太阳能光伏系统控制器设计与制作.doc

毕 业 设 计论 文题 目： 太阳能光伏系统控制器的设计与制作 (英文)：A design and production of solar photovoltaic system controller 院 别： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名：学 号：指导教师：日 期：太阳能光伏系统控制器的设计与制作摘要随着经济的开展，人口的增长和科学技术的进步，人类对化石能源的消耗量不断增大，能源危机和环境问题日益突出，可再生能源的利用也因此引起了人们的广泛关注。要实现环境和能源的可持续开展，除了通过技术创新、制度创新、产业转型等多种手段，尽量减少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提高人们的节能意识外，开发新能源的应用是更重要的手段，其中太阳能光伏发电是主要的新能源之一。本文分析了基于PIC12F675单片机制作的太阳能光伏系统控制器的工作原理及功能。本文中太阳能光伏系统控制器结合了太阳能电池的输出特性，分析设计简单合理的光伏控制器系统，以及针对对蓄电池充放电的特性，设计了蓄电池过充电与过放电保护。关键词：太阳能；光伏系统控制器；PIC12F675；蓄电池；过充电；过放电A design and production of solar photovoltaic system controllerABSTRACTAs the rapid development of economy and technology as well as the population growth, and increasing concern on the use of renewable energy is caused by the growing pollution and energy crisis due to the use of fossil-fuel-based energy. To realize the sustainable development of environment and energy, in addition to technology innovation, system innovation, industrial transformation and other means, to minimize coal, oil contour carbon energy consumption, and improve people's energy saving consciousness, development of new energy application is more important, the solar photovoltaic power generation is one of the major new energyAnalyzed in this paper, based on PIC12F675 MCU produced by solar photovoltaic system the working principle and function of the controller. Solar photovoltaic system controller in this paper bined with the solar cell output characteristics, simple and reasonable analysis and design of photovoltaic controller system, and the battery charge and discharge characteristics, design the battery over charge and over discharge protection.Key words:Solar Energy; Photovoltaic system controller; PIC12F675; storage battery; overcharge; over discharge目 录1 绪论11.1太阳能光伏系统控制器的的概述11.1.1什么是太阳能光伏系统控制器11.1.2太阳能光伏系统控制器的分类11.2 太阳能光伏系统控制器的研究意义与研究现状21.2.1研究意义21.2.2研究现状32 太阳能光伏系统控制器系统的组成52.1太阳能电池板52.1.1太阳能电池发电原理62.1.2太阳能电池的输出特性72.2 蓄电池22.2.1铅酸蓄电池的充电方法32.2.2光伏系统蓄电池特殊性42.3 系统控制器52.3.1PIC12F675单片机52.3.2场效应管72.3.3硬件元件清单83 光伏系统控制器的硬件设计103.1 电路原理图103.2 单片机电路103.3 充放电控制器123.4 工作过程153.5 PCB布局图163.6电路的仿真164 光伏系统控制器的软件设计214.1软件设计的开发环境214.2 程序设计214.2.1主程序224.2.2定时中断效劳子程序234.2.3A/D转换子程序254.2.4数值比较子程序264.3 程序的配置与烧写265 结论与展望285.1 结论285.2 展望28参考文献29致谢30附录A31附录B331 绪论1.1太阳能光伏系统控制器的的概述1.1.1什么是太阳能光伏系统控制器太阳能光伏系统控制器由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池组组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。