太阳能充/放电控制器设计。
太阳能充/放电控制器设计。
摘要： 对以stc12c5412ad单片机为控制核心的太阳能充/放电控制器进行了设计。该控制器实现的功能有自动检测太阳能电池板电压，决定能否开启充电；当蓄电池电压低于10.
8v 时，自动关断负载；当蓄电池电压高于14.8v时，自动关断负载；当蓄电池处于浮充状态时电压值控制在13.7v；当蓄电池反接或系统出现异常时，蜂鸣器报警。
根据控制器的主要功能，提出了设计方案并进行了论证。设计包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分包括单片机最小系统、电源转换及控制电路、显示模块、按键模块、报警模块和串口通信模块六个部分。
单片机选用宏晶stc公司的stc12c5412ad，用电源转换及控制电路控制蓄电池的充电和负载的放电，用1602液晶显示器显示系统信息，用发光二极管显示系统的运行状态，用按键来调节系统的各个参数及状态，用蜂鸣器对异常情况报警，用max232和rs232进行串口通信。软件采用了模块化的设计方法，主要分为主程序、a/d转换子程序、按键检测子程序、液晶显示子程序四部分。
首先在万用板上制作了太阳能充/放电控制器系统，对硬件和软件部分分别进行了调试，再进行了软硬件联调，调试成功后，开始制作pcb板，焊好pcb板之后再进行整体的调试运行，最后得到较为完美的太阳能充/放电控制器，可圆满地完成毕业设计任务。
关键词： 单片机；太阳能电池；蓄电池；控制器。
太阳能太阳能充/放电控制器设计。
随着能源问题的日益严峻，太阳能作为新能源和可再生能源的一种，因其清洁环保，永不衰竭的特点，越来越收到人们的重视。充分开发利用太阳能成为研究热点，太阳能发电是其主要的利用方式。太阳能发电以太阳能电池板作为媒介，将太阳光直接转化为电能。
为了提高太阳能电池的利用效率，近年来国内外市场一直都在研究控制性能更好的太阳能充/放电控制器。
太阳能充/放电控制器对太阳能电池板所发的电能进行控制调节，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池存储，当所发电能不能满足负载需要时，控制器又要把蓄电池的电能送往负载，并且保护蓄电池不能过充或者过放。
以stc12c5ax单片机为核心，设计并制作太阳能充/放电控制器。该控制器控制太阳能电池板给蓄电池充电，同时控制畜电池为负载放电。具体要求为：
a)蓄电池电压为12v，其充电电压不超过14v；
b)当检测到蓄电池电压达到规定值时，使用控制器控制连接太阳能电池板与蓄电池之间的mos管的开关，以脉宽调制的方式，降低充电电流以进一步为蓄电池充电直到最后用很微小的电流将蓄电池电压维持在某一固定值；
c)控制负载时，当蓄电池电压放电到一定电压值以下时，要关断负载以保护蓄电池不过分放电。
设计太阳能充/放电控制器的硬件电路与软件程序，给出硬件系统的电路原理图与pcb图，对硬件电路与软件分别进行调试，得到调试成功的太阳能充/放电控制器。
太阳能发电系统由太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、负载组成，其组成如图2-1所示。其中的充/放电控制器是本次毕业设计的内容。充/放电控制器总体框图如图2-2所示，其中包括单片机最小系统、电源转换及控制电路、显示模块、按键模块、报警模块和串口通信模块六个部分。
普通51单片机是目前使用量最多的单片机，但其片内资源较少，而且a/d转换时需要外接adc0804，并且没有pwm单元，而stc12c5412ad单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的的新一代8051单片机，指令**完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成4路pwm脉宽调制，8路高速10位a/d转换，针对**扰场合。由于该控制器需要3路a/d采集系统和pwm脉宽调制单元控制充电，所以选用stc12c5412ad单片机作为控制芯片。
图2-1 太阳能发电系统框图。
图2-2 充/放电控制器总体框图。
电源转换及控制电路用来检测太阳能电池板电压值，并且为单片机提供工作电压。采用电源接口，将输入电源接口的太阳能电池电压与蓄电池电压通过a/d转换，经单片机比较，开启充/放电的控制。该电路是太阳能充/放电控制器的关键，采用mos管irl2703控制充/放电；使用稳压管得到单片机工作电压和保护mos管。
报警模块采用4个二极管，2个电阻和12v有源蜂鸣器。
按键模块用来调节系统参数，3个按键的作用分别为：增大浮充电压和过载电压，减小浮充电压和过载电压，调节浮充电压。
显示模块准备采用6个发光二极管指示灯和液晶显示器。发光二极管分别为：蓄电池接入系统指示灯、系统正常工作状态指示灯、蓄电池欠压指示灯、蓄电池过压指示灯、充电状态指示灯、负载工作状态指示灯。
由于本次设计系统不需要显示汉字与图形，并且1602液晶显示器**相对便宜，所以，选用1602液晶显示器。
串口通信模块采用max232和rs-232串口。max232芯片是maxim公司生产的、包含两路接收器和驱动器的ic芯片，它的内部有一个电源电源变换器，可以把输入的+5v电源电压转换成rs-232输出电平所需的+10v电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5v电源就可以了。
