基于AT89S51单片机的太阳能控制器设计与制作

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

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）。

太阳能电池蓄电池

分压电路

采集电压

分压电路采

集电压

A/D转换

A/D转换

AT89S51

单

片

机

光耦电路

光耦电路

充电控制

放电控制

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。

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。