太阳能光伏系统分为离网发电系统与并网发电系统：1、离网发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，假设要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建立周期长、占地面积大，目前还没有太大开展。而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建立快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网发电的主流。太阳能光伏系统控制器工作原理：白天，在光照条件下，太阳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，使得方阵电压到达系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进展充电，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，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进展供电。蓄电池组的放电情况由控制器进展控制，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，维护系统设备的平安使用。本次课题制作的小功率太阳能光伏发电装置一般不存在和电网并网的可能，因此需要在不用电的时候用蓄电池把电能储藏起来，需要用电时再使用蓄电池中储藏的电能。1.1.2太阳能光伏系统控制器的分类光伏充电控制器根本上可分为五种类型：并联型光伏控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智能型光伏控制器和最大功率跟踪型光伏控制器。 1、并联型光伏控制器。当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型光伏控制器一般用于小型、低功率系统，例如电压在12V、20A以内和系统。这类控制器很可靠，没有继电器之类的机械部件。 2、串联型光伏控制器。利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45A以上的串联型光伏控制器。 3、脉宽调制型光伏控制器。它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。 4、智能型光伏控制器。基于MCU如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列对光伏电源系统的运行参数进展高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进展切离和接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过MCU的RS232接口配合MODEM调制解调器进展距离控制。 5、最大功率跟踪型控制器。将太阳能电池电压V和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳能电池此时的输出功率是否到达最大，假设不在最大功率点运行，刚调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进展实时采样， 并作出是否改变占空比的判断，通过这样的寻优过程可保证太阳能电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时采用PWN调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。本次课题设计是属于智能型光伏控制器中的一种。1.2 太阳能光伏系统控制器的研究意义与研究现状1.2.1研究意义随着社会的开展，能源问题已经成为全球最为关注的问题之一，能源危机已经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧*阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的开展与社会文明的进步。常规化石燃料的无节制使用和二十世纪七十年代发生的两次石油危机，使得人们越来越清醒地认识到化石燃料资源迟早会枯竭耗尽。