单片机的太阳能蓄电控制系统设计(附件)
摘 要本文研究了一种基于单片机的太阳能蓄电控制系统。该系统具有蓄电控制和实时检测端口电压功能，并能实现太阳能电池板的自动寻光，可用于手机、照相机、MP3和LED照明灯等小功率电子设备的充电。系统以STC89C52单片机为核心，通过数据采集电路实现对电池板端口、蓄电池端口、输出负载端口电压的采集和变换，经过单片机程序处理后控制整个蓄电过程，包括蓄电池的欠电压充电、过电压停充，并能通过LCD实时显示各端口的检测电压；同时，还可通过控制双轴联动步进电机的转角来实现太阳能电池板的自动寻光。文中详细介绍了系统的软硬件设计。系统硬件电路主要包括：单片机最小系统、电压数据采集电路、充/放电控制电路、电池板位置检测电路、电池板位置调整电路、LCD显示电路及报警指示电路等。软件设计采用模块化编程方法，主要进行了初始化子程序、电压数据采集子程序、数字滤波子程序、充/放电控制子程序、电池板位置调整子程序等的设计。最后，在实验室环境下，对所设计系统进行了测试。结果表明：该系统能够对蓄电过程进行有效控制，并具有太阳能电池板自动寻光功能，可为小功率电子设备进行稳定充电；同时，系统还具有性价比高、可靠性好等特点，在实际生活中具有较高的实用价值。 目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统结构设计 3
2.2 系统设计相关知识 4
2.2.1 光伏效应 4
2.2.2 蓄电池充/放电原理 4
3 硬件电路设计 6
3.1 单片机最小系统电路 6
3.1.1 STC89C52简介 6
3.1.2 时钟电路 7
3.1.3 复位电路 8
3.2 电压数据采集电路 8
3.2.1 数据采集电路 8
3.2.2 A/D转换电路 9
3.3 充/放电控制电路 11
3.4 电池板位置检测电路 12
3.5 电池板位置调整电路 13
3.6 报警指示电路 15
4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
电路 7
3.1.3 复位电路 8
3.2 电压数据采集电路 8
3.2.1 数据采集电路 8
3.2.2 A/D转换电路 9
3.3 充/放电控制电路 11
3.4 电池板位置检测电路 12
3.5 电池板位置调整电路 13
3.6 报警指示电路 15
4 软件设计 17
4.1 系统软件总体设计 17
4.2 初始化子程序 18
4.3 电压数据采集子程序 18
4.4 数字滤波子程序 20
4.5 充/放电控制子程序 20
4.6 电池板位置调整子程序 21
5 系统测试与分析 23
5.1 系统测试 23
5.2 测试结果分析 24
6 总结与展望 25
6.1 课题总结 25
6.2 课题展望 25
参考文献 26
致谢 27
附录A 28
1 绪论
1.1 研究背景
随着世界能源危机的日益加剧，太阳能资源凭借对环境无污染、储量大、对地理环境要求低等优势，成为现代清洁能源开发的新趋势。本课题主要研究一种基于单片机的太阳能蓄电控制系统[1]。该系统能够为手机、照相机、MP3和LED照明灯等小功率电子设备进行充电，延长其使用时间；同时，该系统还具有方便、快捷和可靠性高等优点；因此，本课题在实际生活中具有较高的研究价值和使用价值。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
通过对市场上已有太阳能蓄电控制系统的研究，发现它们存在着以下两方面问题：（1）常用的蓄电控制器充电方式单一，无法进行充放电过程自动控制，不能检测和控制蓄电池输出电压，容易导致蓄电池深度放电，影响其使用寿命；（2）太阳能电池板的位置无法根据太阳轨迹的变化及时进行调整，造成太阳能电池板光能到电能转换效率低等问题。
针对上述问题，查阅了大量参考文献资料，总结出目前太阳能蓄电控制系统的发展趋势如下：
（1）以高性能微处理器为控制核心进行系统设计
目前，在太阳能蓄电控制系统设计中，广泛采用以高性能微处理器（例如：MCS51系列单片机、MSP430单片机、DSP数字信号处理器等）为核心的微型计算机控制系统，来提高系统的运行速度和抗干扰能力，增加系统的工作可靠性[2]。
（2）对充放电过程进行自动控制
