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1、摘 要进入二十一世纪，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，而能源问题日益严重。人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。而太阳能和风能被看做是最具有代表性的新能源和可再生能源，由于风力发电和太阳能发电系统均受到外部条件的影响，光靠独立的风力或太阳能发电系统经常会难以保证系统供电的连续性和稳定性，因此，在采用风光互补的混合发电系统来进行相互补充，实现连续、稳定地供电。本设计重点针对小型风光互补发电系统中蓄电池充放电控制模块和逆变器模块进行了设计及仿真。设计针对目前市场上传统充电控制器对蓄电池的充放电控制不合理，同时保护也不够充分，使得蓄电
2、池的寿命缩短这种情况，研究确定了一种基于单片机的太阳能充电控制器的方案。在太阳能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一定分析，完成了硬件电路设计和软件编制并通过proteus仿真软件进行仿真，实现了对蓄电池的高效率管理。逆变环节采用PWM调制方式，控制芯片为PIC16F73，简化了驱动电路设计。软件设计中，采用瞬时电压反馈，增加了电路保护等功能，论文阐述了软件设计总体思想构架，给出了程序代码。最后,利用单片机仿真软件proteus对系统进行仿真并给出仿真原理图及仿真波形。关键词：风光互补；风能；太阳能；控制；Proteus仿真Abstract Entering the 21
3、st century, human beings are facing to realize the sustainable development of economy and society, and energy problem becomes more and more serious. Only by relying on the progress of science and technology and the large-scale exploitation and utilization of renewable energy and new energy can human
4、 solve the problem of energy. And solar and wind power are considered the most representative of new and renewable energy, The power technology of solar energy and wind attack worlds attention. Because of wind power and solar power system under external conditions, and only by independent wind or so
5、lar power systems often hard to ensure the continuity and consistency of power system therefore, using hybrid power system of complementary scenery to complement each other, realize the continuous, stable power supply. This design mainly for small wind-light complementary system of battery charging
6、and discharging control module and inverter module for the design and simulation. The conventional charge controller on the market today on the battery charge and discharge control is unreasonable, and its protection is also inadequate, which makes the battery life to shorten. To solve this problem,
7、 the design identifies a solar charge controller based on single chip solution. In the solar energy to battery charge and discharge means, the controller of the functional requirements and the practical application aspects ,making some analysis, completed the hardware circuit design and software dev
8、elopment, to achieve the high efficiency of the battery management. In the inverter part ,the paper use PWM inverter link, and the control chip is PIC16F73,this makes the system simple. In the software design, the paper uses the transient voltage feedback and meanwhile, increase circuit protection f
9、unction, the paper also elaborates the overall framework of software design and displays program code. Finally, the paper uses single chip computer simulation software the Proteus simulink the system and gives the simulation principle diagram and waveform.Keyword: Wind and PV hybrid; Wind power; Sol
10、ar power; Control; Proteus simulation目录摘 要1Abstract21 绪论51.1能源问题51.2风能太阳能的概况51.3 风光发电的发展概况52 风光互补发电系统整体结构83 光伏发电介绍93.1太阳能光伏电池的原理93.2太阳能电池板的计算104 蓄电池充电控制器的设计134.1 系统层次原理图134.2 单片机最小系统144.2.1 STC89C52的简介144.2.2 单片机的最小系统及扩展电路144.3 充放电电路154.4光耦驱动电路164.5 A/D转换电路174.5.1 ADC0804的简介174.5.2 ADC0804外围接线电路194.