根据我国现已探明可丌采的化石能源储量的统计和使用这些能源的速度，可以预计，煤可以应用的时间约为54-81年，石油为15-20年，天然气的时间28-58年，核燃料使用的时间也不会超过百年，前一个数字是预测的估计，后一个数字是保守的估计。因此找到一条可持续开展的包括太阳能在内的可再生能源等的新出路，将是我们防止人类能源短缺与枯竭的紧迫任务。随着能源日益紧缺和环保压力的不断增大，不可再生资源的大量消耗及能源价格的飞涨，给人类带来了不安。寻找一种廉价的新型可再生能源代替石油等不可再生能源成为世界各国的开展方向。地球外表每年承受太阳的辐射量达5.4×1024J，相当于1.8×1014t标准煤。假设将其中的0.1%按转换率5%转换为电能，每年发电量可达5600TW·h，相当于目前全世界年能耗的40倍。因此，太阳能发电对今后能源开展有着特别重要的意义。且太阳能的诸多优点使开展太阳能已是大势所趋，太阳能时代的到来已为时不远了。太阳能Solar Energy，一般是指太阳光的辐射能量。太阳能一般分为两类：太阳能光伏和太阳热能。其中太阳能光伏有着极其重要的应用。它用由硅制成的光电板组件承受阳光，转换太阳能为电能并将其储存在蓄电池等储能器件中。储存的能量能够在人们需要的时候使用，并且太阳能是可再生资源2，所以太阳能光伏发电是一种可代替旧能源的有效、便捷的方法。太阳能光伏发电目前具有比较成熟的技术。其具有平安可靠、无噪音、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、建站周期短、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等优点，是常规发电和其它发电方式所不及的3。开展太阳能光伏发电具有实际意义。将太阳能光伏发电产生的电能最大效率地存入储能器件中可带来巨大的经济效益。所以设计一种对储能器件适宜的系统控制器就显得极其重要了。1.2.2研究现状自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、平安、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。在世界各国尤其是美、日、德等兴旺国家先后发起的大规模国家光伏开展方案和太阳能屋顶方案的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着年均30%以上的高速增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。并网光伏发电已经成为光伏发电领域研究和开展的最新亮点。业余制作的太阳能光伏发电装置一般不存在和电网并网的可能，因此需要在不用电的时候用蓄电池把电能储藏起来，需要用电时再使用蓄电池中储藏的电能，要实现这一功能就需要一个太阳能光伏系统控制器。小型的太阳能光伏发电不仅能为移动设备提供电能，而且能成为家中的备用电源。目前市面上的太阳能光伏系统控制器品种繁多，价格不一，所涉及到应用场所也很多。其太阳能光伏系统控制器一般基于单片机所设计，外接部件有铅蓄电池，太阳能板，负载。本次课题制作的太阳能光伏发电装置一般不存在和电网并网的可能，因此需要在不用电的时候用蓄电池把电能储藏起来，需要用电时再使用蓄电池中储藏的电能。本课题制作是以单片机电路设计来制作的。本装置电路设计预留了夜灯控制功能，只有在天黑以后蓄电池才对外供电。本电路特色功能： 一.蓄电池过充电与过放电保护；二.自动恢复放电功能；三.防止蓄电池与太阳能电池反接功能。自上世纪七十年代出现两次石油危机和不可再生能源的日益枯竭之后，太阳能光伏发电更加受到全世界关注。并且随着光伏发电技术的开展，太阳能太阳能电池的本钱逐渐下降，各类太阳能电池的转换效率不断提高。因为以上原因，光伏发电的规模和应用*围不断扩大，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。 太阳能光伏系统控制器是太阳能发电的重要部件之一。不同的领域，场所所需要的太阳能光伏系统控制器各不同。本课题的太阳能光伏发电装置是适合于家用场所的。2 太阳能光伏系统控制器系统的组成2.1太阳能电池板本次课题制作的太阳能光伏发电装置一般不存在和电网并网的可能，因此需要在不用电的时候用蓄电池把电能储藏起来，需要用电时再使用蓄电池中储藏的电能。本太阳能光伏系统控制器由以下几个局部组成：太阳能电池板、太阳能光伏控制器、铅酸蓄电池、负载。如输出电源为交流220或110V，还要配置逆变器。太阳能光伏系统控制器的系统框图如图2.1所示。充放电控制器12V蓄电池DC12V负载太阳能电池图2.1 LED光伏系统太阳能电池板是太阳能光伏系统控制器的核心局部，也是太阳能光伏系统控制器中价值最高的局部。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等有三种。有太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光缺乏的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。