其适应性强，**适中，硬件接口简单，所以，本系统采用max232芯片。但该芯片和上位机使用时，需用rs232串口作为连接。
蓄电池作为太阳能发电系统的储能装置，可以提高系统的供电质量。蓄电池将日照充足时系统发出的多余的电能，保留在太阳光不足的夜间或阴雨天使用。
铅酸蓄电池是将电能转换为化学能存储起来，需要是将化学能转变为电能供给用电设备的装置。它的正极活性物质是二氧化铅（），负极活性物质是还蛮装金属铅（），电解液是硫酸液（）。其充电和放电过程是通过电化学反应实现的。
反应方程为：
充电反应：
放电反应：
阳极： 阴极：
负极： 正极：
放电时，蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应，生成新化合物（硫酸铅）。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。
充电时，由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸，铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加， 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充。
虽然蓄电池正常使用寿命很长，但影响蓄电池寿命的因素有很多，主要有以下几个方面：
a)环境温度。过高的环境温度是影响到蓄电池使用寿命的典型因素，一般蓄电池要求的环境温度是在15~20，随着温度的升高，蓄电池的放电能量也有所提高，但环境温度一旦超过25，只要温度每升高10，蓄电池的使用寿命就会减少一般。
b)过度放电。蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用的另一重要因素。这种情况主要发生在停止充电后，蓄电池为负载供电期间。
当蓄电池被过度放电时，导致蓄电池阴极的“硫酸盐化”。在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻越大，蓄电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。过量放电使得蓄电池的端电压低于蓄电池所允许的放电终止电压。
对12v的m型铅酸蓄电池而言，其放电终了电压为10.6~10.9v左右。
c)过度充电。板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。在过度充电状态下，正极由于析氧反应，水被消耗，增加，从而导致正极附近酸度增高，板栅腐蚀加速。
如果蓄电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅极就会变薄，容量降低，缩短使用寿命。所以蓄电池的最大电压不能超过15v。
d)浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响。目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极不合理。这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，是电池内阻急剧增大，是蓄电池的实际容量远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。
另外，浮充电压应合理选择。浮充电压是蓄电池长期使用的充电电压，是影响蓄电池寿命的至关重要的因素。一般来说，对于端电压为12v的蓄电池，正常的浮充电压在13.
5~13.8v之间。浮充电压过低，蓄电池充不满，浮充电压过高，会造成过电压充电。
当浮充电压超过14v时，即认为是过电压充电。严禁对蓄电池组过电压充电，因为过电压充电会造成蓄电池中的电解液所含的水被电解成氢和氧而逸出，使电解液浓度增大，导致蓄电池寿命缩短，甚至损坏。
e)失水。蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液密度增加、电池栅板的腐蚀，是蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使用寿命减少。
f)放电深度。放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，寿命将缩短，其影响程度见图2-3。
图2-3 放电深度对蓄电池的循环寿命影响。
基于以上几点影响因素，为使蓄电池使用寿命尽量长，所以蓄电池选用循环使用充电，设定蓄电池的欠压电压为10.8v，浮充电压为13.7v，过压电压为14.8v。
根据第2节总体设计方案，进行了太阳能充/放电控制器的硬件电路设计，总电路原理图如附录1所示。
本次选用的主控芯片为单片机stc12c5412ad。其引脚图如图3-1所示。
图3-1 stc12c5412ad引脚图。
stc12c5412ad单片机是stc生产的单时钟/机器周期（1t）的单片机，片上集成节ram,6个16位定时器（两个与传统8051兼容的定时器/计数器t0、t1，pca模块可在实现4个16位定时器），8路10位a/d转换，max810专用复位电路，4路pwm/pca（也可用来当4路d/a使用）。
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