本科毕业设计(论文)
题目 太阳能充电器电路设计
学院名称 理学院
专业班级 电子信息科学与技术 信息10-1班
学生姓名 李杰
导师姓名 孙吉红
二○一四 年 六 月 一 日
太阳能充电器电路设计
作 者 姓 名
专 业
指导教师姓名
专业技术职务 李杰 电子信息科学与技术 孙吉红 副教授
齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下独
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毕业设计（论文）作者签名： 李杰 2014 年 6 月 2 日
齐鲁工业大学关于毕业设计（论文）使用授权的说明
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等复制手段保存本设计（论文）。
指导教师签名： 孙吉红 毕业设计（论文）作者签名： 李杰 2014 年 6 月 2 日 2014 年 6 月 2 日
目 录
摘要 ............................................................................................................................ III ABSTRACT .................................................................................................................. IV
第1章 绪论 .................................................................................................. 1
1.1课题背景 ............................................................................................................. 1
1.1.1能源危机及环境污染问题 ....................................................................... 1
1.1.2太阳能的开发和利用 ................................................................................. 2
1.1.3我国太阳能的资源状况 ............................................................................ 3
1.2国内外光伏发电产业现状与市场需求 ..................................................... 3
1.2.1国内外光伏发电产业现状 ....................................................................... 3
1.2.2光伏发电市场需求 ..................................................................................... 4
1.3光伏系统的工作原理与组成 ....................................................................... 5
1.3.1光伏系统的工作原理 ................................................................................. 5
1.3.2光伏系统的组成 .......................................................................................... 5
1.4 本章小结 ............................................................................................................ 6
第二章 太阳能电池和单片机 ............................................................... 6
2.1 太阳能电池 ....................................................................................................... 6
2.1.1 太阳能电池原理、分类和保护 ............................................................. 6
2.1.2 太阳能电池的等效电路 ........................................................................... 8
2.1.3 太阳能电池板的输出特性 ...................................................................... 9
2.2 单片机介绍 ..................................................................................................... 11
2.2.2单片机硬件特性 ........................................................................................ 12
2.2.3单片机基本结构 ........................................................................................ 12
2.3本章小结 ........................................................................................................... 14
第三章 方案选择及单元电路的设计 .............................................. 14
3.1 方案选择及方框图 ....................................................................................... 14
3.1.1 方案选择 ..................................................................................................... 14
3.1.2 方框图 .......................................................................................................... 14
3.2 太阳能充电器电路原理 .............................................................................. 15
3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类 ............................... 15
3.3单片机电路介绍 ............................................................................................. 15
3.3.1 STC12C5408AD单片机 ............................................................................ 15
3.3.2设计思路 ...................................................................................................... 20
3.4锂蓄电池的充电特性 ................................................................................... 22
3.4.1 控制器充放电电路 .................................................................................. 23
3.4.2 液晶显示电路 ............................................................................................ 26
3.4.3 报警电路设计 ............................................................................................ 29
3.4.4 PADS简介 .................................................................................................... 30
3.5 本章小结 .......................................................................................................... 33
第四章 锂蓄电池电压电流的检测和技术研究 ............................ 33
4.1锂蓄电池电压的检测 ................................................................................... 33
4.2蓄电池电压检测电路设计 .......................................................................... 33
4.3本章小结 ........................................................................................................... 34 结 论 ........................................................................................................................ 35 参考文献 ................................................................................................................... 36 致 谢 ........................................................................................................................ 37
摘 要
化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。
太阳能发电的历史可以追朔到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起伏安特性改变。最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。其后，对硒，氧化铜等半导体材料进行研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的光伏效应。
本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路变换为稳定直流电充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。
关键词：太阳能 电池 单片机 充电器
ABSTRACT
Fossil energy drying up, people's attention to the problem of environmental protection degree are also constantly improve, look for clean alternative energy issues become more and more urgent. Solar energy as a renewable energy it has abundant, an inexhaustible, clean and safe characteristics and therefore has a broad application prospect, photovoltaic power generation technology is also more and more get the attention of people, with the price of photovoltaic modules and the decrease of the development of photovoltaic technology, solar photovoltaic power generation system will be gradually by the additional energy to make the transition to alternative energy now.
Solar power's history can be dated back to 1800, Berkeley's discovery of a semiconductor material after irradiation light, to cause volt-ampere characteristics change. In the end, found the photovoltaic effect, which made from semiconductor photovoltaic cells. Thereafter, selenium, copper oxide semiconductor materials such as research, also found that the photovoltaic effect, also made a similar photovoltaic effect.
This course is designed to introduce a kind of solar charger, using single-chip microcomputer control, the solar energy through to stabilize the dc charging circuit transformation, after completion of the battery and can automatically stop charging, can also be used as a general dc power supply, so as to get rid of the dependence on the grid for the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has obvious advantages.
Key words: solar energy; batteri chip; microcomputer; Battery charger
第1章 绪论
1.1课题背景
能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对生态环境的污染破坏。大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨,而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。
虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。所谓“光伏发电”是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。光伏发电具有取之不尽且无污染等优点。日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。光伏发电具有节能性、经济性和实用性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。光伏电源控制器通常由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。
1.1.1能源危机及环境污染问题
十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模地开采矿产，砍伐森林，开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。
随着科学技术日新月异地飞速发展，对能源的需求也在不断增长。自70年代的世界石油危机后，人们才真正意识到，供应常规电力所用的石化燃料的储量是有限的。能源危机迫在眉睫[1]，根据对石油储量的综合估算[2]，可支配的传统能源从全球来看，已探明的石油储量只能用到2040年，天然气也只能延续 50-60 年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能够维持二三百年。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样不能解决世界电力的长期稳定供应问题。因此，如不尽早设法解决常规能源的替
代能源，人类迟早将面临燃料枯竭的危险局面。
环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点[3]。当前，由于燃烧石化燃料，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失破坏了臭氧层，加剧了温室效应，局部地区形成酸雨，使大气环境严重污染。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。如不采取积极措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。因此，无论是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不竭而又没有公害的新能源已是势在必行。
1.1.2太阳能的开发和利用
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，传统能源(如煤、石油、天然气等)的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。在未来的一段时间内，可再生能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。 其中，可再生能源主要有以下几个方面：
（1）太阳能：据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍；
（2）氢能源：利用自然界大量存在的水，由电解水产生氢，或者由太阳能光催化水分解氢；
（3）风力发电、小水电与潮汐发电：可提供可观的电力；
（4）生物能：包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等。这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的；
（5）核能：与传统能源的发电厂相比，核能的利用率较高，对环境的污染小，
并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本，而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。
其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一[4]。因为它具有以下的特点：
（1）存储量巨大：太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75x1026W，是极其巨大的。其中到达地球的能量高达
1.73x1014Kw，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1x1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7x1013W，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。
（2）取之不尽，不需要开采和运输。
（3）清洁无污染，无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。
1.1.3我国太阳能的资源状况