本次设计中由于考虑到本钱的原因，使用了18V的多晶硅太阳能板。本次设计采用的的太阳能板实物如图2.2所示。图2.2 太阳能板实物图2.1.1太阳能电池发电原理太阳能电池是直接将光能转换成电能的一种半导体器件，太阳能电池能量转换的根底是结合光生伏特效应。当光照射到PN结上时图2.3，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了局部抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。图2.3 太阳能板实物图2.1.2太阳能电池的输出特性目前市面上用得最多的是硅太阳能电池，所以本文主要分析硅太阳能电池的输出特性，及光照、温度对输出特性的影响。硅太阳能电池的输出特性指的是太阳能电池在一定的温度和光照强度下所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系。根据半导体理论，为方便研究太阳能电池的特性，人们得出太阳能电池的理论分析模型。经太阳能电池的电路简化分析，再通过对太阳能电池实际应用时的一些重要参数的分析，可得到太阳能电池工程用数学模型，在知道短路电流、开路电压、温度和光照的情况下可确定太阳能电池的输出I-V和P-V曲线。太阳能电池的输出I-V和P-V曲线，如图2.4所示。图2.4 太阳能电池的输出I-V和P-V曲线图中的VOC、ISC、Vm、Im分别是太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点电流和最大功率点电压。这些是太阳能电池在实际应用中的重要技术参数10：开路电压VOC：在给定的温度和日照强度下的最大输出电压。短路电流ISC：在给定的温度和日照强度下的最大输出电流。最大功率点电压Vm：在给定的温度和日照强度下相应于最大功率点的电压。最大功率点电流Im：在给定的温度和日照强度下相应于最大功率点的电流。最大功率点功率Pm：在给定温度和日照强度下最大功率点的输出功率，即Pm=Vm×Im太阳能电池的转换效率：输出功率Po与光照投射到电池外表上的功率Ps之比，其值取决于太阳能电池的工作点。通常采用太阳能电池的最大效率值作为其效率= Pm/Ps太阳能电池输出特性是非线性的，受外界多种因素影响，主要因素是光照强度和环境温度。根据得到的工程用数学模型，在相应数据的根底上，可绘制出在环境变化下太阳能电池的I-V、P-V特性曲线，如图2.5和图2.6所示。图2.5 一样光照强度(1000W/m2)不同温度下的I-V和P-V特性曲线图2.5是太阳能电池在一样光照强度不同温度下的I-V、P-V特性曲线。从曲线中可以看出，当光照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电压VOC降低，太阳能电池的短路电流ISC增加，但其增加的程度不如开路电压VOC，所以温度主要影响太阳能电池的开路电压VOC。电池温度升高时，太阳能电池的最大输出功率随之降低。在光照强度一定，温度确定的条件下有其唯一的最大功率点。图2.6一样温度(25)不同光照强度下的I-V和P-V特性曲线图2.6为太阳能电池在一样温度不同光照强度下的I-V、P-V特性曲线，从曲线中可以看出，当温度一定时随光照强度的增加，太阳能电池短路电流ISC和开路电压VOC都增加了。但是VOC增加的幅度没有ISC的大，所以光照强度主要影响太阳能电池的短路电流ISC。光照强度升高时，太阳能电池的最大输出功率随之升高。在太阳能电池温度一定，光照强度确定的条件下有其唯一的最大功率点。由以上可知：在温度和光照强度确定的条件下，太阳能电池的输出具有唯一的最大功率点，当其工作在该点时，能输出当前温度和光照强度下的最大功率。此时能够对太阳能进展最大效率的利用。由于实际应用中不能保证太阳能电池总是工作在最大功率点上，所以在应用中要用到带有最大功率点跟踪的控制装置，以保证太阳能电池的输出功率保持在最大功率点的附近。2.2 蓄电池常用的蓄电池有开口铅酸蓄电池、阀控铅酸蓄电池、镉镍Ni-Cd、镍氢Ni-H电池。在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池由于在其使用过程中存在水的易挥发、易泄漏、比容量低等缺点，而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵，免维护蓄电池由于其容量大、价格低、自放电率低、构造紧凑、不存在锡镍电池的“记忆效应、寿命长、根本免维护等优越性，对于无人值守或缺少技术人员的偏远地区使用特别有利，因而在独立光伏系统中大量应用，而且将在今后一段时期继续大量使用。在光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用：白天它既能作为太阳能缺乏补充，又能作为多余太阳能的存储：夜晚它是负载的唯一能源。虽然在不同地方光照、温度不同，不同要求负载、可靠性等的光伏系统中蓄电池配置的容量有较大不同，但对于使用蓄电池的系统来说，在系统的初期投资中它一般占到1/4到1/2,而蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，使在光伏系统整个运行寿命中蓄电池成为最昂贵的部件，这主要由于许多蓄电池达不到其使用寿命，而提前失效，系统不得不更换。