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基于AT89S51单片机的太阳能控制器设计与制作.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.58M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    目 录
    内容摘要 本文介绍了一种基于单片机的太阳能控制器，系统使用低功耗、高性能的AT89S51单片机作为控
    关键词 太阳能；控制器；AT89S51单片机
    1 研究意义与功能介绍
    1.1 研究意义
    1.2 功能介绍
    本系统以ATMEL系列中的AT89S51单片机为控制中心，软硬件的结合，利用分压电路对蓄电池，太阳能
    图1系统结构框图
    2电路设计
    2.1 主原理图
    如图2所示，电路包含太阳能电池，DC-DC变换电路，蓄电池，数据采集电路，A/D转换电路，单
    图2系统设计电路图
    2.2蓄电池充电方式
    作为太阳能储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适的充放电方式。所有的
    2.3充放电电路
    电路由防反充二极管D1、滤波电容C1、续流二极管D2、MOSFET管Q1、滤波电容C2、MOSFET
    图3 充放电电路
    2.4电压采集电路
    如图4所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为10:1，然后并联在需要检测的电压两端
    图4电压采集电路
    2.5光耦开关电路
    当输入信号C1为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，输出端两管脚间的电阻很大，相当
    图5 光耦开关电路
    2.6单片机及其外围电路
    本设计使用AT89S51单片机，单片机及其外围电路包括上电复位电路，晶振，LED指示灯如图6
    图6 单片机及其外围电路
    2.7A/D转换电路
    AT89S51单片机没有内置的A/D转换模块，因此采集的电压需要经A/D转换才可接入单片机。此设计采
    图7 A/D转换电路
    2.8单片机电源电路
    单片机对电源质量要求严格，只有波形稳定清晰的电源才能使单片机上电复位，否则无法上电复位，晶振不能起振
    图8单片机电源电路
    2.9PCB图
    开始画PCB图是使用自动布线加手工修改，但是设成以单层板的形式自动布线，生成的PCB图走线弯弯区区太
    图9系统PCB图
    2.10作品实物
    图10作品实物图（正面）
    图11作品实物图（背面）
    3 主要器件介绍
    3.1 AT89S51单片机
    AT89S51单片机是ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Byt
    AT89S51具有以下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 byte
    3.2 TLC549
    TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、
    TLC548/549的极限参数如下：　　
    ●电源电压：6.5V；　　
    ●输入电压范围：0.3V～VCC＋0.3V；　　
    ●输出电压范围：0.3V～VCC＋0.3V；　　
    ●峰值输入电流(任一输入端)：±10mA；　　
    ●总峰值输入电流(所有输入端)：±30mA；　　
    ●工作温度：－55℃～125℃
    3.3 MOSEFT管
    MOSEFT管是利用电场效应来控制电流的，由金属、氧化物和半导体制成，由于场效应管的栅极被绝
    VGS=0V,ID=-250uA
    VGS=-10V,ID=-11A
    VDS=VGS,ID=-250uA
    VDS=-50V,ID=-11A
    VDS=-80V VGS=0V,IDSS=250uA
    VGS=20V,IGSS=100nA
    3.4 光耦
    光耦合器是以光为媒介传输电信号。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。光耦
    3.5太阳能电池
    如右图所示，太阳能电池是利用半导体光伏效应制成的，能够直接将太阳辐射转换成电能的器件。具
    3.6 蓄电池
    国内目前被广泛使用的太阳能蓄电池主要是铅酸蓄电池，它的主要特点：寿命长，免维护安全可靠，具有
    4 软件设计
    4.1 程序主要流程图
    4.2主要C程序
    #include //51芯片管脚定义头文件
    #include //内部包含 _nop_();
    #define uchar unsigned char
    #define uint unsigned int
    sbit CLK = P0^0; /* AD时钟信号 */
    sbit CS = P0^2; /* AD片选信号 */
    sbit DOUT = P0^1; /* 数据输出 */
    sbit FuZai = P1^1 ;
    sbit PWM = P1^0 ;
    sbit LED1 =P2^0;
    sbit LED2=P2^1;
    uchar t0,battery_v;
    void delay(uint n) //延时函数
    {
    while(n--)
    {
    _nop_();
    }
    }
    /*************************************/
    void init()//初始化函数
    {
    TMOD=0x01;
    TH0=(65536-50)/256;
    TL0=(65536-50)%256;
    EA=1;
    ET0=1;
    PWM=0;
    LED1=1;
    LED2=1;
    }
    /***********************************/
    uchar adc_549(void) //AD转换
    {
    uint data_out=0;
    uchar i;
    CS = 1;
    _nop_();
    CS = 0;
    for (i=0; i<8; i++) /* 读取8位数据 */
    {
    CLK = 0;
    data_out = (data_out<<1)|DOUT;
    CLK = 1;
    _nop_();
    }
    CLK = 0;
    CS = 1;
    delay(3); /* 延时21us以上 */
