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AVR单片机用于太阳能电池控制器的设计

作者:老葡京下载    发布时间:2020-02-26 18:30    

  简介:在此设计的太阳能控制器性能稳定,具有过充过放保护和温度补偿。经过测试,系统显示出良好的控制效果,不仅提高了太阳电池的工作效率,同时也保护了所使用的蓄电池,在利用绿色能源方面,具有一定的社会效益和广泛的推广价值。

  随着能源危机和环境污染的加深,太阳能的研究和利用受到广泛的关注。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,也是清洁能源,不产生任何的环境污染,在太阳能的有效利用中,太阳能充电是近些年发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。太阳能电池发电是基于“光生伏打效应”原理,将太阳能转化为电能,利用充电效应将太阳辐射直接转化为电能。它具有永久性、清洁性和灵活性大的优点,是其他能源无法比拟的。

  由它的输出特性曲线) 可知,太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性,即当日照强度改变时,其开路电压不会有太大的改变,但所产生的最大电流会有相当大的变化,所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时,电池板输出的电流一定,可以认为是恒流源。因此,必须研究和设计性能优良的太阳能发电控制器,才能更有效地利用太阳能。

  太阳能控制器硬件结构图如图2所示。该控制器以AVR mega 32为控制核心,外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、电池板电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、串口数据上传和键盘输入电路构成。

  电压检测电路用于识别光照的强度和获取蓄电池端电压。温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿。该系统采用PWM方式驱动充电电路,控制蓄电池的最优充放电。电池板分组切换控制电路用于不同光强度和充电模式下电池板的切换,该系统实现对3组电池板阵列控制。负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。状态显示电路用于系统状态的显示,包括电压、负载状况及充放电状态的显示。串行口上传数据电路用于系统运行参数的上传,实现远程监控。键盘输入电路用于充电模式设定及LCD背光开启。该控制器在有阳光时接通电池板,向蓄电池充电;当夜晚或阴天阳光不足时,蓄电池放电,以保证负载不停电。

  AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器,具有高性能、高保密性、低功耗等优点。程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构,代码执行效率高。系统采用的mega 32处理器包含有32 KB片内可编程FLASH程序存储器;1 KB的E2PROM和2 KBRAM;同时片内集成了看门狗;8路10位ADC;3路可编程PWM输出;具有在线系统编程功能,片内资源丰富,集成度高,使用方便。AVR mega 32可以很方便地实现外部输入参数的设置,蓄电池及负载的管理,工作状态的指示等。

  阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大,安全和密封性能好,寿命长,免维护等优点,在光伏系统中被大量使用。由阀控密封铅酸蓄电池充放电特性图(见图3)可知,蓄电池充电过程有3个阶段:初期(OA)电压快速上升;中期(ABC)电压缓慢上升,延续时间较长;C点开始为充电末期,电压开始上升;接近D点时,蓄电池中的水被电解,应立即停止充电,防止损毁电池。所以对蓄电池充电,通常采用的方法是在初期、中期快速充电,恢复蓄电池的容量;在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。

  蓄电池放电过程主要有三个阶段:开始(OE)阶段电压下降较快;中期(EFG)电压缓慢下降且延续较长的时间;在最后阶段G点后,放电电压急剧下降,应立即停止放电,否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。因此,如果对阀控密封铅酸蓄电池充放电控制方法不合理,不仅充电效率降低,蓄电池的寿命也会大幅缩短,造成系统运行成本增加。在蓄电池的充放电过程中,除了设置合适的充放电阈值外,还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿,并进行必要的过充电和过放电保护。

  根据阀控密封铅酸蓄电池的特点,控制器利用MCU的PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤;若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路,由于自身控制器得不到电力,不会有任何动作。当充电电压高于保护电压(15 V)时,自动关断对蓄电池的充电;此后当电压掉至维护电压(13.2 V)时,蓄电池进人浮充状态,当低于维护电压(13.2 V)后,浮充关闭,进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(10.8 V)时,控制器自动关闭负载,以保护蓄电池不受损坏。若出现过放,应先进行提升充电,使蓄电池的电压恢复到提升电压后再保持一定时间,防止蓄电池出现硫化。通过PWM控制充电电路(智能三阶段充电),可使太阳能电池板发挥最大功效,提高系统充电效率。

  采用数字温度传感器DS18820检测蓄电池环境温度。对蓄电池的充电阈值电压温度补偿系数取-4mV/(℃·单体)。补偿后的电压阈值可以用以下公式表示:Ve=V+(t-25)αn。其中,Ve为补偿后的电压阈值;V为25℃下的电压阈值;t为蓄电泄环境温度;α为温度补偿系数;n为串联的单体数。控制器对过放电压阈值不做补偿。

  设计的控制器属于串联型,即控制充电的开关是串联在电池板与蓄电池之间的。串联型控制器相对于并联型控制器能够更有效地利用太阳能,减少系统的发热量。设计中用MOSFET实现开关。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,特别适合作为PWM控制充电开关。为此,设计中采用P沟道MOSFET。P沟道MOSFET的导通电压Vth