本次设计所使用的蓄电池如图2.6所示。图2.7 蓄电池2.2.1铅酸蓄电池的充电方法目前铅酸蓄电池由于其制造本钱低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。在太阳能独立光伏发电系统中，铅酸蓄电池投人使用后，必然会进展充电和放电过程。太阳能电池发电充足时会对蓄电池贮存电能、恢复容量，以防止产生的电能因无法存储而浪费。当太阳能电池发电缺乏时蓄电池自身放电提供电能。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学合理的充电方法将会大大提高蓄电池的供电能力和维护效果。本文中不对充放电过程的化学反响进展介绍，下面各方法对化学反响的影响可参见文献。1、恒流充电法。恒流充电就是以一确定的电流进展充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进展调整使电流恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进展充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量容易得到恢复，此方法最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的缺乏之处在于：铅酸蓄电池开场充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。2、恒压充电法。恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进展充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，固其充电电流较大。但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，充电电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过。相对恒流充电法来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法缺乏之处在于：在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，即蓄电池电压很低，充电电流会很大，不仅危及充电设备的平安，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤；如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。这两种方法简单容易实现，简易的控制系统即可实现此类控制。但其自身都有缺点，并且现在控制器上的芯片性能十分优越，可采用充电性能更好的方法。3、阶段充电法。阶段充电法中主要包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段充电法是采用恒流充电法和恒压充电法相结合的快速充电方法。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，采用恒压充电方式充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段恒压的电压。采用这种充电方式，在充电初期，蓄电池不会因低电压出现很大的电流，在充电后期也不会出现因蓄电池电压过高产生析气。三阶段充电法在充电开场和完毕时采用恒流充电，中间阶段用恒压充电。相当于在二阶段充电法后，再参加一个恒流充电阶段。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段，再继续以很小的电流向蓄电池充电。这种以小电流充电的方式也称为浮充充电。在浮充时，蓄电池的充电电压比恒压阶段的充电电压要低，这种方法可以将出气量减到最少，提高蓄电池的电性能及延长使用寿命。但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。4、快速充电法。比较流行的几种快速充电方法有：脉冲式充电法：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停顿充电一段时间，之后继续脉冲电流充电，如此循环。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反响时间，减少了析气量提高了蓄电池的充电电流承受率。变电压间歇充电法：在每个恒压间歇充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流的可承受率随着充电进展逐渐下降的特点，可提高充电效率。变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法：综合了多种充电的优点，此方法控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调。