    return(data_out);
    }
    /**********************************/
    void main(void)
    {
    init();
    while(1)
    {
    battery_v=adc_549();
    FuZai=1;//打开负载
    if(battery_v>186)//蓄电池电压大于10V
    {
    LED1=1;
    LED2=0;
    if(224>battery_v>204)
    {
    TR0=1; //开启固定PWM充电
    if(t0==5)
    {
    PWM=1;
    }
    if(t0==12)
    {
    t0=0;
    PWM=0;
    }
    }
    else
    {
    TR0=0;
    LED1=1;
    LED2=1;
    }
    }
    else
    {
    LED1=0;
    LED2=1;
    FuZai=0;//关闭负载
    }
    }
    }
    void timer0() interrupt 1 //定时器0，用来产生PWM
    {
    TH0=(65536-50000)/256;
    TL0=(65536-50000)%256;
    t0++;
    }
    5 测试分析
    由于太阳能电池价格比较贵，所以设计中使用12V直流电源模拟太阳能电池。测试所用的蓄电池规格：12V，
    以下是模拟充电得到的参数：当模拟蓄电池的电压低于10V，MOSFET管Q2关闭停止对负载供电，同时红
    [6] 百度文库http://wenku.baidu.com/view/1d000f4e767f5a
    Key words Controller；MCU；Solar
    本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 论文（设计）题目：基于 AT89S51 单片机的太阳能控制器设计与 制作 2010 年 5 月 目 录 中文摘要...................................................................................................................................1 1 研究意义与功能介绍...........................................................................................................1 2 电路设计................................................................................................................................2 2.1 主原理图......................................................................................................................2 2.2 蓄电池充电方式..........................................................................................................3 2.3 充放电电路..................................................................................................................3 2.4 电压采集电路..............................................................................................................4 2.5 光耦开关电路..............................................................................................................4 2.6 单片机及其外围电路..................................................................................................5 2.7 A/D 转换电路.............................................................................................................. 6 2.8 单片机电源电路..........................................................................................................6
    2.9 PCB 图......................................................................................................................... 7 2.10 作品实物....................................................................................................................7 3 主要器件介绍.......................................................................................................................8 3.1 AT89S51 单片机.......................................................................................................... 8 3.2 TLC549.........................................................................................................................9 3.3MOSFET....................................................................................................................... 