ 的温度范围：

])100(1[)0()(32t C t C Bt Bt At C R t R ?-++++??= （4-1） 对于 0～850℃的温度范围：

)1()0()(2Bt Bt At C R t R +++??= （4-2）

以上两式中：

R(t): 在温度为t 时铂热电阻的电阻值Ω R(0 ℃):在温度为0℃时铂热电阻的电阻值Ω A:常数，其值为3-109083.3?

B:常数，其值为7-10775.5-? B:常数，其值为12-10183.4-?

基于以上分析，我们认为PT100温度传感器的优点是制作方便，使用简单，而且容易替换，符合我们课题的要求。

图4-2 Pt100铂电阻RT 曲线图表

4.3显示电路模块选型

显示部分有LCD1602及其外围电路组成，能够显示当前温度，蓄电池电压，负载电流。

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

4.3.1 LCD1602主要参数：

1.显示容量:16×2个字符。

2.芯片工作电压:4.5—5.5V 。

3.工作电流:2.0mA(5.0V)。

4.模块最佳工作电压:

5.0V 。

5.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。

6.3.3V 或5V 工作电压，对比度可调。

7.内含复位电路。

8.提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。

9. 有80字节显示数据存储器DDRAM。

10.内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM。

11.8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

4.3.2 LCD1602各引脚功能：

第1脚：GND为电源地。

第2脚：VCC接5V电源正极。

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端，高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

15脚背光正极。

16脚背光负极。

LCD1602引脚功能表如表4-2所示。

指令1：清显示，指令码01H光标复位到地址00H位置。

指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。

指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。

指令7：字符发生器RAM地址设置。

指令8：DDRAM地址设置。

指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：写数据。

指令11：读数据。

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。基于以上理由，本次显示模块选择的是LCD1602。

4.4 电压比较器的选型

电压比较器它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。

电压比较器采用LM358电压比较器芯片。LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358主要参数如下所示：

·输入偏置电流45 nA。

·输入失调电流50 nA。

·输入失调电压2.9mV。

·输入共模电压最大值VCC~1.5 V。

·共模抑制比80dB。

·电源抑制比100dB。

4.5 TVS瞬态抑制二极管选型

TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，

由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM 上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态。这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整个过程。本次课设选用的TVS型号为SMAJ20A。

SMAJ20A型TVS二极管主要参数如下：

·工作电压：20V。

·击穿电压：18.9V。

·钳位电压：27.6V。

·峰值浪涌电流：14.5A。

·工作温度：-55℃～+150℃。

·功耗：400W。

4.6 二极管的选型

为了防止蓄电池对太阳能电池板出现反充现象，在电路中需要串联防反二极管，二极管正向串联到你的电源电路输入端，二极管的正向平均电流要大于设备工作电流的1.5倍以上。反向耐压要大于设备输入电压的2倍以上，尽量选用肖特基二极管，这类二极管正向压降低（典型的约0.2V），对电路的影响低，二极管的正向平均电流要大于设备工作电流的1.5倍以上，反向耐压要大于设备输入电压的2倍以上。根据光伏板输出20V/50W，蓄电池参数12V/7Ah，防反二极管耐压值40V，电流值5A。

型号为：MBRS540 40V/5A。

·电压-DC反向：40V。

·电流-平均整流： 5A。

·工作温度：-65°C ~ 150°C。

·电流-平均整流：5A。

4.7 NMOS和PMOS及熔断器的选型

MOS管图形符号如图4-3所示。

图4-3 MOS管图形符号

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。由于电路电流是从漏极流过栅极再到源极，所以选择N沟道型MOSFET，又因为需要在栅极加上电压后才出现导电沟道，所以选择增强型MOS管。本课设中采用SI2302型MOSFET和SI2310型NMOS管。

SI2302型MOSFET主要参数如下：

·最大功耗：1.25W。

·栅极门限电压VGS： 2.5V。

·漏源电压VDS ：20V。

·漏极电流ID：2.8A。

·通态电阻RDS（on）：0.145ohm。

·栅极漏电流IGSS：±100nA。

·结温：-55℃~150℃。

SI2310型MOSFET主要参数如下：

·漏源电压VDS：20V。

·栅源电压VGS：±10V。

·漏极电流ID：4.5A。

·最大功耗：1.25W。

熔断器（fuse）是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。由于电路电压范围是15～24V且电路功率为30W，故加入限流为2A的熔断器。

本次课设选择常用的RT28-32型熔断器。

4.8差分放大器的选型

本课设采用OP07CP差分放大器。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极

性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07CP主要参数如下所示。

·电源电压：±22V。

·差分输入电压：±30V。

·输入电压：±22V。

·工作温度：-65℃~150℃。

4.9 仪表放大器的选型

本课设中采用的电源仪表放大器型号是AD623。AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3V到+12V)下提供满电源幅度的输出。它允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的灵活性。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（AC CMRR）而保持最小的误差。线路噪声及谐波将由于CMRR在高达200HZ时仍保持恒定。它有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平150mv共模电压信号。它在双电源（2.5至6V）仍能提供优良性能。低功耗，宽电源电压范围，满电源幅度输出，使AD623成为电池供电的理想选择。在低电源电压下工作时，满电源幅度输出级使动态范围达最大。它可以取代分立的仪表放大器设计，且在最小的空间提供很好的线性度，温度稳定性很可靠。AD623仪表放大器主要参数如下所示：