在此根底上参加间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电承受能力。综上所述，为了较好的保护蓄电池，并实现蓄电池的快速充电，可采用快速充电法和三阶段充电法相结合的方法，即把三阶段充电法第一阶段的恒流阶段改为快速充电阶段，这样既可快速给蓄电池充电，又能够通过PWM控制实现最大功率点跟踪。本设计由于设计的要求所以了采用浮充的方式。2.2.2光伏系统蓄电池特殊性在光伏系统中蓄电池容量一般设计要能满足日常生活需要的备用电要求，而由于考虑系统本钱。光伏阵列的容量又偏小，因而存在充电率非常低，如何此光伏系统控制器应用于路灯时，时而由于天气原因出现一定深度放电的普遍现象。这样使得蓄电池难以得到完全的再充满，而使其长期处于欠充状态导致蓄电池底部酸浓度高于顶部酸浓度的酸分层现象，从而使极板由于在其上的硫酸浓度的不同，导致负极板底部硫酸盐化，正极板腐蚀和膨胀，使蓄电池的寿命缩短。 由于光伏系统中的蓄电池放电电流很小，而根据结晶核作用理论这样会形成大的结晶，加速极板的极化。经常设置高的充电电压，提高充电电流，来减少蓄电池的欠充。在日照缺乏时，有一定的效果。但由于季节的变化，在日照充足时，使蓄电池产生过充。蓄电池的过分的过充是引起其寿命缩短的主要原因。一但出现充电缺乏或负荷超常规量放电，经常造成很长时间得不到足够补充，使蓄电池工作在低的荷电状态。造成蓄电池的寿命降低。2.3 系统控制器2.3.1PIC12F675单片机系统控制器主要由PIC12F675单片机、场效应管、三极管、电阻、电容、发光二极管等元件组成。它在整个系统中的作用：系统控制器上电时，单片机开场工作，控制器采用A/D转换的方式测量蓄电池的电压，即先把蓄电池的电压转换成数据，然后将测试数据和已储存的过充电电压、过放电电压、恢复供电电压数据进展比较，根据比较结果作出相应的控制。电路中R11、R12和R15、R16分别组成蓄电池和太阳能电池的电压取样电路，太阳能电池的电压取样电路在增加夜灯控制功能时使用。PIC12F675的GP0、GP1分别作两个通道A/D转换器的模拟信号输入端。通过单片机GP4、GP5端口输出上下电平，从而控制充放电电路。PIC12F675是Microchip公司下的12F系列8引脚闪存8位CMOS单片机。PIC12F675单片机有以下特点：高性能的RISC CPU,特殊单片机功能，低功耗功能，多样的外设功能。图2.21为PIC12F675封装。PIC12F675片内含1KB的Flash只读程序存储器、64B数据存储器RAM和128B的EEPROM，工作速度为020MHz，工作电压为25.5V。有6个具有复用功能的I/O引脚GP0GP5。PIC12F675可以选择外部或内部振荡器，这里使用了内部振荡器，工作频率为4MHz。片内有一个带有8 位可编程预分频器的8 位定时器/计数器Timer0和一个带有预分频器的16 位定时器/ 计数器Timer1，一个看门狗定时器，4通道10位A/D转换器，一个模拟比较器。图2.8 PIC12F675封装为了更好地了解PIC12F675这个单片机，我们可以从它的框图了解。PIC12F675的框图如图2.9所示。图2.9 PIC12F675框图PIC12F675单片机的引脚说明如表2.1所示。表2.1 元件清单引脚号符号说明1VDD正电源输入脚，最高工作电压为5.2V2GP5复用功能输出端口3GP4复用功能输出端口4MCLR上电复位端5GP2复用功能输出端口6AN1A/D转换器7AN0A/D转换器8Vss接地脚2.3.2场效应管场效应晶体管Field Effect Transistor缩写(FET)简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高108109、噪声小、功耗低、动态*围大、易于集成、没有二次击穿现象、平安工作区域宽等优点。 场效应管属于电压控制元件，这一特点类似于电子管，但它的构造与工作原理和电子管是截然不同的。场效应管的工作原理就是“漏极-源极间流经沟道的ID，用以栅极与沟道间的PN结形成的反偏的栅极电压控制ID。更正确地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由PN结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很场效应管大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的*些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一局部构成堵塞型，ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一局部阻挡，并不是电流被切断。在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大局部加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短局部，这更使电流不能流通。 