太阳能充电器的软件设计

太阳能充电器的软件设计摘 要 目前全球范围内的能源和环境问题日益严重， 很多人开始关注绿色环保的新能源， 光伏能源就在这种情况下得以迅速发展太阳能充电器正是光伏能源的一个重要应用。 本文描述了运用软件程序控制太阳能充电器运行的方式， 着重讨论了蓄电池智能充放电功能。自动充放电，当阳光充足，光伏组件电压大于蓄电池电压时候充电，当夜晚来临并且蓄电池电压足够时侯接通放电回路。 自动充放电， 当阳光充足， 光伏组件电压大于蓄电池电压时候充电， 当夜晚来临并且蓄电池电压足够时侯接通放电回路。关键词 蓄电池；太阳能充电器；软件设计目 录1 绪论 1 1.1 综述 1 1.1.1 中国太阳能资源的特点 1 2 太阳能充电器的组成和储能模式 2 2.1 太阳能电池的工作原理 2 2.2 太阳能电池板的分析 3 2.3 太阳能充电器的构成 3 3 太阳能充电器系统软件设计 6 3.1 设计的基本原理 6 3.2 太阳能供电系统框图 . 6 3.2.1 AD 采集模块 . 7 3.2.2 蓄电池充放电控制模块 . 7 3.2.3 充电电池充电控制模块 . 7 3.2.4 串口的通信模块 . 8 3.3 功能模块设计的流程图 . 8 3.3.1 主程序的流程框图 . 8 3.3.2 蓄电池充电控制模块流程图 . 9 3.3.3 充电电池充电控制模块流程图 10 3.3.4 模拟量采集模块流程图 . 11 4 结论 12 参考文献 13 1 1 绪论1.1 综述1.1.1 中国太阳能资源的特点随着现代科学技术及经济的迅猛发展， 各国对煤、 石油、 天然气等不可再生能源的开采也到达了顶峰，从而能源缺乏、环境污染等问题成为了人类在 21 世纪人类面临的重大问题。 为了有更多的能源可以为人类所用， 各个国家开始注重开发新的能源，比如风能、太阳能等可再生资源，它们对环境的污染很小，所以又被称为绿色能源。其中关注最多、 目前开发最大的就是太阳能， 一个重要的原因就是它的应用范围很大对于太阳能资源，我国大部分地区每年太阳光的照射时间都是高于 2000 小时的，可以见得， 它在我国的的含量是特别高的。 太阳能是天然存在的、 足够人类使用的一种能源， 在现实生活中， 我们已经在很多方面的工作中都开始利用太阳能了， 在我国对太阳能充电器的研究过程中，主要是根据地形、气候、环境、经纬度的不同而采用的不同的光控系统。 这些系统主要是为了提高光电转换的效率， 但同时必须要进行人性化的设计， 并对其不断地改进和优化。 经过逐步优化， 太阳能充电器的研究取得了显著的成果， 有些地方已经投入使用了。 但在目前的使用中功率普遍偏小， 如果遇到连续阴雨， 工作的时间可能不能满足需要。 与生活当中我们所常见的能源相比， 太阳能的优势在于1 在整个地球上人类使用的能源当中，太阳能的含量是最高的，能够维系人类能源的需求，不必担心它的含量。2 太阳能分布于地球上的每一个角落，再任何一个地方都可以就地取材，消除了能源运输的问题。3 太阳能在使用的时候中没有产生对地球环保有影响的不好的物质，有利于提高人类生存环境与身体健康。表 1 中国各地区太阳能资源情况地区分类全年日照时数年太阳辐射总量[kJ/ 2cm a ] 相当于燃烧标准煤（ kg）包括地区 与国外相当的地区一 3200-3300 670-837 230-280 宁夏北部、甘肃北 印度和巴基斯2 部、新疆东南部、青海西部坦北部二 3000-3200 586-670 200-230 河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部印度尼西亚雅加一带三 2200-3000 502-586 170-200 天津、吉林、北京、河南、河南、福建、河北东南部、安徽北部、新疆北部、江苏北部、辽宁、陕西北部、四川西部、台湾西南部、 云南、 福建、广东南部、甘肃东南部美国华盛顿地区四 1400-2220 419-502 140-170 湖北、 湖南、 黑龙江、江西、广西、广东北部、陕西南部、安徽南部、江苏南部、台湾东北部、福建北部、浙江、意大利米兰地区五 1000-1400 335-419 110-140 四川和贵州 巴黎、莫斯科2 太阳能充电器的组成和储能模式2.