11、6 LCD显示电路204.7 E2PROM数据存储电路214.8 串口通信电路224.9 太阳能充电控制器的软件设计254.9.1 系统主程序设计264.9.2 软件调试和仿真265 逆变主电路的设计305.1控制方法305.2控制芯片305.3PWM控制电路315.3.1PIC16F73供电电源315.3.2时序和死区电路315.3.3光耦隔离电路325.3.4电压反馈检测电路335.4PWM控制电路系统图335.5 逆变系统软件设计与仿真345.5.1 主程序的设计355.5.2 程序设计原理365.5.3 系统仿真36结论39致谢40参考文献41附录1 充放电控制源程序42附录2 PWM
12、波形产生源程序531 绪论1.1能源问题能源是不仅仅是现代经济社会发展的基础，也是经济社会发展的重要制约因素。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油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日益恶化，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。解决能源危机可以有如下三种办法：一是提高燃烧效率以减少能源消耗，实现清洁煤燃料以减少污染；二是开发新能源，积极利用可再生能源；三是开发新材料、新工艺，最大限度地实现实现节能。太阳能和风能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，作为这两种能源的高级利用，太阳能发电和风力发电技术受到世界各国的高度重
13、视。1.2风能太阳能的概况太阳能分布广泛，可自由利用，取之不经，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。而光伏发电技术是太阳能利用技术中最具有发展前景的方式之一。它具有无污染、无噪声、安全可靠、故障率低、维护简单、建设周期短等优点。它是今后可替代矿物燃料的战略性能源，又是当前边远地区能源供应的一种有效的补充。随着矿物燃料的逐渐消耗，太阳能光伏发电技术将越来越显示其重要性和发展潜力。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射造成地球表面受热不均引起的，引起大气层压力分布不均，以致空气流动所形成的动能称为风能。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源，一起蕴藏量巨大、可以再生、分布广泛以及没有污
14、染等优势而在各国发展迅速。全球的风能约为2.74109WM，其中可利用的风能为2107WM，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。可以看出，太阳能发电和风力发电对于改善能源结构、推动生态环境建设，特别是对边远地区的生产、生活用电等诸多领域的发展将发挥积极的作用，具有广阔的市场前景。1.3 风光发电的发展概况光伏发电技术1839年，法国物理学家EdmondBecquerel意外的发现，用两片金属浸入溶液结构的付打电池在光照下会产生额外的电势，他将这种现象称为“光生付打效应（Photovoltaic Effect）”。1873年，英国科学家WilouzhbySmith观察到对光敏感的硒材料，并
15、推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比与光通量。1880年，Charles Ffitts 开发出以硒为基础的太阳能电池，以后人们即把能够产生光生付打效应的器件称为“光伏器件”。半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“太阳能电池（Solar Cell）”。1954年，贝尔实验室的科学家们第一次用晶体硅材料制成了光伏电池，光电转换效率高达4%。始于20世纪50年代的空间发展计划成为光伏发电技术的第一个主要应用对象，而且光伏技术的发展也成为整个空间技术发展计划的一部分，对光伏技术的发展起到了巨大的推动作用。今天，几乎所有的人造卫星都是靠光伏电池供电，包括通信卫星、军事卫星和
16、科学家实验卫星。风能发电技术20世纪90年代中后期，在世界范围内形成了一股风力发电热，风力发电量增长速度居全球之首。全世界风力发电迅猛发展的原因主要有一下几个：第一，风力发电技术比较成熟。近20年来，美国、丹麦等国家投入了大量的人力、物力和财力研究可以商业运营的风力机，取得了突破性的进展。可利用率从原来的50%提高到98%，风能利用系数超了40%。由于采用计算机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护措施更加完善，并且实现了单机独立控制、多机群控和遥控，完全可以无人职守。现代风力机技术是现代高科技的完善组合。目前，百千瓦级风机已经商品化，投入批量生产，兆瓦级机组也正小批量生产。第二，风力发电具有经
17、济性。目前据美国能源部2000年统计，全世界风力发电机组的单位造价已降为1000美元/KW，单位发电成本为47美分/kWh；而火力发电单位造价为700800美元/KW，单位发电成本为58美分/kWh。第三，全球有丰富的风能资源。据统计全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。美国0.6%的陆地面积安装了风力发电机，便可以满足美国目前电力需求的20%。第四，政府的优惠政策。美国政府为风力机行业提供40%的信贷；德国政府也给风力机投资者提供资助，资助金额最高达单台风力机投资的60%；丹麦政府对风力机投资者提供资助，20世纪80年代初期为30%，以后逐年减少，到1990年资助完全取消。这些优惠政策，促进