本次采用的场效应管是SB5605A60V，这类场效应管也称肖特基二极管。2.3.3硬件元件清单太阳能光伏系统控制器硬件元件清单表如表2.2所示。表2.2 元件清单序号元件名称位号型号规格数量1单片机ICPIC12F67512电阻器R10金属膜1/4W 68013R7、R8金属膜1/8W 1k24R1、R4、R12、R16金属膜1/8W 2k45R11金属膜1/8W 6.2k16R15金属膜1/8W 6.8k17R2、R5、R9、R13金属膜1/8W 10k48R3、R6、R14金属膜1/8W 20k39电容器C2瓷0.1F110电解电容器C1100F/16V111C310F/16V112二极管VD1、VD2、VD610V稳压二极管313VD55V稳压二极管114VD71N5401115VD8、VD9SB5605A60V216发光二极管VD33 绿色117VD43 红色118三极管VT2、VT4、VT52SC945319场效应管VT1、VT3、VT6IRF3205320集成电路插座-DIP8121保险丝FUSE5A122电路板-PCB板13 光伏系统控制器的硬件设计3.1 电路原理图本文介绍的太阳能光伏系统控制器系统使用额定输出电压为18V的太阳能电池板，配用12V蓄电池，太阳能电池板的功率和蓄电池的容量可根据实际需要确定，同时考虑到充电时间和用电时间的长短，进展合理搭配。本次设计采用额定输出功率为10W、额定输出电压为18V的太阳能电池板，容量为4.5Ah、额定电压为12V的蓄电池。太阳能光伏系统控制器的电路原理图如图3.1所示。电路由单片机电路、充电控制电路、放电控制电路等局部组成。图3.1 太阳能光伏系统控制器的原理图3.2 单片机电路IC1、R9、C3等组成单片机最小系统电路，其中R9、C3为上电复位电路，IC使用PIC12F675，它虽然只有8只引脚，功能却比较强大，单片机最小系统电路原理如图3.2所示。图3.2 单片机最小系统电路原理图    PIC12F675片内含1KB的Flash只读程序存储器、64B数据存储器RAM和128B的EEPROM，工作速度为020MHz，工作电压为25.5V。有6个具有复用功能的I/O引脚GP0GP5。PIC12F675可以选择外部或内部振荡器，这里使用了内部振荡器，工作频率为4MHz。片内有一个带有8 位可编程预分频器的8 位定时器/计数器Timer0和一个带有预分频器的16 位定时器/ 计数器Timer1，一个看门狗定时器，4通道10位A/D转换器，一个模拟比较器。 R10、VD5、C1、C2等组成单片机5V稳压电源。VT5、VT6等组成充电控制电路，当PIC12F675的GP2脚输出低电平时，VT5截止、VT6饱和导通，太阳能电池通过VD9、VT6给蓄电池充电。VT1、VT2和VT3、VT4等分别组成两路蓄电池放电控制电路，使用两路负载可增加使用的灵活性，当程序对PIC12F675的GP4、GP5脚采取不同的控制时可实现不同的功能，比方GP4作常规控制，GP5增加夜灯控制功能，只有在天黑以后蓄电池才对外供电。GP4、GP5如果采用一样的控制功能，两个输出端也可以并联使用。以第一路负载1为例，当GP5输出低电平时，蓄电池通过VD8、VT1向负载供电。3.3 充放电控制器本文介绍的充放电控制器采用A/D转换的方式测量蓄电池的电压，即先把蓄电池的电压转换成数据，然后将测试数据和已储存的过充电电压、过放电电压、恢复供电电压数据进展比较，根据比较结果作出相应的控制。电路中R11、R12和R15、R16分别组成蓄电池和太阳能电池的电压取样电路，PIC12F675有4通道10位的A/D转换器，这里使用了AN0和AN1两个通道，转换结果10位二进制输出到ADRESH和ADRESL存放器中，输出格式采用左对齐，即前8位存入ADRESH，后两位存入ADRESL， A/D转换器的参考电压为5V，能转换的最大模拟电压值就是5V，因此取样电路要使用分压电阻。太阳能电池的电压取样电路在增加夜灯控制功能时使用。PIC12F675的GP0、GP1分别作两个通道A/D转换器的模拟信号输入端，PIC12F675的GP3、GP4、GP5分别作三个功能输出端。 A/D转换器的参考电压选择单片机内部的VDD，即5V作为参考电压。VD9能防止太阳能电池板接反。当太阳能电池接反时也不会影响到电路的完整性。VD7、保险丝FUSE组成防蓄电池反接电路，当蓄电池接反时VD7导通，通过保险丝FUSE使蓄电池短路，烧断保险丝，从而蓄电池断路，起到保护电路和负载的作用。保险丝FUSE同时也起到过载保护作用。蓄电池电压采样电路如图3.3所示。蓄电池两端电压通过R11、R12分压作用，R12所承受的电压通过7脚端AN0进入单片机内，单片机比较7脚输入的电压从而做出相应的控制。图3.3 蓄电池电压采样电路太阳能电压采样电路如图3.4所示。太阳能板两端电压通过R15、R16分压作用，R16所承受的电压通过6脚端AN1进入单片机内，单片机比较6脚输入的电压从而做出相应的控制。这里的6脚端AN1是预留的端口，利用这个端口的功能可以做成太阳能路灯系统控制器。当天黑时，控