我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总而积达960万km在我国广阔富饶土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量：3340-8400MJ/（m2.a），中值为5852MJ/（m2.a）。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带的年太阳辐射总量都在8000MJ/m2以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。尤其以青藏高原地区最高，达6000-8000MJ/m2。从全世界来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2.天以上，西藏最高达 7kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。特别是以上地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳能发电技术，节约能源，发展经济，提高人民生活水平。 1.2国内外光伏发电产业现状与市场需求
1.2.1国内外光伏发电产业现状
（1）国外现状
由于前5年发达国家光伏补助相当多，国外光伏发电迅猛，为了调节（降低）光伏发电装机，从今年开始德国、英国、美国等发达国家正在降低光伏发电的补助，因此这些国家的光伏装机明显下降。国外趋势：光伏发电补助会继续下降，使市场自动调节，当光伏组件价格降低到一定阶段时，达到商业发电的经济指标，光伏发电规模会增加。
（2）国内现状
我国的太阳能应用起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970 年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在80年代中期建立起来。80年代中期，我国光伏电池组件总生产能力达到4.5MW，光伏产业初步形成。经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。至 90年代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了17KW和7KW的光伏发电屋顶系统。1999年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室，但在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，2003年10月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2005年全国光伏发电系统总装机容量达到300MW。至2003年底，我国光伏产业总的生产能力达到38MW，太阳能电池/组件的实际生产量达到13MW。在市场方面，截至2003 年底我国光伏系统累计装机容量达到45MW。2004年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达1兆瓦，年发电能力约为100万千瓦时；2008 年北京奥运会，国家计划太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现；2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》4自2006年1月1日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用[5,6]。
我国光伏产业在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。
1.2.2光伏发电市场需求
近2年来，太阳能光伏发电受到各国的高度重视。世界光伏发电产业发展迅速，一直保持着加速发展的势头。近10年太阳电池组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
2010年11月23日，国际咨询公司Frost&Sullivan发表研究报告认为，未来一段时间光伏材料市场将快速增长，预计在2012年，光伏材料的市场总价值将达到32.5亿美元，年增长率将达到43.6%，为近几年内最高。同时，国内数
家券商发布研究报告认为，2010年下半年起光伏产业从上游多晶硅到下游组件普遍进入大规模扩产周期，将带来对各种上游设备、中间材料需求的提升，其中包括晶硅生产中所需的铸锭炉以及晶硅切割过程中的耗材，刃料和切割液等。
我国当前最大的光电市场仍然是通信领域，包括微波中断站、卫星通信地面站、卫星电视接收差转系统、程控电话交换机、部队通讯台站等，目前的市场占有率在50%左右。通过“九五”期间的努力，以及各种各样国内、国际合作项目的示范和推动，使偏僻边远地区供电的光伏发电应用领域得到了进一步扩大。包括独立光伏电站和户用光伏电源系统在内，其市场占有率已由以前的约20%上升到30%以上。“九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站400余座，装机总容量600kW左右，推广应用家用光伏电源系统约15万套，并在约80所农村学校建立了总功率100kW左右的光伏发电系统。
1.3光伏系统的工作原理与组成
1.3.1光伏系统的工作原理
白天，在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充电器控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电流，通过逆变器的作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用[7]。
1.3.2光伏系统的组成
光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成，其各部分设备的作用如下。
（1）太阳能电池方阵
在有光照（无论是太阳光，还是其他发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光电效应”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换为电能，是能量转换的条件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
（2）蓄电池组
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池的基本要求是：
1）自放电率低；
2）使用寿命长；
3）深放电效率高；
4）充电效率高；
5）少维护或免维护；
6）工作温度范围宽；
7）价格低廉。
目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池是铅酸蓄电池和铬镍蓄电池等。配套200A·h以上的铅酸蓄电池，一般选用固定或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为2V（DC）；配套200A·h以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为12V（DC）。
（3）充放电控制器
是能自动防止蓄电池过冲和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电控制器是必不可少的设备。
（4）逆变器
是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方形逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：过载保护；短路保护；接反保护；欠压保护；过压保护；过热保护。
（5）交流配电柜
其在电站系统中的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还可对线路电能进行计量[8]。
1.4 本章小结
本章主要介绍太阳能充电器电路设计的课题背景能源危机及环境污染问题，太阳能的开发和利用，以及我国太阳能的资源状况。通过分析国内外光伏发电产业现状和市场需求分析，了解光伏发电未来产业前景。
第二章 太阳能电池和单片机
2.1 太阳能电池
2.1.1 太阳能电池原理、分类和保护
（1）太阳能电池原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一
些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子--空穴对。这样，光能就以产生电子--空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体 、P-N 结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。
（2）太阳能电池的种类
太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。太阳能电池单体工作电压为0.45-0.50伏，一般不能单独作为电源使用。将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵。它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。单晶硅太阳能电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高，最高的达到24%。目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因
此得到大量发展。
（3）太阳能电池的保护
光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件(俗称太阳能板)的保护。这种保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。机械化学方面的保护是指在封装及安装太阳能板的时候要考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力电方面的太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量。被屏蔽的太阳能电池组件将发热，这叫热斑效应。为了防止太阳能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，其作用是避免由于太阳能板在阴雨天和夜间不发电时，或太阳能板出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能板放电。防反充二极管串联在太阳能板中起单向导电作用。
2.1.2 太阳能电池的等效电路
太阳能电池是一种典型的非线性元件，为了描述电池的工作状态可将电池用一等效电路来描述，电路如图2-1所示。
图 2-1 太阳能电池等效电路
图中，太阳能电池等效电路由4个部分组成：电池的光电流Isc，P-N 结的非线性电阻Rj，串联电阻RS，和旁漏电阻Rsh，R是电池外的负载电阻。Rs主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起。理想的太阳能电池，RS很小，Rsh很大[11]。由于RS，Rsh分别串联与并联在电路中，进行理想计算时，可以忽略不计。当光照恒定时，由于光生电流Isc不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上，产生一股与光生电流方向相反的电流ID。
电池的光电流Isc是当RL=0Ω时，所测的电池两端的短路电流。Isc的值与太阳能电池的面积大小有关。面积越大，Isc值越大。此外对于同一块太阳能电池，Isc值还与入射光的辐射度有关。一般来说，短路电流Isc值随照射到硅太阳能板上的光强的增加而成正比例的增加。当温度升高时，Isc值略有上升。
当RL趋于无穷大时，测得的太阳能电池两端的电压为电池的开路电压VOC。太阳能电池的开路电压与光谱照度有关，当入射光辐射照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。
2.1.3 太阳能电池板的输出特性
受到光照、电池阵列结温及负载的影响，太阳能电池输出电压和电流也随之发生改变[11]。一定光照强度下，太阳能电池的输出电流I与电池端电压V的关系I-V 特性曲线如图2-2所示。
图 2-2 太阳能电池的I-V特性关系曲线
曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电 流和工作电压。工作电流和工作电压之乘积：P=IV 即为电池的输出功率。由此可绘出P-V特性曲线如图2-3，在P-V特性曲线上最大功率点即电压和电流的最佳汇合点Pm。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Im，Um，从而求出最大输出功率：P=Im*Vm。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。
图 2-3 太阳能电池的P-V特性曲线
从图2-3可见，Im和Vm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-V特性曲线是理想的矩形，那么Im和Vm乘积就等于ISC和UOC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。它表示最大输出功率的值占以UOC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子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。图 2-4、图 2-5 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-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-4可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说Isc 强烈地控制着I的大小。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2-5中虚线与各实线的交点所示。
图 2-4 不同日照下的I-V关系曲线图 图 2-5 不同日照下P-V曲线图
图 2-6，图 2-7 分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V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2-7各实线的波峰的幅值变化。
图 2-6 不同温度下的I-V特性曲线 图2-7不同温度下的 P-V 特性曲线
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(MPP，Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。
2.2 单片机介绍
2.2.1单片机原理
单机片是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言(近几年，C语言也开始广泛被应用)，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
目前最常用的单片机为MCS-51，是由美国INTEL公司（生产CPU的英特尔）生产的，89C51是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的，其内核兼容MCS-51单片机。
2.2.2单片机硬件特性
（1）主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2个16位定时计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP； （2）系统结构简单，使用方便，实现模块化；
（3）单片机可靠性高，可工作到10^6 -10^7小时无故障；
（4）处理功能强，速度快；
（5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品；
（6）控制功能强；
（7）环境适应能力强。
2.2.3单片机基本结构
（1）运算器 运算器由运算部件-算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。
例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。
运算器有两个功能：
1) 执行各种算术运算；
2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较；
3) 运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个
算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。
（2）控制器
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：
1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；
2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动
作；
3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通
过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。
（3）主要寄存器
1) 累加器A；
2) 累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时
3) 它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、
差或逻辑运算结果；
4) 数据寄存器DR；
5) 数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取
6) （读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在
送往存储器中存储的一个数据字节等等；
7) 指令寄存器IR和指令译码器ID；
8) 指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指
令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入；
9) 程序计数器PC；
10) PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常
又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的
地址；
11) 地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于
内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。
显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。
2.3本章小结
通过了解太阳能电池原理、分类和保护。了解了太阳能电池分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。还了解了太阳能的等效电路和机的硬件结构和单片机的基本结构。
第三章 方案选择及单元电路的设计
3.1 方案选择及方框图
3.1.1 方案选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。更好的保护了锂电池。延长整个太阳能系统的使用年限。
3.1.2 方框图
太阳能充放电控制器的电路框图3-1所示。太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。
图3-1太阳能充放电控制器的电路框图
3.2 太阳能充电器电路原理
3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类
（1）太阳能电池材料分类
为了有效利用太阳能，首先必须找到制作太阳能电池的材料。制作太阳能电池的材料是近年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池的材料主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机混合太阳能电池五大类。其中硅系太阳能电池是目前发展最快、最成熟的太阳能电池，在应用中居主导地位[9]。
（2）太阳能电池组件的概述
具有封装及内部连接的、能单独提供直流输出的、不可分割的最小太阳能电池组合装置，叫做太阳能电池组件或叫做太阳能电池板。太阳能电池方阵是由许多单个太阳能电池组件（也叫单体太阳能电池）通过串联或是并联或同时串并联组成。而单体太阳能电池（太阳能电池组件）又是由许多一片一片的硅晶体片通过一定的安装结构形式组合的。这是因为一个电池片所能提供的电流和电压（仅0.48V左右）毕竟有限，单个电池片输出功率最多也只有3-4W，根本无法应用。于是人们将很多电池片（通常是36个）串联起来，形成了太阳能光电板，又称单个太阳能组件使用。目前市场上层压组件最大规格有220W，最小的有5W。
之所以通过专用材料和专门生产工艺对电池片进行封装后形成组件才能用，是因为单个太阳能电池片薄（厚度只有200微米左右）。易碎；此外。硅太阳能电池片若直接暴露在大气中，易受到大气尤其是潮湿空气的腐蚀；灰尘、冰雹、风沙等也都会落在电池的表面，导致电池转换率下降，电池的电极也会氧化、锈蚀脱落甚至会导致电池失效。
（3）太阳能电池组件的分类
太阳能电池组件分为钢化玻璃层压电池组件、环氧树脂胶封板太阳能电池组件、透明PET层压板光伏组件、建材型太阳能电池组件、建材一体型太阳能电池组件、新建材一体型电池组件[10]。
3.3单片机电路介绍