9 3.4 光耦..............................................................................................................................9 3.5 太阳能电池..................................................................................................................................10 4 软件设计............................................................................................................................. 11 4.1 主要程序流程图....................................................................................................... 11 4.2 主要 C 程序.............................................................................................................. 11 5 测试.....................................................................................................................................14 6 小结.....................................................................................................................................15 参考文献.................................................................................................................................15 英文摘要.................................................................................................................................16 致谢...............................................................................................................................................................17
    基于 AT89S51 单片机的太阳能控制器设计与制作 内容摘要 本文介绍了一种基于单片机的太阳能控制器，系统使用低功耗、高性能的 AT89S51 单片机作为控制电路的核心器件。此系统由太阳能电池模块，蓄电池，充放电 电路，电压采集电路，单片机控制电路和光耦驱动电路组成。设计使用 PWM（脉宽调 制）控制技术来控制蓄电池充放电，通过控制 MOSFET 管开启和关闭达到控制电池充 放电的目的。实验结果表明，该控制器性能可靠，可以监视太阳能电池和蓄电池电池状 态，实现控制蓄电池最优充放电，达到延长蓄电池的使用寿命。 关键词 太阳能；控制器；AT89S51 单片机 我国现阶段的用电主要靠水力发电，但是我国水力资源在地域分布上极不平衡，总 体来看，西部多、东部少。对于水电资源缺乏的地区或者用电超负荷的城市开发新能源 是当务之急。我国的西部地区，包括西藏、新疆、青海、内蒙古、四川等省年日照时间 长，这些地区面积宽广、人口密集低，在一些偏僻的地区传统的供电设施建设成本高， 电能的供需矛盾显得十分突出，因此当地政府充分利用太阳能发电解决无电地区的用电 具有重大的战略意义。为了更高效的利用太阳能，白天将太阳能转化为电能，利用蓄电 池将剩余的电能储存起来，需要用电时即可由蓄电池供电。 1 研究意义与功能介绍 1.1 研究意义 随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，近年来能源供需 矛盾突出，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。太阳光没有地域的限制无论陆地 或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。它同 以往其他电源发电原理完全不同，具有以下特点：1.无枯竭危险；2.干净无公害；3.不受 资源分布地域的限制；4.可在用电处就近发电；5.能源质量高；6.获取能源花费的时间短。 1.2 功能介绍 本系统以 ATMEL 系列中的 AT89S51 单片机为控制中心，软硬件的结合，利用分压 电路对蓄电池，太阳能电池的电压、电流进行采样。再经过 A/D 转换采样数据输入到单 片机中进行处理。单片机输出经光耦驱动 MOSFET 管来控制外接电路开启关闭。该系 统可以实现控制蓄电池的最优充放电，当蓄电池电压在 14.4V+0.5 时，太阳能电池停止 1
    对蓄电池充电，当蓄电池电压在 10.9V+0.5 时，蓄电池停止对负载放电；负载电流检测 电路可进行过流保护及负载功率检测（如图 1）。 图 1 系统结构框图 2 电路设计 2.1 主原理图 如图 2 所示，电路包含太阳能电池，DC-DC 变换电路，蓄电池，数据采集电路， A/D 转换电路，单片机控制电路及状态显示部分。本设计以 ATMEL 系列 AT89S51 单片 机为控制中心的软硬件的结合，使用并联在电池两端的两个串联电阻，以分压方式对蓄 电池、太阳能电池的电压进行采样，送到 A/D 转换得到一个数字信号的电压值，再将信 号送入到单片机中进行处理。单片机输出经光耦电路控制 MOSFET 管。控制 MOSFET 管导通的方式是脉冲宽度调制(PWM)，根据程序设计的载荷变化来调制 MOSFET 管栅的 偏置，达到实现开关功能。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，Q1 截止充电停止。当检测到蓄电池的电压低于 10.8V，Q2 关闭停止放电。 2