  采用单按键的输入方式,用于开液晶背光和设定充电模式。初始化时将PC7输出高电平,在程序运行过程中,通过定时中断检测是否有按键按下。当有按键按下时间不超过10 s时,则打开液晶背光,10 s后背光关闭。当有按键按下时间超过10s时,进入模式设定。在设定模式下,每按一次模式加1,按下按键10 s后或者10 s按键无任何动作,模式保存到E2PROM中,退出设定模式。

  控制器用LCD1602液晶显示系统的状态信息,包括蓄电池电压、负载功率等。 LCD1602采用7线 kΩ电阻到地,用于调节液晶显示对比度。显示数据和指令通过LCD1602的DB4~DB7写入,同时具备有声光告警功能。当出现过压或过放时,相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警,同时相应告警继电器接通。

  控制器用RS 232串行口将系统电压、温度、充放电状态以及负载情况数据上传,实现远程监控。

  主程序主要完成对I/O、定时器和PWM的初始化,同时根据电池板和蓄电池的状态调用相应的充放电子程序。控制器参数的测量主要由中断服务程序完成。

  在此设计的太阳能控制器性能稳定,具有过充过放保护和温度补偿。经过测试,系统显示出良好的控制效果,不仅提高了太阳电池的工作效率,同时也保护了所使用的蓄电池,在利用绿色能源方面,具有一定的社会效益和广泛的推广价值。

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  受负载变化的影响,即给电机某相线圈加一脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不像普通的直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统下使用。仪表步进电机属于步进电机中体积、功耗较小的类别,可以由单片机或专用芯片的引脚直接驱动,不需外接驱动器,因而在仪表中被用于指针的旋转控制。步进电机的细分技术是一种电子阻尼技术,其主要目的是提高电机的运转精度,实现步进电机步距角的高精度细分。其基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其步距角变小了。如驱动器

  (1)在AVR的器件手册中,对熔丝位使用已编程(Programmed)和未编程(Unprogrammed)定义熔丝位的状态, “Unprogrammed”表示熔丝状态为“1”(禁止);“Programmed”表示熔丝状态为“0”(允许)。因此,配置熔丝位的过程实际上是 “配置熔丝位成为未编程状态“1”或成为已编程状态“0””。(2)在使用通过选择打钩“√”方式确定熔丝位状态值的编程工具软件时,请首先仔细阅读软件的使用说明,弄清楚“√”表示设置熔丝位状态为“0”还是为“1”。(3)使用CVAVR中的编程下载程序时应特别注意,由于CVAVR编程下载界面初始打开时,大部分熔丝位的初始状态定义为“1”,因此不要使用其编程菜单选项中的

  什么是AVR单片机?AVR单片机有什么优点?为什么要选择AVR单片机?AVR单片机是ATMEL公司研制开发的一种新型单片机,它与51单片机、PIC单片机相比具有一系列的优点:1:在相同的系统时钟下AVR运行速度最快;2: 芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大;3:所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线:多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能,零外围电路也可以工作;5:每个IO口都可以以推换驱动的方式输出高、低电平,驱动能力强;6:内部资源丰富,一般都集成AD、DA模数器;PWM;SPI、USART、TWI、I2C通信口;丰富的中断源等。目前支持

  ,以便以后升级AVR内的软件。JTAG仿真接口设计仿线K的上拉电阻。重要说明:实际应用时,如果你不想使用JTAG仿线K的上拉电阻的影响,可以将JP1-JP4断开。电源设计AVR单片机最常用的是5V与3.3V两种电压。本线路以开关切换两种电压,并且以双色二极管指示(5V时为绿灯,3.3V时为红灯)。二极管D1防止用户插错电源极性。D2可以允许用户将电压倒灌入此电路内,不会损坏1117-ADJ。1117-ADJ的特性为1脚会有50uA的电流输出,1-2脚会有1.25V电压。利用这个特点,可以计算出输出电压:当 SW开关打向左边时,R6上的电流为 1.25/0.33

  AVR的主要特性高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标,也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因,所以采取稳妥方案:即采用较高的分频系数对时钟分频,使得指令周期长,执行速度慢。以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出,彻底打破这种旧设计格局,废除了机器周期,抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法;采用精简指令集,以字作为指令长度单位,将内容丰富的操作数与操作

  之间怎样进行互联呢?我们看以采用下面的这种方法。来看下电路图上图的PB5 PB6 PB7是单片机的三个I/O口。 可以看他它的第二功能是SPI功能PB5可以看到MOSI M是主 S 是从 意思就是主机输出 从机输入同理PB6 MISO 是主机输入从机输出也就是AVR的SPI正常工作的时候PB6这个引脚它应该是处于一个输入的状态PB5应该是一个输出的状态。我们就将PB5 与PB6之间串上一个10K的电阻然后再将PB6直接接到I/O上,下面我们可以简单的分析一下原理图是怎样正常工作的,首先这个DS1302对它处于写的状态的时候呢,DS1302的I/O口是处于输入的,而PB6呢也是一个输入口始终是一个输入口。

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