3.3.1 STC12C5408AD单片机
STC12C5410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/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路。其主要性能特点如下：
（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU；
（2）工作电压：5.5V‐3.4V（5V单片机）/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，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；
（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：
5.65MHz-5.95MHz精度不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是5MHz-6.5MHz；
（12）共2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）通用异步串行口（UART）；
（16）SPI同步通信口，主模式/从模式
（17）工作温度范围：0‐75℃/-40‐+85℃；
（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（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。
STC12系列单片机的典型结构STC 12系列单片机是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash单片机，它的16级中断、高效寻址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合，因此具有很好的性价比和应用适应性。
STC12系列有6种型号:分别是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC 12C5406AD、STC 12C5404AD、和STC 12C5402AD。它们区别在于Flash的容量大小，本设计所用到的STC12C5412AD的Flash容量为10K。该单片机的管脚
结构如图3-2所示。
图3-2 STC12C5408DA管脚
STC12C5408DA管脚说明如图3-3所示。
图3-3管脚说明图
基本配置：
STC12C5412AD单片机除了具有STC12系列单片机共有特点外，还具有一些自身特点，对其一些基本配置做以介绍:
（1）Flash存储器
STC12C5412AD Flash存储器为l 0KB。Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序;程序运行时能对其中的1段或多段进行擦/写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash可用于程序数据保存，实现掉电保护，Flash存储器可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1"，写入位为“0”。
（2）脉宽调节模式(PWM)
所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL,CCAPnL}有关。当CL SFR的值小于{EPCnL, CCAPnL}时，输出为低，当PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnL, CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH, CCAPnH}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。
（3）I/O口工作类型设置
STC12C5412AD带有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。4种类型分别为:准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。四种类型说明如下：
1）准双向口输出配置
准双向口输出类型可用作输出和输入功能而不需重新配置口线输出状态。这是因为当口线输出为1时驱动能力很弱，允许外部装置将其拉低。当引脚输出为低时，它的驱动能力很强，刚一吸收相当大的电流。准双向口有3个上拉晶体管适应不同的需要。
在3个上拉晶体管中，有1个上拉晶体管称为“弱上拉”，当口线寄存器为1且引脚本身也为1时打开。此上拉提供基本驱动电流使准双向口输出为1。如果一个引脚输出为1而由外部装置下拉到低时，弱上拉关闭而“极弱上拉”维持开状态，为了把这个引脚强拉为低，外部装置必须有足够的灌电流能力使引脚上的电压降到门槛电压以下。
第2个上拉晶体管，称为“极弱上拉”，当口线锁存为1时打开。当引脚悬空时，这个极弱的上拉源产生很弱的上拉电流将引脚上拉为高电平。
第3个上拉晶体管称为“强上拉”。当口线锁存器跳变到1时，这个上拉用来加快准双向口由逻辑4到逻辑1转换。当发生这种情况时，强上拉打开约2个
机器周期以使引脚能够迅速地上拉到高电平。
2）推挽输出配置
推挽输出配置的下拉结构与开漏输出以及准双向口的下拉结构相同，但当锁存器为1时提供持续的强上拉。推挽模式一般用于需要更大驱动电流的情况。
3）仅为输入(高阻)配置
仅为输入时，不提供吸入20mA电流的能力。
4）开漏输出配置
当口线锁存器为0时，开漏输出关闭所有上拉晶体管。当作为一个逻辑输出时，这种配置方式必须有外部上拉，一般通过电阻外接到。这种方式的下拉与准双向口相同。开漏端口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。
（4）AD模数转换寄存器
STC12C5412AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是12位精度的A/D，速度均可达到100KHz。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的运用，节省了软件及时间。
（5）有配套的仿真开发工具
STC12C5412AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内己集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于并口的仿真器。仿真器与STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。
3.3.2设计思路
（1）单片机最小系统介绍
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
1）电源模块
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。如图3-4所示。
图3-4电源供电模块
2）复位电路
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。如图3-5所示。
图3-5 RC电路
3）震荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。如图3-6所示。
图3-6震荡电路
单片机最小系统整体电路图如图3-7所示。
单片机最小系统整体电路图3-7
本文设计了一种基于单片机的太阳能控制器。采用PWM 脉冲调制控制保护技术。充放电控制器是太阳能充电器的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省去硬件补偿的费用，降低了成本。由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定有效地运行。为了保护电路本产品还利用二极管和蜂鸣器设计了报警电路。如果用户把充电池接反了电路会实现自动报警来提醒用户。
3.4锂蓄电池的充电特性
锂蓄电池选用锂离子电池。锂电池具有重量轻容量大无记忆效应等优点，因而得到普遍应用。锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍
氢电池的1.5-2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂电池似乎没有记忆效应以及不含有毒物质等优点。但是对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。影响蓄电池寿命的因素有:放电深度，过充电程度等。在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。在天气晴朗的夏日，蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。过充电程度也随季节天气变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。为了延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。当蓄电池放电到一定程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。
锂蓄电池的充电曲线如图3-8所示。
浮充电压
1.75A
1.5A
1.25A最大充电电流16V
15V
1A
0.75A
0.5A
0.25A
预充电流预充到快充过渡电压
电压电流13V14V
图3-8 锂蓄电池充电曲线
锂蓄电池的充电过程：
1）如果开始充电时，电池电量很低，那么必须用小电流（大概0.24A）开始充电，即涓流充电。如果电压高于5V就不必进行这个步骤。
2）当电池电压大于5V可以开始大电流充电，恒流充电。随着充电的进行，电池电压逐渐升高。
3）当电池电压达到或接近充满电压（如5V左右）时，则要开始转入恒压充电：当电流减少到大概0.25A左右，则停止充电。
3.4.1 控制器充放电电路
（1）充放电电路图如图3-9所示。
图3-9 控制器充放电电路图
单片机的PWM控制充、放电驱动Q1和Q2。当蓄电池电压处于正常情况下，单片机控制的充电驱动三极管管Q1（2N5551）为高电平导通，三极管Q1导通，此时太阳能电板向蓄电池恒流充电；当蓄电池电压达到5V时，单片机控制充电驱动Q1为低电平时， Q1截止，通过控制占空比，使Q1实现通断控制，此时处于恒压浮充状态；当电流下降到某值时，进行恒流充电；但蓄电池电压达到设定的过充点5V时，再进行恒压涓流充电；涓流小到某一值，单片机控制的充电驱动Q1进行短路保护；当蓄电池电压下降到某设定值时，Q1重新导通，恢复为正常充电状态。
（2）关于单片机PWM的介绍
1)PWM控制的基本原理
理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如图3-10所示。
图3-10 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。如图3-11所示。
图3-11 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，如图3-12所示。
图3-12 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。 PWM波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等
效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
3.4.2 液晶显示电路
（1）液晶显示器的相关介绍
液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器。液晶是介于固态和液态间的有机化合物。将其加热会变成透明液态，冷却后会变成结晶的混浊固态。在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而影响通过其的光线变化，这种光线的变化通过偏光片的作用可以表现为明暗的变化。就这样，人们通过对电场的控制最终控制了光线的明暗变化，从而达到显示图像的目的。
根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器分为：窄视角的TN-LCD，STN-LCD，DSTN-LCD；宽视角的IPS，VA，FFS等。
其中TN-LCD，STN-LCD和DSTN-LCD三种显示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。
TN：扭曲向列型（Twisted Nematic）液晶分子扭曲角度为90度。
STN：超扭曲向列型（Super TN）其S即为Super之意，也就是液晶分子的扭转角度加大，呈180度或270度，如此而达到更优越的显示效果(因对比度加大)。
DSTN：双层超扭曲向列型（Double layer STN）。其D为double layer双层之意，因此又比STN更优异些。由于DSTN的显示面板结构已较TN与STN复杂，显示画质较之更为细腻。
宽视角模式，如IPS平面转换（In-Plane Switching），VA垂直取向（Vertical Alignment)。
TN型是目前市场上最主流的液晶显示器采用的模式，广泛应用于入门级和中端的面板。目前常见的在性能指标上并不出彩可视角度有天然痼疾。市场上看到的TN面板都是改良型的TN+film，film即补偿膜，用于弥补TN面板可视角度的不足，要说TN面板胜过前面两种面板的地方，就是由于他的输出灰阶级数较多，液晶分子偏转速度快，致使它的响应时间容易提高，目前市场上8ms以下液晶产品均采用的是TN面板。总的来说TN面板是优势和劣势都很明显的产品，价格便宜，响应时间能满足游戏要求使它的优势所在，可视角度不理想和色彩表现不真实又是明显的劣势。
STN型的显示原理与TN相类似。不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180～270度。
DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显示目的。DSTN是由超扭曲向列型显示器(STN)发展而来的。由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。
宽视角模式多用于液晶电视。以IPS为例，它是日立于2001推出的面板技术，它也被俗称为“Super TFT”。从技术角度看，传统LCD显示器的液晶分子一般都在垂直-平行状态间切换，MVA和PVA将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式，而IPS技术与上述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，只是在加电/常规状态下分子的旋转方向有所不同——注意，MVA、PVA液晶分子的旋转属于空间旋转（Z轴），而IPS液晶分子的旋转则属于平面内的旋转（X-Y轴）。为了配合这种结构，IPS要求对电极进行改良，电极做到了同侧，形成平面电场。这样的设计带来的问题是双重的，一方面可视角度问题得到了解决，另一方面由于边际电场效应导致液晶光效低(光线透过率），所以IPS也有响应时间较慢的缺点。16.7M色、178度可视角度和16ms响应时间代表现在IPS液晶显示器的最高水平。
从液晶面板的驱动方式来分，目前最常见的是TFT（Thin Film Transistor）型驱动。它通过有源开关的方式来实现对各个像素的独立精确控制，因此相比之前的无源驱动（俗称伪彩）可以实现更精细的显示效果。
因此，目前大多数的液晶显示器、液晶电视及部分手机均采用TFT驱动。液晶显示器多用窄视角的TN模式，液晶电视多用宽视角的IPS等模式。它们通称为TFT-LCD。
TFT-LCD的构成主要由萤光管(或者LED Light Bar）、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先，液晶显示器必须先利用背光源投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液
晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶中传播的光线的偏振角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。
液晶显示器的工作原理和液晶显示器的物理特性下面简单介绍一下。
液晶显示器的工作原理：液晶是这样一种有机化合物, 在常温条件下，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，因而称为“液晶”.在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下，其分子容易发生再排列，使液晶的各种光学性质随之发生变化，液晶这种各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场的控制.正是利用这一液晶的物理基础,即液晶的“电－光效应”,实现光被电信号调制，从而制成液晶显示器件.在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。
液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。
下面介绍一下液晶显示器1602，1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：VSS为电源地；
第2脚：VDD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；
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端；
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
液晶显示电路如图3-13所示。
图3-13液晶显示电路
3.4.3 报警电路设计
为了能使有效地保护电路.本产品还设计了蓄电池反接报警电路.主要利用到二极管的单向导电特性来实现.该设计还有一个功能就是当用户把电充满的时候他也会实现自动报警来提醒用户电已充满.请用户注意。具体电路如图3-14所示。
图3-14报警电路图
下面是报警电图按键指示电路及实现。
在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键 盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O 口上，独立按键则通过判 断按键端口的电位即可识别按键操作； 而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识 别。通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们 按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马
上稳定地 接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为 5ms-20ms； 按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决 定的，一般为零点几秒至数秒不等。 在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，图3为本设计的按键接线图3-15所示。
图3-15按键接线图
对电路总体考虑后，将 ADC0809 采集电路接在了单片机的 P0 口，并用 P2 口做采集控制，这样 P0 口仅用接收数据，不用发送数据，有 P0 口的硬件构成知 道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬 件开支，而 P3 口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在 P1 口，其中 P1.0 是数字减键，P1.1 为数字加键，P1.2 键位确定键，P1.3 为过电流保护指示 灯，P1.4、P1.5 为输出功能选择键，按下 P1.4 代表给手机电池充电，按下 P1.5 则做普通直流电源使用，其中 5V 输出可直接用 USB 连接线给手机充电，电池 充电控制则有手机提供。
3.4.4 PADS简介
PADS Logic是一个功能强大的、多页的原理图设计输入工具，为PADS Layou（原PADS Layout（PowerPCB））提供了一个高效的、简单的、前端设计环境。
PADS Logic提供了在没页进行快速的存取、在线元件编辑和方便的库管理，以及快速的帮助向导。与PADS Layout完全的集成提高了原理图设计到PCB设计的转化效率，PADS Logic允许您快速地识别相应的元件和放置和精确度。
1.印制线路板的设计
（1）印制线路板的条件
1) 具备电路原理图；
2) 已知印制线路板板面需要容纳的电路以及该电路内各种元器件的型号，规则及尺寸；
3) 明确各元器件和导线对印制板板面安排的特殊要求；
4) 确定印制线路板在总体布局中的位置及其连接形式以及对印制线路板板面的尺寸限制或是要求等；
（2）元件布局：
1) 就一般情况而言，元件布局应从以下几个方面考虑：
2) 面上的元件应按原理图顺序成直线排列，并力求安排紧凑，密集，以缩短引线。这对高频和宽带电路更为必要。
3) 能采用单面板的尽可能使用单面板，即元件尽可能布设在印制板不焊接的一面，以便加工和安装。
4) 对双面板或是多面板，元件放置的位置应与相邻印制导线交叉，特别是电感器件，以防止电磁干扰。
5) 元件表面温度超过125摄氏度时，不应与基板接触。防止热量通过传导，对流及辐射等而影响其他元件，并注意加用散热器和远离热敏元件。
6) 圆形元件不易跨在金属化通信孔上，以利于焊接时孔内热空气的流通。