18、了风力商品化进程，这也是以上3个国家能成为世界上风电生产大国的一个主要原因。第五，风力发电是实现人类可持续发展的需要。随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可以开采221年，石油还可以开采39年，天然气只能用60年。国际能源专家预言：21世纪是风力发电的世纪。绿色能源风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。风光互补发电上世纪八十年代许多人开始了风能、太阳能的综合利用的研究。丹麦的N.EBusch和Kllenbach（1981年）提出了太阳能和风能混合利用技术问题；美国的C.LAsPliden（1981）研究太阳能风能混合转换
19、系统的气象问题；前苏联的N.sarin等根据概率原理，统计出近似的太阳能风能潜力的估计值；余华杨等（1987）也提出了太阳能、风能发电机的能量转换装置。尽管太阳能和风力发电有上述众多优势，但是作为独立供电设备二者均存在一定的局限性。独立的风力发电装置在无风天气下无法提供电能的连续供应，而太阳能发电装置在夜晚以及阴雨天等气候条件下无法保证电能的连续供应。采用风光互补发电技术后，可以有效解决单一发电不连续问题，保证基本稳定的供电。我国属季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射强度小；夏季风小，太阳辐射强度大。同时大部分地区正午太阳光强的时候一般没有风，而在夜间没有太阳光照的时候风力则相对较强。风和光在时
20、间上的互补性使得风光互补发电技术在保障供电连续性上有重大意义，风光互补发电系统具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点，也解决了太阳能发展中对电网冲击等影响。因而风光互补发电技术正在得到广泛地应用。2 风光互补发电系统整体结构系统结构图如图1所示。该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。太阳能电池 风力发电机微机控制系统 逆变器蓄电池图1 系统框图从图1中我们可以看出，它的主要组成设备有：风力发电机：风机采用具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在
21、安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。采用12V/150W风力发电机，当风力3m/s工作，10m/s风速时达到额定150W功率。太阳能光电池板：采用100W/14V ，0.6的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点：它是转换效率高达15%的单晶硅太阳能电池板。具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。铅酸蓄电池：蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。微机控制系统：微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的
22、基本保证。另外本系统受应用环境的要求，本身就要求实现免维护。所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。逆变器：逆变系统是把蓄电池中的直流电变成标准的220V交流电，保证交流电在设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；在逆变器的电路结构形式上，主要是工频变压器和高频变压器两种形式。对一个风光发电系统而言，逆变器是一种电力电子设备，抗过载，抗冲击的能力要相对弱一些，是最易出故障的单元。 3 光伏发电介绍3.1太阳能光伏电池的原理太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳的光能直接转化为电能。目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池
23、。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。另外，还有其它类型的太阳电池。太阳能电池的能量转换是应用P-N结的光伏效应（Photovoltaic Effect）。首先对P-N结二极管做一简单说明。如图3-1所示，为一理想的P-N结二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如下： （1）Ipn，Vpn：P-N结二极管的电流及电压k：波尔兹曼常数（Boltzmann Constant：1.3810-23J/K）q：电子电荷量（1.60210-19库仑）T：绝对温度（凯氏温度K摄氏温度273度）Is：等效二极管的逆向饱
24、和电流VT：热电压（Thermal Voltage：25.68mV）太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子（Photons），而每个光子所携带的能量为Eph： （2）h：普郎克常数（Planck Constant：4.1410-15eVS）c：光速（3108m/s）：光子波长图3-1P-N结二极管I-V特性图但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样。当光子所携带的能量大于禁带（Band Gap）能量时，电子由价电带（Valence Band）跃迁至导电带（Conduction Band）而产生所谓的“电流”，所以当光子