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池是通过太阳能光伏电系统将太阳释放出来的光能转换为现实生活中我们所需要的电能的特殊过程。 它在太阳光的照射下吸收具有某些范围内能量的光子电性相反的电子与空穴，在 PN结所产生的静电场的作用下分别移动到电池的两极，在与负载连接时，形成通路，有电流通过，即产生了电能。需要注意的是， 一般来说， 为了保证电能的正向传输， 系统的工作电压要比光电3 池的额定电压低。2.2 太阳能电池板的分析目前太阳能电池中光电转换效率最高的就是单晶硅太阳能电池， 它的最高光电转可达 24％，但由于它的制作成本比较高使其不能广泛使用。多晶硅的制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜一些， 且与单晶硅在制作过程中程序相似， 但其光电转换效率只能达到单晶硅的一半左右。 由于其材料简洁， 所以得到大量的发展。 非晶硅太阳能电池与前两种的制作方法完全不同，它在弱光下也能够发电，电消耗低，节省材料，但其光电转换效率只有 10％左右。当光照强度改变时，电池板的功率、电压也相应的发生改变。根据实际情况选择合适的工作电压，使电池板的功率接近其最大功率，进而保证它有较高的转换效率。太阳能电池板的输出功率随面积的变化而变化，当在光照条件相同的情况下，面积增大时，它的输出功率也增大，反之，面积减小时，它的输出功率也减小。2.3 太阳能充电器的构成图 1 便携式太阳能充电器的构成模块（ 1）太阳能电池组件光伏电池产生的电流随辐射强度的变化而变化，当辐射强度增大时，电流增大，反之减小。光伏电池在开路情况下的电压与系统工作情况下的电压比一般为 1 1.38 ，光电转换的最小单元是太阳能电池单体，其尺寸为 4-100cm 2 ，太阳能电池板PWM控制电路充电电池分压电压采样电流采样 单片机A/D 转换电路电源变换电压采样电流采样蓄电池组4 工作电压为 0.5v 左右 , 工作电流为 20mA/cm2。温度也影响着太阳能电池的伏安特性，当温度上升时，开路电压减小，反之则增大。（ 2）蓄电池太阳能电池方阵的储能装置是蓄电池组，在电池工作的时候，它的一部分能量被负载使用， 还有多余的未被利用的能量则就储存在蓄电池当中， 在无光照或者光照不好的条件下需要使用时使用。由若干个蓄电池串联并联起来后就形成了蓄电池组，蓄电池的容量在现实生活当中一般是能够达到用户的用电量。 蓄电池组， 它将多余的电能储存起来， 然后在晚上或者连阴雨时供负载应用， 且其容量必须要在无光照的日子里，能够满足路灯工作时间和工作量的需求。在此设计中，蓄电池与此电路连接，我们可以通过对三个输入电阻的控制， 得到蓄电池的一个输入电压， 因为这个电压不便于我们分析问题， 所以通过这个运放电路的设计， 使我们能够得到的一个适合我们研究问题的数据， 输出部分与单片机接口连接， 单片机通过分析采集到得数据来对整个系统进行合理的控制蓄电池容量受温度的影响， T↑ --AH ↑ ,T ↓--AH ↓ ，它工作的温度范围是比较宽的。（ 3）单片机单片机是太阳能充电系统的核心， 更是其控制系统的核心， 整个系统协调有序的工作就是通过它来完成。 单片机控制着整个系统， 使各个模块协调稳定的工作， 每一个模块都通过与单片机连接来实现所需要的功能。 太阳能充电器利用光伏效应将光能转换成电能流经控制器。 AVR 系列 ATmega128 的单片机，它是一个性能高、功耗低的 AVR 8 位微处理器。