7) 变压器或是类似的大电感器件，应定向放置或用屏蔽罩，以减少对临近元件的干扰。
8) 在保证电性能合理的原则下，元件应相互平行或是垂直排列，以求整齐，美观。一般不宜将元件重叠布置，如必须重叠跨接时，应考虑加固措施。
2.布线
布线是实施印制板线路设计的最后阶段，为了使设计者设计出质量好，造价低，加工周期短的印制板，特别提出下列原则和要求，供大家参考。
（1）布线原则
1) 一般应将公共地布置在最边缘，便于印制板安装在机壳上，也便于与机壳连接。
2) 单面板印制板上的导线不能交叉，因此迫使导线绕道或是平行布设平行线越长，不仅会使引线电感增大，而且导线之间，电路之间的寄生耦合也会增大。
3) 对外连接宜采用接插形式的印制板，为便于安装，往往将输入，输出，
反馈电线和地线均匀的平行排列为插头。
4) 印制板上每级电路的地线，在许多情况下应自成封闭回路，这样会减小级间的低电流耦合。
5) 印制导线需要屏蔽，但要求不高时，可采用印制屏蔽线，屏蔽网等屏蔽措施。
(2)布线要求
1) 印制导线可以布置成单面，双面或是多面，但应首选单面，其次是双面。仍然不能满足的时候再考虑多层。
2) 作为电路的输入和输出两端用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生电流反馈，在这些导线之间最好加接地线。
3) 在布线密度比较低时，可加粗导线，信号线的检举可适当加大。
4) 印制导线的布局应尽可能短，特别是电子管的栅极，半导体管的基极和高频回路等更应这样。
5) 印制导线拐弯一般为圆形，而直角和尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气的性能。
3.PCB图
经过以上的方案选择及方框图设计，设计了控制器充放电电路、液晶显示器电路、报警电路设计。在制作PCB图的过程中，利用PADS Logic-原理图设计输入工具的辅助完成了PCB图的设计。其过程中，我的指导老师帮助我了很多。最终一块完美的PCB图展现在我的电脑显示器上。PCB图3-16所示。
图3-16 Pcb图
3.5 本章小结
本章主要是介绍课题的方案选择，确定课题方案后。仔细分析方案。整理出方案的方框图，并重点分析介绍系统中的每个重点模块。还学习了太阳能电池组件概述，分类，以及单片机的控制电路、液晶显示电路、报警电路设计、PADS相关知识。
第四章 锂蓄电池电压电流的检测和技术研究
4.1锂蓄电池电压的检测
STC12C5408AD单片机带有8路10位A／D转换器，转换器的输入电压范围为：0～5V，转换后相应的数字量范围：0～255。将蓄电池电压Vd的最高值定于5V，利用电阻分压的方式将其转换为0～5V。电路如图4-1所示。
图4-1锂蓄电池电压的检测图
Vi=R2/(R1+R2) ×Vd，取R2=10 KΩ，R1=10 KΩ，代入数值则由Vi=1/2Vd故蓄电池电压：Vd=Vi*2；A／D转换数字波动范围为±1LSB。故电压测量波动范围±0.1V。
4.2蓄电池电压检测电路设计
在独立的太阳能应用产品中,蓄电池是整个系统的重要组成部分,对蓄电池 的保护也至关重要,所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路,来检测蓄电池电压的大小,从而控制器有效地工作。为了保证准确性,整个控制器的基准
零电位点需用蓄电池的负极。蓄电池电压检测电路如图4.2所示。
图 4-2 蓄电池电压检测电路
单片价的PCI口可作ADC输入通道,故可以将采样结果送到PCI处。在很多需要模数转换的场合,为了提高AD的分辨率,往往都选择较小的电压作为基准源,特别是采样一些电压值较小的模拟信号,此时Atmega48内部的基准电压(l.Iv)无疑是最好的选择。本控制器的模数转换模块。“D)就是采用的Atmega48片内1.Iv的基准电压,蓄电池采样电路将采集到的信息送到刀D转换器,通过单片机的分析,判断当前电池的工作状态。这里采用IV的稳压管工作,将此处的电压限制在IV以下。 由于蓄电池白天的充电,晚上的放电,导致蓄电池的两端电压也是在变化的,所以为了准确的检测到任何时刻的蓄电池电压,采样处的电压需要小于IV,否则会被稳压管稳定在IV,这里电容CS的作用是滤波。系统通过对U电压大小的判断,可以实行控制器的充电控制,并可以判断出蓄电池是何种规格,即是12V还是24V蓄电池。判断的方法是若呱:十
4.3本章小结
本章主要简单介绍锂蓄电池电压的检测和蓄电池电压检测电路设计。
结 论
由于能源的日益紧张，引起人们对太阳能应用的热潮，由太阳能极板、充放电控制器、蓄电池等构成的产品都有了相对成熟的发展，国内外很多专家也在这方面做了深入的研究。本论文就太阳能充放电控制器对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的科学管理，并将其应用到太阳能家庭用电系统中。
论文的主要工作有：
（1）对锂蓄蓄电池的充、放电过程、影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素作了分析，确定了太阳能充电控制器的总体设计方案。
（2）完成了控制器的硬件设计、电路板的绘制，电路的焊接。实现控制器通过对单片机STC12C5408AD的PWM输出来控制开关MOS管的通断，从而控制充电放电。
（3）在硬件设计的基础上，对太阳能充电控制器进行了软件编程，实现对蓄电池的保护以及过载检测等。
（4）将充放电控制器应用于太阳能充电器系统，设计整个系统的总体方案。本论文在软硬件设计上仍有很多需要完善之处：
（5）在PCB板的元件布置和布线上要更加合理，以便减少干扰的引入。
（6）本论文所采用的软件编程思想，还需要进一步在实际的运行中验证其稳定性及可靠性。
（7）延长蓄电池寿命目前还没有一个最好的方式，如何进一步保护蓄电池，采用更优的控制方法需要更进一步的研究。
经过一周的努力.太阳能充电器几乎完成了，虽然还存在一些瑕疵，但是我相信以后不断地努力会有进步的。在这次的学习过程中与遇到了前所未有的困难，最后在老师和同学的帮助下还是解决了。在这里我非常感谢帮助我的老师和同学。
参考文献
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[5] 时理丽.我国和世界光伏发电技术、产业、市场发展情况比较[J].光伏技术专栏，2004
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[11]Stand Alone Photovoltaic System Design Principles[J]. Renewable Energy. 2002.2.
致 谢
本课题在选题及研究过程中得到孙吉红老师的悉心指导。老师们多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拔、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，对老师的感激之情是无法用语言来表达的。
通过这次实训设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。
从开始进入可提到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我再次感谢指导老师的关心和帮助以及在本次实训中帮助我的所有以前帮助过我的老师和同学，是你们的帮助和支持，让我完成了本次实训，祝你们身体健康万事如意！
本科毕业设计(论文)
题目 太阳能充电器电路设计
学院名称 理学院
专业班级 电子信息科学与技术 信息10-1班
学生姓名 李杰
导师姓名 孙吉红
二○一四 年 六 月 一 日
太阳能充电器电路设计
作 者 姓 名
专 业
指导教师姓名
专业技术职务 李杰 电子信息科学与技术 孙吉红 副教授
齐鲁工业大学本科毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下独
立研究、撰写的成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均
已在设计（论文）中加以说明，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或
集体已经发表或撰写的成果作品。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已
在文中作了明确说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。
毕业设计（论文）作者签名： 李杰 2014 年 6 月 2 日
齐鲁工业大学关于毕业设计（论文）使用授权的说明
本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用毕业设计（论文）的
规定，即：学校有权保留、送交设计（论文）的复印件，允许设计（论文）被查
阅和借阅，学校可以公布设计（论文）的全部或部分内容，可以采用影印、扫描
等复制手段保存本设计（论文）。
指导教师签名： 孙吉红 毕业设计（论文）作者签名： 李杰 2014 年 6 月 2 日 2014 年 6 月 2 日
目 录
摘要 ............................................................................................................................ III ABSTRACT .................................................................................................................. IV
第1章 绪论 .................................................................................................. 1
1.1课题背景 ............................................................................................................. 1
1.1.1能源危机及环境污染问题 ....................................................................... 1
1.1.2太阳能的开发和利用 ................................................................................. 2
1.1.3我国太阳能的资源状况 ............................................................................ 3
1.2国内外光伏发电产业现状与市场需求 ..................................................... 3
1.2.1国内外光伏发电产业现状 ....................................................................... 3
1.2.2光伏发电市场需求 ..................................................................................... 4
1.3光伏系统的工作原理与组成 ....................................................................... 5
1.3.1光伏系统的工作原理 ................................................................................. 5
1.3.2光伏系统的组成 .......................................................................................... 5
1.4 本章小结 ............................................................................................................ 6
第二章 太阳能电池和单片机 ............................................................... 6
2.1 太阳能电池 ....................................................................................................... 6
2.1.1 太阳能电池原理、分类和保护 ............................................................. 6
2.1.2 太阳能电池的等效电路 ........................................................................... 8
2.1.3 太阳能电池板的输出特性 ...................................................................... 9
2.2 单片机介绍 ..................................................................................................... 11
2.2.2单片机硬件特性 ........................................................................................ 12
2.2.3单片机基本结构 ........................................................................................ 12
2.3本章小结 ........................................................................................................... 14
第三章 方案选择及单元电路的设计 .............................................. 14
3.1 方案选择及方框图 ....................................................................................... 14
3.1.1 方案选择 ..................................................................................................... 14
3.1.2 方框图 .......................................................................................................... 14
3.2 太阳能充电器电路原理 .............................................................................. 15
3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类 ............................... 15
3.3单片机电路介绍 ............................................................................................. 15
3.3.1 STC12C5408AD单片机 ............................................................................ 15
3.3.2设计思路 ...................................................................................................... 20
3.4锂蓄电池的充电特性 ................................................................................... 22
3.4.1 控制器充放电电路 .................................................................................. 23
3.4.2 液晶显示电路 ............................................................................................ 26
3.4.3 报警电路设计 ............................................................................................ 29
3.4.4 PADS简介 .................................................................................................... 30
3.5 本章小结 .......................................................................................................... 33
第四章 锂蓄电池电压电流的检测和技术研究 ............................ 33
4.1锂蓄电池电压的检测 ................................................................................... 33
4.2蓄电池电压检测电路设计 .......................................................................... 33
4.3本章小结 ........................................................................................................... 34 结 论 ........................................................................................................................ 35 参考文献 ................................................................................................................... 36 致 谢 ........................................................................................................................ 37
摘 要
化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡。
太阳能发电的历史可以追朔到1800年，伯克莱氏发现对某种半导体材料照射光后，会引起伏安特性改变。最终，发现了光伏效应，并以此半导体制成光伏电池。其后，对硒，氧化铜等半导体材料进行研究，同样发现此种光伏效应，也制成类似的光伏效应。
本课程设计介绍一种太阳能充电器，利用单片机控制，将太阳能经过电路变换为稳定直流电充电，并能在电池充电完成后自动停止充电，还可作为一般直流电源使用，从而摆脱对市电的依赖而获得通信的自由。与常规的充电器相比，太阳能充电器有着明显的优势。
关键词：太阳能 电池 单片机 充电器
ABSTRACT
Fossil energy drying up, people's attention to the problem of environmental protection degree are also constantly improve, look for clean alternative energy issues become more and more urgent. Solar energy as a renewable energy it has abundant, an inexhaustible, clean and safe characteristics and therefore has a broad application prospect, photovoltaic power generation technology is also more and more get the attention of people, with the price of photovoltaic modules and the decrease of the development of photovoltaic technology, solar photovoltaic power generation system will be gradually by the additional energy to make the transition to alternative energy now.