25、所携带的能量若大于禁带能量时，便可以通过光电子转换成电能。当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价电带激发到导电带，从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对，在内建电场的作用下，电子向N型区移动，空穴向P型区移动，这样，N区有很多电子，P区有很多空穴，在P-N结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场，它的一部分抵消了内建电场，其余部分则使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。如果位太阳电池开路，即组成电池回路中，负载电阻为无穷大，则被P-N结分开的电子和空穴，就会全部积累在P-N结附近，于是出现
26、了最大光生电动势，它的数值即为开路电压，记作Voc。如果把太阳电池短路，即回路负载电阻为零，则所有P-N结附近的电子与空穴，由结的一边，流经外电路到达结的另一边，产生了最大可能的电流，即短路电流记作ISC。太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路，如图3-2所示。图3-2 太阳能电池的理想状态等效电路3.2太阳能电池板的计算硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率WP。太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力H(WH)，由负载额定电源与负载24h所消耗的电力，决定了负载24h消耗的容量P
27、(AH)，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流IP(A)。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压VF (V)，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压VT(v)及反充二极管P-N结的压降VD(V)所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压VP(V)，由太阳电池阵列工作电源IP(A)与工作电压VP(V)，便可决定平板式太阳能板发电功率WP，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量WP与太阳能电池阵列工作电压VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。太阳能电池阵列的具体设计步骤如下：计算负载24h消耗容量
28、P。P=H/V（）V负载额定电源选定每天日照时数T(H)。计算太阳能阵列工作电流。IP=P(1+Q)/T（）Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00确定蓄电池浮充电压VF。镉镍()和铅酸()蓄电池的单体浮充电压分别为1.41.6V和2.2V。太阳能电池温度补偿电压VT。VT=2.1/430(T-25)VF（）计算太阳能电池阵列工作电压VP。VP=VF+VD+VT（）其中VD=0.50.7，约等于VF太阳电池阵列输出功率平板式太阳能电板。WP=IPUP（）根据VP、WP在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。太阳电池阵列的伏安特性如图5。由图可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线
29、性。太阳电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000W；太阳电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，太阳电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“WP”。当日射S0。当光耦U2断开时，由于Q1的G极电压接近蓄电池电压，S极是接地，使得Vgs0，当G极电压达到一定值时，Q1导通。电容C4是太阳能电池板输出电压滤波，使得更稳定地给蓄电池充电。电容C5是对蓄电池输出电压进行滤波，以保证负载供电电路的稳定性。图中稳压管D2用来对蓄电池进行稳压作用。当用户将蓄电池反接至控制器时，续流二极管D3可以进行续流，从而保护控制器不被毁坏。图 4-6
30、充放电电路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左右，Q1截止使充电停止，同时Q2也关闭来关断负载。当检测到蓄电池的电压低于10.8V，Q2关闭停止放电，关断负载来实现欠压关断。4.4光耦驱动电路为了增加系统的可靠性，本设计用光电耦合器实现单片机控制电路和充放电电路的隔离。光耦驱动电路如图4-7所示。M0S管Q1控制着充电电路，当充电控制信号PWM为低电平时，光耦内部的发光二极管的电流近似为零，右侧三极管不