它的特点如下①先进的 RISC 结构– 在 16 MHz 工作时，性能可达到 16 MIPS– 全静态工作②程序和数据存储器– EEPROM 为 4K 字– 外部存储器的空间最高可以达到 64K 字节– 软件加密的实现是通过编程锁定位得以完③外设特点– 8 位 PWM 两路– 输出比较调制5 （ 4）采样电路本文所用的单片机中具有一个十位的 ADC ，且这十位是逐渐的接近的。为保证 ADC 的电压在转换过程中保持恒定， ADC 有一个采样保持电路，通过蓄电池电流电压的采集，充电电池电流电压的采集，电池状态由单片机确定，进而控制蓄电池及充电电池的充放电状态。（ 5）电源变换电路采集的太阳能在转化为电能之后全部储存在蓄电池当中，稳压奇偶将蓄电池的电压输出为稳定的 5V 直流电压，所以，需要进行电压转换。电压转换是通过 LM 2576 实现的， 它将 7-40V 范围的电压转换成 5V 的电压，具有工作效率高和输出电流驱动高及工作性能可靠的能力。（ 6） D/A 转换部分数据转换模块使用的是 DAC083，其中下图是通过该芯片把单片机输出的数由数字量转换成为模拟量，输出模拟数。图 2 D/A 转换部分（ 7） PWM 控制电路控制供电电流的大小是控制器采用 PWM 方式控制的，单片机输出的 PWM 波通过控制电路使 PWM 控制部分得以实现，采用中断的方式与主控制器进行通讯，进而控制其脉宽的大小。功耗的减小以及数字化控制的方便是 PWM 方式控制开关电源的优点，缺点是相对而言具有较大的母线的纹波系数。6 图 3 PWM 控制电路3 太阳能充电器系统软件设计3.1 设计的基本原理满足负载每天的用电量， 使得负载全年平均需求量得到满足是设计太阳能电池组件的关键。不过这样就会使得蓄电池在几乎一半的时间里它的储电量处于亏电状态。进而导致极板硫酸盐化。保证在太阳辐射在最低情况下蓄电池的满电状态 是 设计太阳能电池组件较好的办法。如下面所示曲线 图 5 铅酸蓄电池最大放电深度－温度曲线根据某地区的实际情况及上图设计出与该地区环境相符的电池组件。3.2 太阳能供电系统框图最-60 -40 -20 0蓄电池最低温度 oC大放电深度8060402007 图 6 系统框图3.2.1 AD 采集模块蓄电池和充电电池的电压采集是由 AVR ATmega128 单片机的 PF 口得到的，PF口由 I/O 口寄存器 DDRX 设定为 DDRF0X00; 然后 PF口由 PORTX 寄存器设置为低电平， PORTF0，将发到单片机的蓄电池和充电电池上的由 AD 采集器采集的各点的电压与设定的最大极限电压、 最小极限电压、 均充及浮充电压进行比较。 读取蓄电池和充电电池上的采集电流，并与设定充电电流进行比较，然后通过 PWM 调整占空比，进而使充电电流符合设定的充 电 电流曲线。3.2.2 蓄电池充放电控制模块下面为蓄电池欠压，过放，正常和过冲电压及对应的占空比欠压电压（ Vqy ） 11.10-13.65V PWM0（ 60）过放电压（ Vgf ） 11.10V PWM1 占空比为 1 正常电压（ Vzc） 13.65 （浮充的均值点） -14.5 5V PWM2（ 30）过充电压（ Vgc） 14.55V PWM 3（ 0）注释 蓄电池的电压状态 绿色代表正常工作； 橙黄色代表欠压； 蓝色代表过放；红色代表过充。3.2.3 充电电池充电控制模块为防止蓄电池对充电电池过充通过 AD 采集与单片机来控制， 在 PWM 方波周期一定的条件下， 充电电流的控制是通过调整 PWM 的占空比来实现的。 这种方法要求有尽可能高位数的 ADC 与较快工作速度的单片机。通过单片机读取充电电流再与设定充电电流比较，根据比较结果调整 PWM 的占空比。便携式太阳能供电系主程序模块AD采集模块充电控制模块串口通信模块8 3.2.4 串口的通信模块下面是三种串口通讯方式常用的三种。（ 1）程序查询方式计算机程序控制 CPU和外围设备之间数据的传送，同步的CPU操作和外围设备操作及简单的硬件结构是查询方式的优点。 