Solar power's history can be dated back to 1800, Berkeley's discovery of a semiconductor material after irradiation light, to cause volt-ampere characteristics change. In the end, found the photovoltaic effect, which made from semiconductor photovoltaic cells. Thereafter, selenium, copper oxide semiconductor materials such as research, also found that the photovoltaic effect, also made a similar photovoltaic effect.
This course is designed to introduce a kind of solar charger, using single-chip microcomputer control, the solar energy through to stabilize the dc charging circuit transformation, after completion of the battery and can automatically stop charging, can also be used as a general dc power supply, so as to get rid of the dependence on the grid for the freedom of communication. Compared with the conventional charger, solar charger has obvious advantages.
Key words: solar energy; batteri chip; microcomputer; Battery charger
第1章 绪论
1.1课题背景
能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对生态环境的污染破坏。大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨,而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。
虽然在可预见的将来，矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。所谓“光伏发电”是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。光伏发电具有取之不尽且无污染等优点。日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。光伏发电具有节能性、经济性和实用性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。光伏电源控制器通常由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。
1.1.1能源危机及环境污染问题
十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模地开采矿产，砍伐森林，开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。
随着科学技术日新月异地飞速发展，对能源的需求也在不断增长。自70年代的世界石油危机后，人们才真正意识到，供应常规电力所用的石化燃料的储量是有限的。能源危机迫在眉睫[1]，根据对石油储量的综合估算[2]，可支配的传统能源从全球来看，已探明的石油储量只能用到2040年，天然气也只能延续 50-60 年左右，即使是储量最丰富的煤炭最多也只能够维持二三百年。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在安全和污染的难题，同样不能解决世界电力的长期稳定供应问题。因此，如不尽早设法解决常规能源的替
代能源，人类迟早将面临燃料枯竭的危险局面。
环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点[3]。当前，由于燃烧石化燃料，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失破坏了臭氧层，加剧了温室效应，局部地区形成酸雨，使大气环境严重污染。这种由环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。如不采取积极措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势。因此，无论是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不竭而又没有公害的新能源已是势在必行。
1.1.2太阳能的开发和利用
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的不断恶化，传统能源(如煤、石油、天然气等)的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构己成为人们关注的焦点。虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。在未来的一段时间内，可再生能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天下的局面。 其中，可再生能源主要有以下几个方面：
（1）太阳能：据天文物理学家的计算表明，太阳系还能存在45亿年，太阳每年辐射到地球的总能量相当于人类能源消耗的1.2万倍；
（2）氢能源：利用自然界大量存在的水，由电解水产生氢，或者由太阳能光催化水分解氢；
（3）风力发电、小水电与潮汐发电：可提供可观的电力；
（4）生物能：包括城市垃圾的转化、人类粪便的转化等。这些能源原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的；
（5）核能：与传统能源的发电厂相比，核能的利用率较高，对环境的污染小，
并且使用核燃料的成本远远低于传统燃料的成本，而核燃料所释放出来的能量却远远高于传统能源所释放出来的能量。
其中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一[4]。因为它具有以下的特点：
（1）存储量巨大：太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是3.75x1026W，是极其巨大的。其中到达地球的能量高达
1.73x1014Kw，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1x1013kW。在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7x1013W，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。
（2）取之不尽，不需要开采和运输。
（3）清洁无污染，无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。
1.1.3我国太阳能的资源状况
我国地处北半球，土地辽阔，幅员广大，国土总而积达960万km在我国广阔富饶土地上，有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量：3340-8400MJ/（m2.a），中值为5852MJ/（m2.a）。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带的年太阳辐射总量都在8000MJ/m2以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。尤其以青藏高原地区最高，达6000-8000MJ/m2。从全世界来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2.天以上，西藏最高达 7kWh/m2.天。与同纬度的其它国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。特别是以上地区，正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区，经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源，采用太阳能发电技术，节约能源，发展经济，提高人民生活水平。 1.2国内外光伏发电产业现状与市场需求
1.2.1国内外光伏发电产业现状
（1）国外现状
由于前5年发达国家光伏补助相当多，国外光伏发电迅猛，为了调节（降低）光伏发电装机，从今年开始德国、英国、美国等发达国家正在降低光伏发电的补助，因此这些国家的光伏装机明显下降。国外趋势：光伏发电补助会继续下降，使市场自动调节，当光伏组件价格降低到一定阶段时，达到商业发电的经济指标，光伏发电规模会增加。
（2）国内现状
我国的太阳能应用起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970 年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在80年代中期建立起来。80年代中期，我国光伏电池组件总生产能力达到4.5MW，光伏产业初步形成。经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。至 90年代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了17KW和7KW的光伏发电屋顶系统。1999年，我国光伏电池的主要产品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室，但在 2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，2003年10月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2005年全国光伏发电系统总装机容量达到300MW。至2003年底，我国光伏产业总的生产能力达到38MW，太阳能电池/组件的实际生产量达到13MW。在市场方面，截至2003 年底我国光伏系统累计装机容量达到45MW。2004年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达1兆瓦，年发电能力约为100万千瓦时；2008 年北京奥运会，国家计划太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现；2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》4自2006年1月1日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用[5,6]。
我国光伏产业在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了重要作用。但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小，自动化水平比较低；其次，专用原材料国产化程度也不高。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。
1.2.2光伏发电市场需求
近2年来，太阳能光伏发电受到各国的高度重视。世界光伏发电产业发展迅速，一直保持着加速发展的势头。近10年太阳电池组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%，成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
2010年11月23日，国际咨询公司Frost&Sullivan发表研究报告认为，未来一段时间光伏材料市场将快速增长，预计在2012年，光伏材料的市场总价值将达到32.5亿美元，年增长率将达到43.6%，为近几年内最高。同时，国内数
家券商发布研究报告认为，2010年下半年起光伏产业从上游多晶硅到下游组件普遍进入大规模扩产周期，将带来对各种上游设备、中间材料需求的提升，其中包括晶硅生产中所需的铸锭炉以及晶硅切割过程中的耗材，刃料和切割液等。
我国当前最大的光电市场仍然是通信领域，包括微波中断站、卫星通信地面站、卫星电视接收差转系统、程控电话交换机、部队通讯台站等，目前的市场占有率在50%左右。通过“九五”期间的努力，以及各种各样国内、国际合作项目的示范和推动，使偏僻边远地区供电的光伏发电应用领域得到了进一步扩大。包括独立光伏电站和户用光伏电源系统在内，其市场占有率已由以前的约20%上升到30%以上。“九五”期间建成各种规模的县、乡、村级光伏电站400余座，装机总容量600kW左右，推广应用家用光伏电源系统约15万套，并在约80所农村学校建立了总功率100kW左右的光伏发电系统。
1.3光伏系统的工作原理与组成
1.3.1光伏系统的工作原理
白天，在光照条件下，太阳能电池组件产生一定的电动势，通过组件的串、并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充电器控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电流，通过逆变器的作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用[7]。
1.3.2光伏系统的组成
光伏系统由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜等设备组成，其各部分设备的作用如下。
（1）太阳能电池方阵
在有光照（无论是太阳光，还是其他发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光电效应”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换为电能，是能量转换的条件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
（2）蓄电池组
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池的基本要求是：
1）自放电率低；
2）使用寿命长；
3）深放电效率高；
4）充电效率高；
5）少维护或免维护；
6）工作温度范围宽；
7）价格低廉。
目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池是铅酸蓄电池和铬镍蓄电池等。配套200A·h以上的铅酸蓄电池，一般选用固定或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为2V（DC）；配套200A·h以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每个蓄电池的额定电压为12V（DC）。