31、导通，输出端两管脚间的电阻很大，相当于开关“断开”，输出端K1被抬高，电阻R9右侧被稳压管D2稳压到12V左右，MOSEFT的Vgs0，MOS管Q1开启，太阳能极板开始对蓄电池充电；当充电控制器信号为高电平时，光耦内部的发光二极管发光，三极管导通，输出端两管脚间的电阻变小，相当于开关“接通”，此时从U2输入的电压经光耦流向接地端，K1处的电压接近为零，MOSEFT的Vgs0，Q1截止，充电电路关断。这就是充电电路原理。M0S管Q2控制着放电电路，其原理与Q1相似。 图4-7 光耦驱动电路4.5 A/D转换电路本系统设计的STC89C52单片机没有内置的A/D转换模块，因此需要先采集蓄电池的电压
32、，然后经A/D转换才可接入单片机。市场中集成的A/D转换器品种很多，选用时需要综合考虑各种因素进行选取。一般逐次比较型A/D转换器用到较多，本设计采用8位并行A/D转换器芯片ADC0804。因为蓄电池电压的采集转换在系统中极为重要，所以下面对所选ADC0804芯片及在本系统中是典型连接电路予以介绍。4.5.1 ADC0804的简介AD转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。AD转换器最主要的技术参数是转换速度和转换精度，由于逐次比较型兼有并行A/D转换器转换速度高和双积分型转换精度高的优点，所以得到普遍应用。ADC0804就是这类集成A/D转换器。ADC0804 为一只具有2
33、0引脚并行8位CMOS工艺逐次比较型的集成A/D 转换器， 其规格如下： (1) 高阻抗状态输出，分辨率：8 位(0255)(2) 存取时间：135 us ；转换时间：100 us(3) 总误差：正负1LSB(4) 工作温度：0度70度； (5) 模拟输入电压范围：0V5V (6) 参考电压：2.5V；工作电压：5V (7) 输出为三态结构，可直接连接在数据总线上。ADC0804引脚图如图4-8所示，其各个引脚的功能： 芯片片选信号输入端，低电平有效，一旦有效，表明A/D转换器别选中，可启动工作。外部读取转换结果的控制输出信号。为 1 时，DB0DB7 处理高阻抗： 为 0 时，数字数据才会输
34、出。用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（=0 时），当 由 1变为 0时，转换器被清除：当 回到 1时，转换正式开始。 图 4-8 ADC0804引脚图CLK IN时钟信号输入端CLK R：内部时钟发生器的外接电阻端，与CLK配合可有芯片自身产生时钟脉冲，其振荡频率为 1/（1.1RC） 中断请求信号输出,端，低地平动作.，表明本次转换已完成。VIN(+) VIN(-) 差动模拟电压输入。输入单端正电压时, VIN(-)接地:而差动输入时, 直接加入 VIN(+) VIN(-). AGND,DGND模拟信号以及数字信号的接地. VREF/2参考电平输入，决定量化单位。 DB0D
35、B7三态特性数字信号输出端. VCC: 电源供应以及作为电路的参考电压. 4.5.2 ADC0804外围接线电路（1）电压采集电路 如图4-9所示，电压采集电路使用两个串联的电阻，大小比例为2:1，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ADIN，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4.8V，符合A/D转换芯片的ADC0804的输入值。图 4-9 电压采集电路（2）ADC0804构成的典型A/D转换电路图 4-10 A/D转换电路按照芯片手册中ADC0804的典型接法，系统中设计的A/D转换电路如4-10所示。单片机的P2.7引脚，
36、用来实现片选；、分别接单片机的P3.6和P3.7引脚，进行读写控制；CLK、CLKR、GND之间用电阻和电容构成RC振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲。蓄电池的电压采集信号ADIN从6脚引入，在内部采集转换后，从数字输出端输出到单片机的P1口，通过读P1口数据，便可以得到蓄电池的电压，实现实时在线检测。4.6 LCD显示电路液晶具有体积小、功耗低，显示清晰的优点，所以比较适合作显示使用。为了更好的显示电压值，同时扩展自己学习芯片的能力，本设计用液晶1602来显示蓄电池的电压值。在使用1602之前，我们首先查阅其使用手册，对其进行一定的了解。从芯片手册中，可以得到1602液晶的主要
37、技术资料，如表4-1所示，通过此表我们可以知道1602工作电压和显示容量，可以验证设计选择的是否合适。表 4-1 1602的主要技术参数显示容量 162个字符 芯片工作电压 4.55.5V 工作电流 2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压 5.0V 字符尺寸 2.954.35（WH）mm显然，1602液晶可以满足要求，接下来介绍其各个引脚的功能，为后面设计电压显示电路做准备。1602引脚功能如表3-2所示。表 4-2 1602引脚功能表 引脚符 号名 称功 能1Vss接地0V2VDD电路电源5V10%3VO液晶显示对比度调节端用于调节对比度4RS寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器5R/W读/写信号H:读 L:写6E片选信号下降沿触发,锁存数据7-14DB0-DB7数据线数据传输图 4-11 电压显示电路根据1602的技术参数和引脚功能， 1602与单片机连接构成的电压显示电路如图4-11所示。EN使能端接单片机的P2.2引脚，用来实现片选；RS接单片机P2.0引脚，进行数据和命令选择；R/W接单片机P2.1引脚，进行读写控制； 为防止直接加5V