缺点是较慢的外围动作使得 CPU不能处理其他业务知识等待而浪费很多时间， 这样使得程序查询方式很少使用。（ 2） 程序中断方式 CPU的输入数据与接收数据由外围设备控制的方法为中断。一个数据的输入或输出是在一个中断发生时， CPU先暂时停止正在进行的程序， 而 转向中断处理程序而得到的。 当中断处理结 束 后， CPU重新返回到原来停止任务的地方继续执行程序，这样 CPU就节省了时间。（ 3） DMA方式 DMA方式是一种既考虑中断响应又考虑中断开销并由硬件 执 行I/O 交换的一种工作方式。此时，总线的控制由 DMA控制器接管，数据交换在内存和外围设备之间高速进行， 这种方式的主要优点是有较高的传送数据的速度， 传送速 率只是受内存访 问 时间的影响。它比中断方式需要的硬件多。本文采用的是中断接收方式，既可以节省 CPU时间又需要的硬件相对较少。/* 串口的通讯初始化子函数 */ int init_usart { UBRRL F_CPU / BAUD / 16 - 1 256; UBRRH F_CPU / BAUD / 16 - 1 / 256; UCSRB | 1 RXEN | 1 TXEN|1 RXCIE; } 3.3 功能模块设计的流程图3.3.1 主程序的流程框图9 图 7 主程序的流程框图充电电池的连接与否是通过 AD 采集充电电池电压来确定的， 如果没有连接充电电池，则电压为 0；如果连接了充电电池，则有电压。在没有连接充电电池时，蓄电池开始充电，待充满后，处于浮充状态，无限循环；在连接充电电池时，充电电池开始充电，只有在其电压为 4.2V 或者充电电池中途被拔掉时，采集电压为 0。3.3.2 蓄电池充电控制模块流程图开始初始化初始化 AD ，定时器AdtimeV ≥ 14.55V ≤ 11.5V ＜ 13.65亮绿色灯，调整占空比为30 浮充CDtime亮黄色灯，调占空比为60 充电亮蓝色灯，断开充电电池，充电调整占空比为 1 CDtimeCDtime亮红色灯，断开太阳能电池板YNYNYNYN NYNYNY图 8 蓄电池充电控制模块流程图开 始初 始 化进入 充电 电池充电程序有 无 充电电池进 入 蓄 电 池 充电程序Y N 10 时钟脉冲累积个数决定着定时器的计时， 在工作过程中， 定时器自己编号的存储器位、设定值寄存器、当前值寄存器均被定时器占有。设定值寄存 器 存储编程时赋值 的 计时时间，当前值寄存器记录计 时 当前值。定时器的最大计时范围值为这些寄存器计时时间满足时定时器开始计时， 当前值寄存器开始计数， 时间的控制是在当前值与设定值相等的条件下达到的， 此时定时器在程序中作延时控制。设定定时器中断一次的时间为 3s 与 60s，待到达设定时间时，中断处理程序进行状态判断，确定占空比。设定 AD 采集定时时间为 3s，在没有达到时间时一直执行 AD 采集，达到了就执行下一步，判断蓄电池电压 V 与蓄电池的最高极限电压的大小，如果蓄电池的电压不小于蓄电池的最高极限电压处于过冲状态，则蓄电池与太阳电池板在单片机的调节下断开 , 红灯亮；如果蓄电池的电压小于其最高极限电压，则判断蓄电池电压与蓄电池的最小极限电压的大小，若蓄电池的电压小于其最小极限电压， 处于过放状态， 蓝灯亮， 蓄电池与充电电池断开， 调整占空比为 100充电；如果 11.5 ＜ V＜ 13.65 ，处于欠压状态，黄灯亮，调整占空比为 60充电。如果 13.65 ≤ V ≤ 14.55 ，处于正常状态，绿灯亮，调整占空比为 30浮充。充电时间 CDtime 设定为 60s，每经过 60 秒重新采集电压，进而可以确定蓄电池充电状态。3.3.3 充电电池充电控制模块流程图。