（3）充放电控制器
是能自动防止蓄电池过冲和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电控制器是必不可少的设备。
（4）逆变器
是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波形可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方形逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：过载保护；短路保护；接反保护；欠压保护；过压保护；过热保护。
（5）交流配电柜
其在电站系统中的主要作用是对备用逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还可对线路电能进行计量[8]。
1.4 本章小结
本章主要介绍太阳能充电器电路设计的课题背景能源危机及环境污染问题，太阳能的开发和利用，以及我国太阳能的资源状况。通过分析国内外光伏发电产业现状和市场需求分析，了解光伏发电未来产业前景。
第二章 太阳能电池和单片机
2.1 太阳能电池
2.1.1 太阳能电池原理、分类和保护
（1）太阳能电池原理
太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一
些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子--空穴对。这样，光能就以产生电子--空穴对的形式转变为电能。薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光伏效应。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置。对于半导体 、P-N 结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体构成的。
太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵消势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏特电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。 另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率。
（2）太阳能电池的种类
太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。太阳能电池单体工作电压为0.45-0.50伏，一般不能单独作为电源使用。将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵。它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳电池是当前开发最快的一种太阳电池，它的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999%。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。单晶硅太阳能电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高，最高的达到24%。目前多晶硅太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换效率约12%左右，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因
此得到大量发展。
（3）太阳能电池的保护
光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件(俗称太阳能板)的保护。这种保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。机械化学方面的保护是指在封装及安装太阳能板的时候要考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力电方面的太阳能光伏发电系统的基本组成与基本原理保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量。被屏蔽的太阳能电池组件将发热，这叫热斑效应。为了防止太阳能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，其作用是避免由于太阳能板在阴雨天和夜间不发电时，或太阳能板出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能板放电。防反充二极管串联在太阳能板中起单向导电作用。
2.1.2 太阳能电池的等效电路
太阳能电池是一种典型的非线性元件，为了描述电池的工作状态可将电池用一等效电路来描述，电路如图2-1所示。
图 2-1 太阳能电池等效电路
图中，太阳能电池等效电路由4个部分组成：电池的光电流Isc，P-N 结的非线性电阻Rj，串联电阻RS，和旁漏电阻Rsh，R是电池外的负载电阻。Rs主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起。理想的太阳能电池，RS很小，Rsh很大[11]。由于RS，Rsh分别串联与并联在电路中，进行理想计算时，可以忽略不计。当光照恒定时，由于光生电流Isc不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上，产生一股与光生电流方向相反的电流ID。
电池的光电流Isc是当RL=0Ω时，所测的电池两端的短路电流。Isc的值与太阳能电池的面积大小有关。面积越大，Isc值越大。此外对于同一块太阳能电池，Isc值还与入射光的辐射度有关。一般来说，短路电流Isc值随照射到硅太阳能板上的光强的增加而成正比例的增加。当温度升高时，Isc值略有上升。
当RL趋于无穷大时，测得的太阳能电池两端的电压为电池的开路电压VOC。太阳能电池的开路电压与光谱照度有关，当入射光辐射照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。
2.1.3 太阳能电池板的输出特性
受到光照、电池阵列结温及负载的影响，太阳能电池输出电压和电流也随之发生改变[11]。一定光照强度下，太阳能电池的输出电流I与电池端电压V的关系I-V 特性曲线如图2-2所示。
图 2-2 太阳能电池的I-V特性关系曲线
曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电 流和工作电压。工作电流和工作电压之乘积：P=IV 即为电池的输出功率。由此可绘出P-V特性曲线如图2-3，在P-V特性曲线上最大功率点即电压和电流的最佳汇合点Pm。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Im，Um，从而求出最大输出功率：P=Im*Vm。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。
图 2-3 太阳能电池的P-V特性曲线
从图2-3可见，Im和Vm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-V特性曲线是理想的矩形，那么Im和Vm乘积就等于ISC和UOC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。它表示最大输出功率的值占以UOC和ISC为边长的矩形面积的百分比，填充因子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。图 2-4、图 2-5 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-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2-4可知，太阳能电池阵列的输出短路电流(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说Isc 强烈地控制着I的大小。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2-5中虚线与各实线的交点所示。
图 2-4 不同日照下的I-V关系曲线图 图 2-5 不同日照下P-V曲线图
图 2-6，图 2-7 分别给出了太阳能电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V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2-7各实线的波峰的幅值变化。
图 2-6 不同温度下的I-V特性曲线 图2-7不同温度下的 P-V 特性曲线
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(MPP，Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化。
2.2 单片机介绍
2.2.1单片机原理
单机片是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言(近几年，C语言也开始广泛被应用)，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
目前最常用的单片机为MCS-51，是由美国INTEL公司（生产CPU的英特尔）生产的，89C51是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的，其内核兼容MCS-51单片机。
2.2.2单片机硬件特性
（1）主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、2个16位定时计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP； （2）系统结构简单，使用方便，实现模块化；
（3）单片机可靠性高，可工作到10^6 -10^7小时无故障；
（4）处理功能强，速度快；
（5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品；
（6）控制功能强；
（7）环境适应能力强。
2.2.3单片机基本结构
（1）运算器 运算器由运算部件-算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。
例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。
运算器有两个功能：
1) 执行各种算术运算；
2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较；
3) 运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，并且，一个
算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。
（2）控制器
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有：
1) 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；
2) 对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动
作；
3) 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通
过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。
（3）主要寄存器
1) 累加器A；
2) 累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时
3) 它有双功能：运算前，用于保存一个操作数；运算后，用于保存所得的和、
差或逻辑运算结果；
4) 数据寄存器DR；
5) 数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送（写）或取
6) （读）数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令，也可以保存正在
送往存储器中存储的一个数据字节等等；
7) 指令寄存器IR和指令译码器ID；
8) 指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指
令。当执行一条指令时，先把它从内存中取到数据寄存器中，然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时，必须对操作码进行译码，以确定所要求的操作，指令译码器就是负责这项工作的。其中，指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入；
9) 程序计数器PC；
10) PC用于确定下一条指令的地址，以保证程序能够连续地执行下去，因此通常
又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址（即程序的首地址）送入PC，使它总是指向下一条要执行指令的
地址；
11) 地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于
内存与CPU之间存在着速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。
显然，当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时，都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样，如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话，那么当CPU和外围设备交换信息时，也需要用到地址寄存器和数据寄存器。
2.3本章小结
通过了解太阳能电池原理、分类和保护。了解了太阳能电池分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。还了解了太阳能的等效电路和机的硬件结构和单片机的基本结构。
第三章 方案选择及单元电路的设计
3.1 方案选择及方框图
3.1.1 方案选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。更好的保护了锂电池。延长整个太阳能系统的使用年限。
3.1.2 方框图
太阳能充放电控制器的电路框图3-1所示。太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。
图3-1太阳能充放电控制器的电路框图
3.2 太阳能充电器电路原理
3.2.1太阳能电池材料分类、电池组件概述和分类