·放大倍数：2-1000倍可调。

·功耗：150uA（典型）650uA（最大）

·电源供应：3-5.5V

·增益精度：0.35%（G>2）0.10%（G=2）

·输入失调电压：100-200uV

·输入失调漂移:1uv/℃

·共模抑制比：90db

·增益带宽：800KHZ。

4.10稳压集成器的选型

由于外电路所有的输入电压均为+5V，而蓄电池输出电压约为12V大于外电路器件额定电压，故不能直接接入，需要在蓄电池正极与外电路之间串接稳压电路，用于调节输入电压至5V。因此选用可以输出5V电压的LM7805三端稳压集成器。用LM7805三端稳压IC芯片来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

LM7805主要电气参数：

·输出电压：5.0±0.2V（Tj=25℃）。

·输出电流：1.5A。

·最大输入电压：35V。

·输入输出压差：最大值30V，最小值2V。

5.软件设计（由于飞杨同学提供）

5.1 A/D转换程序

#include"STC12C5410AD.h"

#define uchar unsigned char

unsigned char aa,bb;

void delay(uchar dd)

{

int x,y;

for(x=dd;x>0;x--)

for(y=100;y>0;y--);

}

unsigned char Read_ADC(unsigned char adcvcc)

{ //将P1.0--P1.1设置成适合AD转换的模式ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x80; //1000,0000打开A/D转换电源delay(20); //延时20ms ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE0;

//1110,0000清ADC_FLAG,ADC_START位和低3位ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xf8|adcvcc; //设置当前通道号delay(10); //延时使输入电压达到稳定ADC_DATA = 0; //清A/D转换结果寄存器ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x08; //0000，1000ADCS ＝1，启动转换do { ; }

while((ADC_CONTR & 0x10)==0); //0001,0000等待A/D转换结束ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xE7;

//1110,0111清ADC_FLAG和ADC_START位，停止A/D转换return ADC_DATA;

}

void main()

{

//里要加上设置ADC的端口,如)1.0,P1.1设为ADC口的话: P1M0 = 0x03; //0000，0011用于A/D转换的P1.x口，先设为开漏P1M1 = 0xC3;

//0000，0011P1.0--P1.1先设为开漏。断开内部上拉电阻bb=0x01;

while(1)

{

aa=Read_ADC(1);

//第一路A/D转换;如要改别的路,只要把代入通道改一下.

P3=aa; //这是让A/D的数据显示在P3口的LED上. }

}

图5-1 AD转换流程图

5.2 PWM波输出程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar code table[]={0xc0，0x80}; //占空比分别为25%，50% uchar i;

void main()

{

CCON=0; //初始化PCA寄存器CL=0;

CH=0;

CMOD=0x02; //PCA时钟源来自系统时钟f/2 CCAPM0=0x42; //PCA工作在PWM模式CR=1;

while(1)

{

for(i=0;i<2;i++)

{

CCAP0H=CCAP0L=table;

while(CL!=0xff);

}

}

}

图5-2 PWM调制流程图

5.3LCD1602显示程序

LCD1602初始化函数

void LCD_Init(void)

{

LCD_Write_Com(0x38); /*显示模式设置*/

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x38);

LCD_Write_Com(0x08); /*显示关闭*/

LCD_Write_Com(0x01); /*显示清屏*/

LCD_Write_Com(0x06); /*显示光标移动设置*/

DelayMs(5);

LCD_Write_Com(0x0C); /*显示开及光标设置*/

}

图5-3 LCD1602工作流程图

6.电路工作原理

光伏电池受到光照产生电能，由单片机自带的PWM功能产生脉冲控制MOSFET的通断来给蓄电池充电，通过蓄电池两端的分压电阻测量蓄电池的端电压，由于单片机自带A/D转换功能，分压电阻端的电压可直接与单片机相连，实时监测蓄电池的电压，通过显示屏显示出来，通过蓄电池端电压的变化改变脉冲的占空比，提高蓄电池的充电效率，当蓄电池达到充电充满时的电压后，控制MOSFET断开，停止给蓄电池充电，防止蓄电池过充。电路中通过Pt100监测当前温度，实现温度补偿功能。

蓄电池放电时，通过电压比较器判断蓄电池电压是否高于放电终止电压，若低于则MOSFET断开，蓄电池不向外放电，若高于则MOSFET导通，通过串联在负载的小电阻与差动放大电路测量蓄电池放电电流，将该电流与设定值相比较，若高于则单片机控制NM3断开，若低于则控制NM3导通允许蓄电池放电。防止蓄电池大电流放电和过度放电。

致谢

经过两个星期的课程设计，我学到了很多知识。以前大多数学习只是纸上谈兵，但正如陆游的诗中所说：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，这次通过实践，让我学到了很多东西，把书本知识运用到实际中。智能型光伏控制器的设计很复杂，每一个小的部分都要有很多细致的考虑。电压检测，电流检测，温度补偿，功率驱动，它都需要对整个系统精确的计算和了解才能够更好的工作。

通过这两周的课程设计，我又重新学习了很多从前学过的知识，比如差分放大，mos管的导通条件，单片机程序设计等等。很多东西不会就上网资料，引脚图，器件功能等。总之我有了很大的收获，学到了课上学不到的东西，也让我了解到所学知识都是有用的。

能够顺利完成课程设计任务，离不开老师的指导和同学的帮助，在此特别感谢张春富老师的悉心指导，感谢同组的郭泽斌和于飞扬同学的帮助！

参考文献

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