发布时间 : 星期日 文章张吉荣毕业设计论文（2kw风光互补发电系统设计光伏发电部分）更新完毕开始阅读
兰州交通大学毕业设计（论文）
4 蓄电池充电控制器的设计
在整体方案的指导下，依据工程设计的常见思路，本论文从硬件电路设计和软件设计两个方面入手，运用模块化的设计方法去进行控制器的设计。
硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统、充放电电路、光耦驱动电路、A/D转换电路、LCD显示电路、E2PROM数据存储电路、串口通信电路等。下面先从系统层次原理图入手，对系统原理进行详细的分析，然后再对具体电路地进行一一介绍。
4.1 系统层次原理图
系统层次原理图如图4-1所示，电路设计以STC89C52单片机作为主控芯片构成控制电路模块对整个电路控制。首先采用并联分压方式对蓄电池电压采集后，送到AD模块中的A/D转换器进行转换得到一个数字信号的电压值，再将此信号送入到控制模块中单片机进行处理；然后在软件程序控制下，单片机输出控制信号送到充放电模块中，经光耦驱动电路来控制MOSFET。控制MOSFET管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM)，根据载荷变化来调制MOSFET管栅的偏置，达到实现开关功能。
图 4-1 系统原理图
最后通过通信模块实现数据的传送和保存。串口通信模块采用MAX232芯片进行TTL电平和RS-232电平之间的转换，加入串口的目的主要是使控制器具有远程通信或远程监控功能，同时方便将每天的异常状态数据记录下来，供工作人员查看。数据存储电路模块，使得当电压出现异常时，让蜂鸣器报警，同时把异常电压值通过I2C总线存放在E2PROM中，作为以后分析使用。
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4.2 单片机最小系统 4.2.1 STC89C52的简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用STC公司高密度非易失性高加密性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。在芯片内部，拥有很高频率8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。。
STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52具有低功耗设计，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。而且STC89C52的工作频率很宽，可以在0~35MHz之间选择，芯片具有超强抗干扰性，加密性强。
4.2.2 单片机的最小系统及扩展电路
单片机是系统的主控芯片，为了使整个电路得到很好的控制，首先必须构建最小系统是单片机可以工作起来。本设计单片机最小系统扩展电路包括上电复位电路，时钟电路，工作指示灯和蜂鸣器报警电路等。
（1）时钟电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入端和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz~12MHz之间选取。时钟电路如图4-2所示。电路中C6、C7是反馈电容，其值在5pF~30pF之间选取，本电路选用的电容为30pF，晶振频率为11.0952MHz。
图 4-2 时钟电路
图 4-3 复位电路
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（2）复位电路
复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
单片机的复位电路如图4-3所示。本系统采用的是上电+电平按钮复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按钮复位是当按钮按下后，电源通过电阻R14施加到复位端上，实现单片机复位。
复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。初步检查可用示波器探头监视RST引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出(瞬时的)，还可以通过改变复位电路电阻和电容值进行实验。
（3）工作状态指示灯电路
本设计可以时刻检测蓄电池电压，为了更好的进行监控，要对整个电路的工作状态进行指示，这是很有必要的。工作状态指示灯电路如图4-4所示。其中LED1为正常充电指示灯，LED2为过压指示灯，LED3为欠压指示灯。串联的电阻的目的是为了限制通过发光二极管的电流太大而将其烧毁。
图 4-4工作状态指示灯电路 （4）蜂鸣器报警电路
图 4-5 蜂鸣器报警电路
报警电路采用蜂鸣器来发出报警声音，由于STC89C52输出引脚的驱动能力较弱，所以蜂鸣器要加三极管进行驱动。
在对蓄电池电压实时监测的过程中，一旦发现检测电压值连续超出阈值范围，便启动自身报警电路，即当电压超过程序设定的最高值或最低值时，单片机的P2.6引脚(beep端)输出低电平，三极管随之导通，驱动蜂鸣器发出报警信号。蜂鸣器报警电路图如图4-5所示。
4.3 充放电电路
充放电电路如图4=6所示，电路由防反充二极管D1、滤波电容C4和C5、稳压管
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D2、续流二极管D3、MOSFET管Q1和Q2等构成。二极管D1是为了防止反充，当阴天或晚上蓄电池的电压高于太阳能电池板的电压时，D1就生效，可以防止蓄电池电流流向太阳能电池板。分析可知，通过控制MOSFET管闭合和断开的时间（即PWM—脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。所使用的MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，非常适合作控制充放电开关。设计中采用IRL2703- N沟道MOSFET管，N沟道MOSFET的导通电压Vth>0。当光耦U2断开时，由于Q1的G极电压接近蓄电池电压，S极是接地，使得Vgs>0，当G极电压达到一定值时，Q1导通。电容C4是太阳能电池板输出电压滤波，使得更稳定地给蓄电池充电。电容C5是对蓄电池输出电压进行滤波，以保证负载供电电路的稳定性。图中稳压管D2用来对蓄电池进行稳压作用。当用户将蓄电池反接至控制器时，续流二极管D3可以进行续流，从而保护控制器不被毁坏。
图 4-6 充放电电路
按程序设计当检测到蓄电池的电压低于12V，充电模式为均充，Q1为完全导通状态，也就是导通的脉冲占空比最大；当检测到蓄电池的电压在12V-14.5V，充电模式为浮充，Q1导通与不导通的占空比例变小，；当检测到蓄电池的电压等于15V左右，Q1截止使充电停止，同时Q2也关闭来关断负载。当检测到蓄电池的电压低于10.8V，Q2关闭停止放电，关断负载来实现欠压关断。
4.4光耦驱动电路
为了增加系统的可靠性，本设计用光电耦合器实现单片机控制电路和充放电电路的隔离。光耦驱动电路如图4-7所示。M0S管Q1控制着充电电路，当充电控制信号PWM为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，右侧三极管不导通，输出端两管脚间的电阻很大，相当于开关“断开”，输出端K1被抬高，电阻R9右侧被稳压管D2稳压到12V左右，MOSEFT的Vgs>0，MOS管Q1开启，太阳能极板开始对蓄电池充电；当充电控制器信号为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，三极管导通，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U2输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零，MOSEFT的Vgs<0，Q1截止，充电电路关断。这就是充电电路原
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