（1）太阳能电池材料分类
为了有效利用太阳能，首先必须找到制作太阳能电池的材料。制作太阳能电池的材料是近年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池的材料主要是以半导体材料为基础，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机混合太阳能电池五大类。其中硅系太阳能电池是目前发展最快、最成熟的太阳能电池，在应用中居主导地位[9]。
（2）太阳能电池组件的概述
具有封装及内部连接的、能单独提供直流输出的、不可分割的最小太阳能电池组合装置，叫做太阳能电池组件或叫做太阳能电池板。太阳能电池方阵是由许多单个太阳能电池组件（也叫单体太阳能电池）通过串联或是并联或同时串并联组成。而单体太阳能电池（太阳能电池组件）又是由许多一片一片的硅晶体片通过一定的安装结构形式组合的。这是因为一个电池片所能提供的电流和电压（仅0.48V左右）毕竟有限，单个电池片输出功率最多也只有3-4W，根本无法应用。于是人们将很多电池片（通常是36个）串联起来，形成了太阳能光电板，又称单个太阳能组件使用。目前市场上层压组件最大规格有220W，最小的有5W。
之所以通过专用材料和专门生产工艺对电池片进行封装后形成组件才能用，是因为单个太阳能电池片薄（厚度只有200微米左右）。易碎；此外。硅太阳能电池片若直接暴露在大气中，易受到大气尤其是潮湿空气的腐蚀；灰尘、冰雹、风沙等也都会落在电池的表面，导致电池转换率下降，电池的电极也会氧化、锈蚀脱落甚至会导致电池失效。
（3）太阳能电池组件的分类
太阳能电池组件分为钢化玻璃层压电池组件、环氧树脂胶封板太阳能电池组件、透明PET层压板光伏组件、建材型太阳能电池组件、建材一体型太阳能电池组件、新建材一体型电池组件[10]。
3.3单片机电路介绍
3.3.1 STC12C5408AD单片机
STC12C5410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/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路。其主要性能特点如下：
（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU；
（2）工作电压：5.5V‐3.4V（5V单片机）/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，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；
（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：
5.65MHz-5.95MHz精度不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是5MHz-6.5MHz；
（12）共2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）通用异步串行口（UART）；
（16）SPI同步通信口，主模式/从模式
（17）工作温度范围：0‐75℃/-40‐+85℃；
（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（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。
STC12系列单片机的典型结构STC 12系列单片机是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash单片机，它的16级中断、高效寻址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合，因此具有很好的性价比和应用适应性。
STC12系列有6种型号:分别是STC12C5412AD、STC12C5410AD、STC12C5408AD、STC 12C5406AD、STC 12C5404AD、和STC 12C5402AD。它们区别在于Flash的容量大小，本设计所用到的STC12C5412AD的Flash容量为10K。该单片机的管脚
结构如图3-2所示。
图3-2 STC12C5408DA管脚
STC12C5408DA管脚说明如图3-3所示。
图3-3管脚说明图
基本配置：
STC12C5412AD单片机除了具有STC12系列单片机共有特点外，还具有一些自身特点，对其一些基本配置做以介绍:
（1）Flash存储器
STC12C5412AD Flash存储器为l 0KB。Flash存储器主要用作程序存储，可经计算机串口接口下载程序;程序运行时能对其中的1段或多段进行擦/写操作，因此兼有数据存储器功能。Flash可用于程序数据保存，实现掉电保护，Flash存储器可以按字或字节读写，最小擦除单位为1段，经过擦除的位为“1"，写入位为“0”。
（2）脉宽调节模式(PWM)
所有PCA模块都可用作PMW输出。输出频率取决于PCA定时器的时钟源。由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器{EPCnL,CCAPnL}有关。当CL SFR的值小于{EPCnL, CCAPnL}时，输出为低，当PCA CL SFR的值等于或大于{EPCnL, CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH, CCAPnH}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。
（3）I/O口工作类型设置
STC12C5412AD带有24个I/O引脚，它的I/O与传统的I/O不同，每个I/O口均可由软件设置成4种工作类型之一，使得功能口和通用I/O口复用。4种类型分别为:准双向口(标准8051输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)和开漏输出功能。四种类型说明如下：
1）准双向口输出配置
准双向口输出类型可用作输出和输入功能而不需重新配置口线输出状态。这是因为当口线输出为1时驱动能力很弱，允许外部装置将其拉低。当引脚输出为低时，它的驱动能力很强，刚一吸收相当大的电流。准双向口有3个上拉晶体管适应不同的需要。
在3个上拉晶体管中，有1个上拉晶体管称为“弱上拉”，当口线寄存器为1且引脚本身也为1时打开。此上拉提供基本驱动电流使准双向口输出为1。如果一个引脚输出为1而由外部装置下拉到低时，弱上拉关闭而“极弱上拉”维持开状态，为了把这个引脚强拉为低，外部装置必须有足够的灌电流能力使引脚上的电压降到门槛电压以下。
第2个上拉晶体管，称为“极弱上拉”，当口线锁存为1时打开。当引脚悬空时，这个极弱的上拉源产生很弱的上拉电流将引脚上拉为高电平。
第3个上拉晶体管称为“强上拉”。当口线锁存器跳变到1时，这个上拉用来加快准双向口由逻辑4到逻辑1转换。当发生这种情况时，强上拉打开约2个
机器周期以使引脚能够迅速地上拉到高电平。
2）推挽输出配置
推挽输出配置的下拉结构与开漏输出以及准双向口的下拉结构相同，但当锁存器为1时提供持续的强上拉。推挽模式一般用于需要更大驱动电流的情况。
3）仅为输入(高阻)配置
仅为输入时，不提供吸入20mA电流的能力。
4）开漏输出配置
当口线锁存器为0时，开漏输出关闭所有上拉晶体管。当作为一个逻辑输出时，这种配置方式必须有外部上拉，一般通过电阻外接到。这种方式的下拉与准双向口相同。开漏端口带有一个施密特触发输入以及一个干扰抑制电路。
（4）AD模数转换寄存器
STC12C5412AD单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是12位精度的A/D，速度均可达到100KHz。8路电压输入型A/D，可以完成温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等功能。上电复位后P1口是弱上拉型的I/O口，可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。这样，A/D转换和I/O口可以灵活的运用，节省了软件及时间。
（5）有配套的仿真开发工具
STC12C5412AD的Flash存储器给用户的开发带来方便。用户可以将芯片焊接在线路板上后进行下载程序、调试程序和修改程序。同时，STC12C5410AD的片内己集成了程序断点控制等逻辑功能。因此，它的开发工具较为简单，只需1套PC环境下的调试软件和1个连接于并口的仿真器。仿真器与STC12C5410AD经串口连接。因此，用户只要在设计应用系统时为调试需要预留好STC12C5410AD的串口接口的引出插座，即可实现系统的程序下载调试、系统现场编程硬件仿真或软件升级功能，而且无需外加编程电压。
3.3.2设计思路
（1）单片机最小系统介绍
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
1）电源模块
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。如图3-4所示。
图3-4电源供电模块
2）复位电路
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。如图3-5所示。
图3-5 RC电路
3）震荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。如图3-6所示。
图3-6震荡电路
单片机最小系统整体电路图如图3-7所示。
单片机最小系统整体电路图3-7
本文设计了一种基于单片机的太阳能控制器。采用PWM 脉冲调制控制保护技术。充放电控制器是太阳能充电器的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省去硬件补偿的费用，降低了成本。由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定有效地运行。为了保护电路本产品还利用二极管和蜂鸣器设计了报警电路。如果用户把充电池接反了电路会实现自动报警来提醒用户。
3.4锂蓄电池的充电特性
锂蓄电池选用锂离子电池。锂电池具有重量轻容量大无记忆效应等优点，因而得到普遍应用。锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍
氢电池的1.5-2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂电池似乎没有记忆效应以及不含有毒物质等优点。但是对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。影响蓄电池寿命的因素有:放电深度，过充电程度等。在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。在天气晴朗的夏日，蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。过充电程度也随季节天气变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。为了延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。当蓄电池放电到一定程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。
锂蓄电池的充电曲线如图3-8所示。
浮充电压
1.75A
1.5A
1.25A最大充电电流16V
15V
1A
0.75A
0.5A
0.25A
预充电流预充到快充过渡电压
电压电流13V14V
图3-8 锂蓄电池充电曲线
锂蓄电池的充电过程：
1）如果开始充电时，电池电量很低，那么必须用小电流（大概0.24A）开始充电，即涓流充电。如果电压高于5V就不必进行这个步骤。
2）当电池电压大于5V可以开始大电流充电，恒流充电。随着充电的进行，电池电压逐渐升高。
3）当电池电压达到或接近充满电压（如5V左右）时，则要开始转入恒压充电：当电流减少到大概0.25A左右，则停止充电。
3.4.1 控制器充放电电路
（1）充放电电路图如图3-9所示。
图3-9 控制器充放电电路图
单片机的PWM控制充、放电驱动Q1和Q2。当蓄电池电压处于正常情况下，单片机控制的充电驱动三极管管Q1（2N5551）为高电平导通，三极管Q1导通，此时太阳能电板向蓄电池恒流充电；当蓄电池电压达到5V时，单片机控制充电驱动Q1为低电平时， Q1截止，通过控制占空比，使Q1实现通断控制，此时处于恒压浮充状态；当电流下降到某值时，进行恒流充电；但蓄电池电压达到设定的过充点5V时，再进行恒压涓流充电；涓流小到某一值，单片机控制的充电驱动Q1进行短路保护；当蓄电池电压下降到某设定值时，Q1重新导通，恢复为正常充电状态。
（2）关于单片机PWM的介绍
1)PWM控制的基本原理
理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如图3-10所示。
图3-10 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。如图3-11所示。
图3-11 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，如图3-12所示。
图3-12 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。 PWM波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等
效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V, 5V}这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
3.4.2 液晶显示电路
（1）液晶显示器的相关介绍
液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器。液晶是介于固态和液态间的有机化合物。将其加热会变成透明液态，冷却后会变成结晶的混浊固态。在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而影响通过其的光线变化，这种光线的变化通过偏光片的作用可以表现为明暗的变化。就这样，人们通过对电场的控制最终控制了光线的明暗变化，从而达到显示图像的目的。
根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器分为：窄视角的TN-LCD，STN-LCD，DSTN-LCD；宽视角的IPS，VA，FFS等。
其中TN-LCD，STN-LCD和DSTN-LCD三种显示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。
TN：扭曲向列型（Twisted Nematic）液晶分子扭曲角度为90度。
STN：超扭曲向列型（Super TN）其S即为Super之意，也就是液晶分子的扭转角度加大，呈180度或270度，如此而达到更优越的显示效果(因对比度加大)。
DSTN：双层超扭曲向列型（Double layer STN）。其D为double layer双层之意，因此又比STN更优异些。由于DSTN的显示面板结构已较TN与STN复杂，显示画质较之更为细腻。