    1 B1 D1 R1 50k AD1 R2 5k U4 Q1 C1 100uF 1 K AD2 R3 50k R4 5k Vin 1 B2 2 D2 RL Q2 K2 T1 LM7805 Vin 1 V in C2 470uF Vout D N G 3 C3 100uF 2 VCC C4 104 2 R5 5k R7 5k U4 C1 C2 U4 Vin U5 Y1 X1 11MHZ C6 47 X2 C7 47 R6 K1 R8 K2 VCC J1 1 2 3 4 CON4 C5 10uF RST R9 10k C1 C2 RST X2 X1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 U1 AT89S51 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 MOSI/P1.5 MISO/P1.6 SCK/P1.7 RST RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 GND R10 200 R11 200 VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 D3 D4 图 2 系统设计电路图 VCC CLK1 DO1 CS1 CLK2 DO2 CS2 VCC 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 J2 1 2 3 4 5 6 CON6 VCC AD1 1 2 3 4 AD2 VCC 1 2 3 4 U2 REF+ AIN REF- GND TLC549 U3 REF+ AIN REF- GND TLC549 VCC CLK DO CS VCC CLK DO CS VCC 8 7 6 5 CS1 DO1 CLK1 VCC 8 7 6 5 CS2 DO2 CLK2 2.2 蓄电池充电方式 作为太阳能储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适 的充放电方式。所有的蓄电池充电过程都有快充、过充和浮充 3 个阶段，每个阶段都有 不同的充电要求。现行的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、间隙式 充电法等，这些充电方法各有利弊。本设计采用最容易实现的恒压充电。蓄电池的电压 在 10.8V-12V 之间为快充；蓄电池的电压在 12V-14.5V 之间为浮充；蓄电池的电压为 14.5V 时停止充电。 2.3 充放电电路 电路由防反充二极管 D1、滤波电容 C1、续流二极管 D2、MOSFET 管 Q1、滤波电 容 C2、MOSFET 管 Q1 等构成。二极管 D1 是为了防反充，当阴天或晚上蓄电池的电压 高于太阳能电池的电压时，D1 就生效。通过控制开关闭合跟断开的时间（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 3
    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 IRF9540N P 沟道 MOSFET 管，P 沟道 MOSFET 的导通电压 Vth<0，由下图 可以实现 MOSFET 的驱动。当光耦 U5 导通时，由于 Q1 的 G 极电压很小，G 极近似接 地，Vgs<0，当 S 极电压达到一定值时，Q1 导通。Q2 的原理类似。电路如图 3。 D1 U4 Q1 R1 50k AD1 R2 5k 1 B1 2 C1 100uF 1 K AD2 R3 50k R4 5k 图 3 充放电电路 Vin 1 B2 2 D2 RL Q2 K2 2.4 电压采集电路 如图 4 所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为 10:1，然后并联在需 要检测的电压两端，从两个电阻中间采集电压。由分压公式得出采集的电压为 VR1R21/11， 当蓄电池充满电时电压大概为 14.5V，计算出采集到的电压为 1.3V，符合 A/D 转换芯片 的 TLC549 的输入值。 图 4 电压采集电路 4
    2.5 光耦开关电路 当输入信号 C1 为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，输出端两管 脚间的电阻很大，相当于开关“断开”；当 C1 为高电平时，光耦内部的发光二极管发光， 输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从 U5 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，当 S 极电压达到一定值时，Q1 导通。 U4 C1 C2 U4 R5 5k R7 5k Vin U5 R6 K1 R8 K2 2.6 单片机及其外围电路 图 5 光耦开关电路 本设计使用 AT89S51 单片机，单片机及其外围电路包括上电复位电路，晶振，LED 指示灯如图 6 所示，其中 D3、D4 为高电平有效，用来显示工作状态。 VCC CLK1 DO1 CS1 CLK2 DO2 CS2 VCC 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 C1 C2 RST X2 X1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J1 1 2 3 4 CON4 VCC C5 10uF RST R9 10k U1 AT89S51 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 MOSI/P1.5 MISO/P1.6 SCK/P1.7 RST RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 GND R10 200 R11 200 VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8 D3 D4 图 6 单片机及其外围电路 5
    2.7A/D 转换电路 AT89S51 单片机没有内置的 A/D 转换模块，因此采集的电压需要经 A/D 转换才可 接入单片机。此设计采用 8 位串行 A/D 转换器芯片 TLC549（如图 7）。需要采集的信号 从 2 管脚 AIN 输入，1 管脚的基准电压使用 5V，5、6、7 三管脚连单片机。 VCC 8 7 6 5 U2 VCC CLK DO CS TLC549 REF+ AIN REF- GND 图 7 A/D 转换电路 VCC 1 2 3 4 AD1 2.8 单片机电源电路 单片机对电源质量要求严格，只有波形稳定清晰的电源才能使单片机上电复位，否 则无法上电复位，晶振不能起振，单片机就不工作。蓄电池提供的电压是 12V，单片机 电源使用 5V 电压，因此需要稳压后才能供单片机使用，本设计采用 LM7805 稳压后得 到波形较好的电源才供单片机使用。 Vin 1 C2 470uF V in Vout D N G T1 LM7805 2 3 C3 100uF VCC C4 104 图 8 单片机电源电路 6
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