系统通过实时检测充放电电路端口电压，并将检测电压值与预设安全电压值相比较，判断电路所处工作状态（欠压/过载）；当处于欠压工作状态时，接通太阳能电池板与蓄电池之间的充电控制电路给蓄电池充电，充电完成后自动断开充电电路，使系统进入正常工作状态；若处于过载状态时，则断开蓄电池与负载电路之间的供电电路，对蓄电池进行保护。
（3）通过执行机构控制太阳能电池板的位置
以往设计的太阳能蓄电控制系统，是将太阳能电池板装配在固定支架上，其位置无法调节；目前研究热点集中于根据太阳轨迹的变化，控制执行机构调整太阳能电池板与太阳光之间的角度，使太阳能电池板能够更多的接触阳光照射，提高光能转变成电能的效率[3]。
1.3 本课题的研究内容
系统以单片机为核心，通过数据采集电路对太阳能电池板端口、蓄电池端口、输出负载端口进行电压实时检测，判断电压是否超过系统预设安全值；当检测电压超过设定安全值时，进行报警指示，并通过蓄电控制电路实现对充放电电路的保护；同时，还利用LCD显示电路进行端口电压实时显示，通过电池板位置调整电路控制执行机构实现电池板的位置调整[4]。本文主要研究内容如下：
（1）根据系统设计要求，提出基于单片机的太阳能蓄电控制系统的总体设计方案。
（2）完成控制系统的硬件电路设计，包括：单片机最小系统电路、电压数据采集电路、充/放电控制电路、电池板位置检测电路、电池板位置调整电路、LCD电压显示电路及报警指示电路等设计。
（3）完成控制系统的软件设计，包括：初始化子程序、电压数据采集子程序、数字滤波子程序、充/放电控制子程序、电池板位置调整子程序等设计。
（4）进行系统硬件电路制作，完成系统软、硬件联调。
2 系统总体方案设计
2.1 系统结构设计
系统整体结构如图2.1所示，其主要包括：单片机最小系统电路、充/放电控制电路、电压数据采集电路、电池板位置调整电路、位置检测电路、LCD显示电路及报警指示电路等[5]。
图2.1 系统整体结构
（1）单片机最小系统电路。主要包括时钟电路和复位电路，为单片机系统正常工作提供时钟和复位信号[6]。
（2）电压数据采集电路。包括数据采集电路和A/D转换电路，用于对太阳能电池板端口、蓄电池端口和输出负载端口进行电压采集，并通过A/D转换将输入模拟电压转换成相应的数字量。
（3）充/放电控制电路。主要用于控制蓄电池的充、放电过程，并实现对蓄电池欠压、过压状态的有效保护。
（4）电池板位置调整电路。用于太阳能电池板的位置调整，实现电池板自动追踪太阳光的功能，提高系统从光能到电能的转换效率。
（5）LCD显示电路。可将采集到的各端口电压在液晶屏上实时显示。
（6）报警指示电路。可对系统的故障状态进行报警，提醒使用者及时处理异常情况。
2.2 系统设计相关知识
系统设计运用了光伏效应、蓄电池充/放电原理等相关知识[7]。
2.2.1 光伏效应
光伏效应原理结构图如图2.2所示。其工作原
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状和发展趋势 1
1.3 本课题的研究内容 2
2 系统总体方案设计 3
2.1 系统结构设计 3
2.2 系统设计相关知识 4
2.2.1 光伏效应 4
2.2.2 蓄电池充/放电原理 4
3 硬件电路设计 6
3.1 单片机最小系统电路 6
3.1.1 STC89C52简介 6
3.1.2 时钟电路 7
3.1.3 复位电路 8
3.2 电压数据采集电路 8
3.2.1 数据采集电路 8
3.2.2 A/D转换电路 9
3.3 充/放电控制电路 11
3.4 电池板位置检测电路 12
3.5 电池板位置调整电路 13
3.6 报警指示电路 15
4
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电路 7
3.1.3 复位电路 8
3.2 电压数据采集电路 8
3.2.1 数据采集电路 8
3.2.2 A/D转换电路 9
3.3 充/放电控制电路 11
3.4 电池板位置检测电路 12
3.5 电池板位置调整电路 13
3.6 报警指示电路 15
4 软件设计 17
4.1 系统软件总体设计 17
4.2 初始化子程序 18
4.3 电压数据采集子程序 18
4.4 数字滤波子程序 20
4.5 充/放电控制子程序 20
4.6 电池板位置调整子程序 21
5 系统测试与分析 23
5.1 系统测试 23
5.2 测试结果分析 24
6 总结与展望 25
6.1 课题总结 25
6.2 课题展望 25