宽视角模式，如IPS平面转换（In-Plane Switching），VA垂直取向（Vertical Alignment)。
TN型是目前市场上最主流的液晶显示器采用的模式，广泛应用于入门级和中端的面板。目前常见的在性能指标上并不出彩可视角度有天然痼疾。市场上看到的TN面板都是改良型的TN+film，film即补偿膜，用于弥补TN面板可视角度的不足，要说TN面板胜过前面两种面板的地方，就是由于他的输出灰阶级数较多，液晶分子偏转速度快，致使它的响应时间容易提高，目前市场上8ms以下液晶产品均采用的是TN面板。总的来说TN面板是优势和劣势都很明显的产品，价格便宜，响应时间能满足游戏要求使它的优势所在，可视角度不理想和色彩表现不真实又是明显的劣势。
STN型的显示原理与TN相类似。不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180～270度。
DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显示目的。DSTN是由超扭曲向列型显示器(STN)发展而来的。由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。
宽视角模式多用于液晶电视。以IPS为例，它是日立于2001推出的面板技术，它也被俗称为“Super TFT”。从技术角度看，传统LCD显示器的液晶分子一般都在垂直-平行状态间切换，MVA和PVA将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式，而IPS技术与上述技术最大的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，只是在加电/常规状态下分子的旋转方向有所不同——注意，MVA、PVA液晶分子的旋转属于空间旋转（Z轴），而IPS液晶分子的旋转则属于平面内的旋转（X-Y轴）。为了配合这种结构，IPS要求对电极进行改良，电极做到了同侧，形成平面电场。这样的设计带来的问题是双重的，一方面可视角度问题得到了解决，另一方面由于边际电场效应导致液晶光效低(光线透过率），所以IPS也有响应时间较慢的缺点。16.7M色、178度可视角度和16ms响应时间代表现在IPS液晶显示器的最高水平。
从液晶面板的驱动方式来分，目前最常见的是TFT（Thin Film Transistor）型驱动。它通过有源开关的方式来实现对各个像素的独立精确控制，因此相比之前的无源驱动（俗称伪彩）可以实现更精细的显示效果。
因此，目前大多数的液晶显示器、液晶电视及部分手机均采用TFT驱动。液晶显示器多用窄视角的TN模式，液晶电视多用宽视角的IPS等模式。它们通称为TFT-LCD。
TFT-LCD的构成主要由萤光管(或者LED Light Bar）、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先，液晶显示器必须先利用背光源投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液
晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶中传播的光线的偏振角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。
液晶显示器的工作原理和液晶显示器的物理特性下面简单介绍一下。
液晶显示器的工作原理：液晶是这样一种有机化合物, 在常温条件下，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，因而称为“液晶”.在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下，其分子容易发生再排列，使液晶的各种光学性质随之发生变化，液晶这种各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场的控制.正是利用这一液晶的物理基础,即液晶的“电－光效应”,实现光被电信号调制，从而制成液晶显示器件.在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。
液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。
下面介绍一下液晶显示器1602，1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：VSS为电源地；
第2脚：VDD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；
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端；
第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
液晶显示电路如图3-13所示。
图3-13液晶显示电路
3.4.3 报警电路设计
为了能使有效地保护电路.本产品还设计了蓄电池反接报警电路.主要利用到二极管的单向导电特性来实现.该设计还有一个功能就是当用户把电充满的时候他也会实现自动报警来提醒用户电已充满.请用户注意。具体电路如图3-14所示。
图3-14报警电路图
下面是报警电图按键指示电路及实现。
在单片机应用系统中，按键主要有两种形式：1、独立按键；2、矩阵编码键 盘。独立按键的每个按键都单独接到单片机的一个I/O 口上，独立按键则通过判 断按键端口的电位即可识别按键操作； 而矩阵键盘通过行列交叉按键编码进行识 别。通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们 按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马
上稳定地 接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为 5ms-20ms； 按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决 定的，一般为零点几秒至数秒不等。 在本设计中由于按键不是太多，故采用独立按键法，这样可以减小编程的难度，图3为本设计的按键接线图3-15所示。
图3-15按键接线图
对电路总体考虑后，将 ADC0809 采集电路接在了单片机的 P0 口，并用 P2 口做采集控制，这样 P0 口仅用接收数据，不用发送数据，有 P0 口的硬件构成知 道，其做输出的话需接上拉电阻，做输入的不用接，这样整体上减少了电路的硬 件开支，而 P3 口要做串口传输等工作，所以在本电路中将按键接在 P1 口，其中 P1.0 是数字减键，P1.1 为数字加键，P1.2 键位确定键，P1.3 为过电流保护指示 灯，P1.4、P1.5 为输出功能选择键，按下 P1.4 代表给手机电池充电，按下 P1.5 则做普通直流电源使用，其中 5V 输出可直接用 USB 连接线给手机充电，电池 充电控制则有手机提供。
3.4.4 PADS简介
PADS Logic是一个功能强大的、多页的原理图设计输入工具，为PADS Layou（原PADS Layout（PowerPCB））提供了一个高效的、简单的、前端设计环境。
PADS Logic提供了在没页进行快速的存取、在线元件编辑和方便的库管理，以及快速的帮助向导。与PADS Layout完全的集成提高了原理图设计到PCB设计的转化效率，PADS Logic允许您快速地识别相应的元件和放置和精确度。
1.印制线路板的设计
（1）印制线路板的条件
1) 具备电路原理图；
2) 已知印制线路板板面需要容纳的电路以及该电路内各种元器件的型号，规则及尺寸；
3) 明确各元器件和导线对印制板板面安排的特殊要求；
4) 确定印制线路板在总体布局中的位置及其连接形式以及对印制线路板板面的尺寸限制或是要求等；
（2）元件布局：
1) 就一般情况而言，元件布局应从以下几个方面考虑：
2) 面上的元件应按原理图顺序成直线排列，并力求安排紧凑，密集，以缩短引线。这对高频和宽带电路更为必要。
3) 能采用单面板的尽可能使用单面板，即元件尽可能布设在印制板不焊接的一面，以便加工和安装。
4) 对双面板或是多面板，元件放置的位置应与相邻印制导线交叉，特别是电感器件，以防止电磁干扰。
5) 元件表面温度超过125摄氏度时，不应与基板接触。防止热量通过传导，对流及辐射等而影响其他元件，并注意加用散热器和远离热敏元件。
6) 圆形元件不易跨在金属化通信孔上，以利于焊接时孔内热空气的流通。
7) 变压器或是类似的大电感器件，应定向放置或用屏蔽罩，以减少对临近元件的干扰。
8) 在保证电性能合理的原则下，元件应相互平行或是垂直排列，以求整齐，美观。一般不宜将元件重叠布置，如必须重叠跨接时，应考虑加固措施。
2.布线
布线是实施印制板线路设计的最后阶段，为了使设计者设计出质量好，造价低，加工周期短的印制板，特别提出下列原则和要求，供大家参考。
（1）布线原则
1) 一般应将公共地布置在最边缘，便于印制板安装在机壳上，也便于与机壳连接。
2) 单面板印制板上的导线不能交叉，因此迫使导线绕道或是平行布设平行线越长，不仅会使引线电感增大，而且导线之间，电路之间的寄生耦合也会增大。
3) 对外连接宜采用接插形式的印制板，为便于安装，往往将输入，输出，
反馈电线和地线均匀的平行排列为插头。
4) 印制板上每级电路的地线，在许多情况下应自成封闭回路，这样会减小级间的低电流耦合。
5) 印制导线需要屏蔽，但要求不高时，可采用印制屏蔽线，屏蔽网等屏蔽措施。
(2)布线要求
1) 印制导线可以布置成单面，双面或是多面，但应首选单面，其次是双面。仍然不能满足的时候再考虑多层。
2) 作为电路的输入和输出两端用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生电流反馈，在这些导线之间最好加接地线。
3) 在布线密度比较低时，可加粗导线，信号线的检举可适当加大。
4) 印制导线的布局应尽可能短，特别是电子管的栅极，半导体管的基极和高频回路等更应这样。
5) 印制导线拐弯一般为圆形，而直角和尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气的性能。
3.PCB图
经过以上的方案选择及方框图设计，设计了控制器充放电电路、液晶显示器电路、报警电路设计。在制作PCB图的过程中，利用PADS Logic-原理图设计输入工具的辅助完成了PCB图的设计。其过程中，我的指导老师帮助我了很多。最终一块完美的PCB图展现在我的电脑显示器上。PCB图3-16所示。
图3-16 Pcb图
3.5 本章小结
本章主要是介绍课题的方案选择，确定课题方案后。仔细分析方案。整理出方案的方框图，并重点分析介绍系统中的每个重点模块。还学习了太阳能电池组件概述，分类，以及单片机的控制电路、液晶显示电路、报警电路设计、PADS相关知识。
第四章 锂蓄电池电压电流的检测和技术研究
4.1锂蓄电池电压的检测
STC12C5408AD单片机带有8路10位A／D转换器，转换器的输入电压范围为：0～5V，转换后相应的数字量范围：0～255。将蓄电池电压Vd的最高值定于5V，利用电阻分压的方式将其转换为0～5V。电路如图4-1所示。
图4-1锂蓄电池电压的检测图
Vi=R2/(R1+R2) ×Vd，取R2=10 KΩ，R1=10 KΩ，代入数值则由Vi=1/2Vd故蓄电池电压：Vd=Vi*2；A／D转换数字波动范围为±1LSB。故电压测量波动范围±0.1V。
4.2蓄电池电压检测电路设计
在独立的太阳能应用产品中,蓄电池是整个系统的重要组成部分,对蓄电池 的保护也至关重要,所以电路中必须设计有蓄电池两端电压的检测电路,来检测蓄电池电压的大小,从而控制器有效地工作。为了保证准确性,整个控制器的基准
零电位点需用蓄电池的负极。蓄电池电压检测电路如图4.2所示。
图 4-2 蓄电池电压检测电路
单片价的PCI口可作ADC输入通道,故可以将采样结果送到PCI处。在很多需要模数转换的场合,为了提高AD的分辨率,往往都选择较小的电压作为基准源,特别是采样一些电压值较小的模拟信号,此时Atmega48内部的基准电压(l.Iv)无疑是最好的选择。本控制器的模数转换模块。“D)就是采用的Atmega48片内1.Iv的基准电压,蓄电池采样电路将采集到的信息送到刀D转换器,通过单片机的分析,判断当前电池的工作状态。这里采用IV的稳压管工作,将此处的电压限制在IV以下。 由于蓄电池白天的充电,晚上的放电,导致蓄电池的两端电压也是在变化的,所以为了准确的检测到任何时刻的蓄电池电压,采样处的电压需要小于IV,否则会被稳压管稳定在IV,这里电容CS的作用是滤波。系统通过对U电压大小的判断,可以实行控制器的充电控制,并可以判断出蓄电池是何种规格,即是12V还是24V蓄电池。判断的方法是若呱:十
4.3本章小结
本章主要简单介绍锂蓄电池电压的检测和蓄电池电压检测电路设计。
结 论
由于能源的日益紧张，引起人们对太阳能应用的热潮，由太阳能极板、充放电控制器、蓄电池等构成的产品都有了相对成熟的发展，国内外很多专家也在这方面做了深入的研究。本论文就太阳能充放电控制器对蓄电池的充放电方式、控制器的功能要求和实际应用方面做了分析，完成了硬件电路设计和软件编制，实现了对蓄电池的科学管理，并将其应用到太阳能家庭用电系统中。
论文的主要工作有：
（1）对锂蓄蓄电池的充、放电过程、影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素作了分析，确定了太阳能充电控制器的总体设计方案。
（2）完成了控制器的硬件设计、电路板的绘制，电路的焊接。实现控制器通过对单片机STC12C5408AD的PWM输出来控制开关MOS管的通断，从而控制充电放电。
（3）在硬件设计的基础上，对太阳能充电控制器进行了软件编程，实现对蓄电池的保护以及过载检测等。
（4）将充放电控制器应用于太阳能充电器系统，设计整个系统的总体方案。本论文在软硬件设计上仍有很多需要完善之处：
（5）在PCB板的元件布置和布线上要更加合理，以便减少干扰的引入。
（6）本论文所采用的软件编程思想，还需要进一步在实际的运行中验证其稳定性及可靠性。
（7）延长蓄电池寿命目前还没有一个最好的方式，如何进一步保护蓄电池，采用更优的控制方法需要更进一步的研究。
经过一周的努力.太阳能充电器几乎完成了，虽然还存在一些瑕疵，但是我相信以后不断地努力会有进步的。在这次的学习过程中与遇到了前所未有的困难，最后在老师和同学的帮助下还是解决了。在这里我非常感谢帮助我的老师和同学。
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致 谢
本课题在选题及研究过程中得到孙吉红老师的悉心指导。老师们多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拔、热忱鼓励。老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，对老师的感激之情是无法用语言来表达的。
通过这次实训设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。
从开始进入可提到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我再次感谢指导老师的关心和帮助以及在本次实训中帮助我的所有以前帮助过我的老师和同学，是你们的帮助和支持，让我完成了本次实训，祝你们身体健康万事如意！