图 9 手机电池的充电曲线图11 开始初始化 AD ，定时器初始化充电电视电压＜ 4.2V开始 PWM 控制电流充电充电电流大小符合预定曲线电池电压≥ 4.2V结束调整占空比NYNYYN亮黄灯亮绿灯图 10 充电电池充电控制模块流程图设定 AD 采集充电 电池 当前 电压， 如果电压不小于 4.2 V， 则绿灯亮， 充电结束；如果电压小于 4.2 V，则黄灯亮，开始 PWM 控制电流充电，读取充电电流，并与预定电流相比较，如果二者不相符，调整占空比，再次进行 PWM 控制电流充电，直到充电电池的电压不小于 4.2 V 时，绿灯亮，充电过程结束。3.3.4 模拟量采集模块流程图12 图 11 模拟量采集模块流程图4 结论本课题进行了太阳能充电器软件的设计，主要完成了⑴自动化智能充放电，通过 AD随时采集蓄电池以及充电电池的电压，由电压大小来决定电池状态，从而确定充放电状态。⑵人性化充放电保护，设定过冲电压值和过放电压值，通过 AD采集电压，进行比较决定是否断开充电电源和断开负载，达到对蓄电池及充电电池的过冲放的保护。PWM调制充电并具备蓄电池保护，延长蓄电池寿命。 PWM调制放电， PWM控制调电流，不同的时间段， 占空比不同， 达到不同程度的节能根据实际和需求， 达到环保和人性化。它不需要通过通过时间设置，到达时间才可以开启，而且可以根据时间来调整。因此，本设计更彰显出人性化，更适合应用⑶高效率由软件控制 PWM控制充电比传统方法拥有更好的效率， 更加的合理利用能源。对于本文，尚还可以做出以下探讨⑴由于实际的太阳能辐射资源极具变化性，理论太阳能辐射值结果并不在每一开始初始化端口设增益选择采集通道激发 A/D 转换取数据并进行转换结束13 天、 每一小时上与实际的太阳能辐射辐射值完全吻合， 设计采用单电源供电， 但由于环境条件难以预估， 可能在某些条件下， 电源的电量并不足以支持对充电器的供应。 ，所以在某些太阳能辐射资源模型的建立上尚可做进一步的研究。⑵模拟出一个更为完美的充电曲线， 以确定充电参数， 好的充电参数对负载 （手机电池） 的的寿命会有不错的影响和改善， 从而克服现在万能充是手机电池杀手的缺陷。参考文献 [1] 黄钉劲 , 费韩 , 吕宏 . 基于 CAN 总线的太阳能控制器设计 [J]. 电子测量技术， 2010， 33（ 07） 92-95 [2] 罗飞路 . 充电电源原理及其应用 [J]. 电工课堂， 2003， 9642-43 [3] 葛亮，杨金焕，陈中华，等 . 光控太阳能照明系统的优化设计 [J]. 可再生能源， 2004， 11320-22 [4] 王鸿麟， 钱建立， 周晓军 . 智能快速充电器的设计与制作 [M]. 北京 科学出版社， 2001 116-133 [5] Cui Yan,Cai Binghuang,Li Dayong,et al. 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Photovoltaic energy has been greatly developed under such a background.This paper describes the application software control solar charger way of operation, and discussed the battery charging and discharging of intelligent function. Automatic charge and discharge, when the sun is enough, pvvoltage is greater than the battery voltage time the charging, when evening came and battery voltage when enough on discharge circuit. Keywords Storage battery;Solar charger.Software design