参考文献 26
致谢 27
附录A 28
1 绪论
1.1 研究背景
随着世界能源危机的日益加剧，太阳能资源凭借对环境无污染、储量大、对地理环境要求低等优势，成为现代清洁能源开发的新趋势。本课题主要研究一种基于单片机的太阳能蓄电控制系统[1]。该系统能够为手机、照相机、MP3和LED照明灯等小功率电子设备进行充电，延长其使用时间；同时，该系统还具有方便、快捷和可靠性高等优点；因此，本课题在实际生活中具有较高的研究价值和使用价值。
1.2 国内外研究现状和发展趋势
通过对市场上已有太阳能蓄电控制系统的研究，发现它们存在着以下两方面问题：（1）常用的蓄电控制器充电方式单一，无法进行充放电过程自动控制，不能检测和控制蓄电池输出电压，容易导致蓄电池深度放电，影响其使用寿命；（2）太阳能电池板的位置无法根据太阳轨迹的变化及时进行调整，造成太阳能电池板光能到电能转换效率低等问题。
针对上述问题，查阅了大量参考文献资料，总结出目前太阳能蓄电控制系统的发展趋势如下：
（1）以高性能微处理器为控制核心进行系统设计
目前，在太阳能蓄电控制系统设计中，广泛采用以高性能微处理器（例如：MCS51系列单片机、MSP430单片机、DSP数字信号处理器等）为核心的微型计算机控制系统，来提高系统的运行速度和抗干扰能力，增加系统的工作可靠性[2]。
（2）对充放电过程进行自动控制
系统通过实时检测充放电电路端口电压，并将检测电压值与预设安全电压值相比较，判断电路所处工作状态（欠压/过载）；当处于欠压工作状态时，接通太阳能电池板与蓄电池之间的充电控制电路给蓄电池充电，充电完成后自动断开充电电路，使系统进入正常工作状态；若处于过载状态时，则断开蓄电池与负载电路之间的供电电路，对蓄电池进行保护。
（3）通过执行机构控制太阳能电池板的位置
以往设计的太阳能蓄电控制系统，是将太阳能电池板装配在固定支架上，其位置无法调节；目前研究热点集中于根据太阳轨迹的变化，控制执行机构调整太阳能电池板与太阳光之间的角度，使太阳能电池板能够更多的接触阳光照射，提高光能转变成电能的效率[3]。
1.3 本课题的研究内容
系统以单片机为核心，通过数据采集电路对太阳能电池板端口、蓄电池端口、输出负载端口进行电压实时检测，判断电压是否超过系统预设安全值；当检测电压超过设定安全值时，进行报警指示，并通过蓄电控制电路实现对充放电电路的保护；同时，还利用LCD显示电路进行端口电压实时显示，通过电池板位置调整电路控制执行机构实现电池板的位置调整[4]。本文主要研究内容如下：
（1）根据系统设计要求，提出基于单片机的太阳能蓄电控制系统的总体设计方案。
（2）完成控制系统的硬件电路设计，包括：单片机最小系统电路、电压数据采集电路、充/放电控制电路、电池板位置检测电路、电池板位置调整电路、LCD电压显示电路及报警指示电路等设计。
（3）完成控制系统的软件设计，包括：初始化子程序、电压数据采集子程序、数字滤波子程序、充/放电控制子程序、电池板位置调整子程序等设计。
（4）进行系统硬件电路制作，完成系统软、硬件联调。
2 系统总体方案设计
2.1 系统结构设计
系统整体结构如图2.1所示，其主要包括：单片机最小系统电路、充/放电控制电路、电压数据采集电路、电池板位置调整电路、位置检测电路、LCD显示电路及报警指示电路等[5]。
图2.1 系统整体结构
（1）单片机最小系统电路。主要包括时钟电路和复位电路，为单片机系统正常工作提供时钟和复位信号[6]。
（2）电压数据采集电路。包括数据采集电路和A/D转换电路，用于对太阳能电池板端口、蓄电池端口和输出负载端口进行电压采集，并通过A/D转换将输入模拟电压转换成相应的数字量。
（3）充/放电控制电路。主要用于控制蓄电池的充、放电过程，并实现对蓄电池欠压、过压状态的有效保护。
（4）电池板位置调整电路。用于太阳能电池板的位置调整，实现电池板自动追踪太阳光的功能，提高系统从光能到电能的转换效率。
（5）LCD显示电路。可将采集到的各端口电压在液晶屏上实时显示。
（6）报警指示电路。可对系统的故障状态进行报警，提醒使用者及时处理异常情况。
2.2 系统设计相关知识
系统设计运用了光伏效应、蓄电池充/放电原理等相关知识[7]。
2.2.1 光伏效应
光伏效应原理结构图如图2.2所示。其工作原
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