太阳能控制器使用方法_太阳能控制系统

控制系统的设计

本次设计的系统需要在东西、南北两个方向上对太阳光照射角进行跟踪，跟踪方式可由太阳照射规律进行设计。跟踪系统需要单片机通过对时间进行判断、比较和提取，再按照不同的时间控制步进电机使太阳能电池板进行相应的角度改变，其中时间方面选用一款计时芯片进行自动计算，同时需要选用一款步进电机驱动芯片来把单片机与步进电机联系起来。

因此在本章中将在精确、实用、高性价比等的要求下，对单片机、计时芯片以及步进电机驱动芯片进行选型，然后利用所选择的部件连接出控制电路图，即得到了本次设计中的控制部分。

图4.1 控制部分结构

（一）控制器

太阳能电池板与蓄电池之间需要控制器进行连接，以控制在不同的情况下蓄电池的充放电情况。如夜间、阴雨天等情况下太阳能电池板无法提供电能，此时即需要控制器阻止蓄电池向电池板放电。因此，在本系统中，控制器是必不可少的器件。

1.匹配系统

这是一个串联二极管的系统，如图4.2所示。该二极管常用硅PN结或肖特基二极管，以阻止蓄电池在太阳低辐射期间向光伏方阵放电。

图4.2 完全匹配系统电路图

蓄电池充电电压在蓄电池接收电荷期间是增加的。光伏方阵的工作点如图

4.3所示。随着电压的减少，工作点从a点移向b点。必须先选好a点和b点之间的工作电压范围，以确保光伏方阵和蓄电池特性的最佳匹配。

这种充电控制系统的问题是，光伏方阵在变化的太阳辐射条件下，其工作曲线是不确定的。采用这种系统设计，蓄电池只能在太阳高辐照度时达到满充电，而在低辐照度时将减少方阵的工作效率。 电

流

/A 电压/V

太阳实际位置

图4.3 光伏方阵供给蓄电池的电流随蓄电池电压的变化

2.并联调节器

这是目前用于光伏发电系统的最普遍的充电调节电路，一般是使用一台并联调节器以使充电电流保持恒定，如图4.4所示。

调节器根据电压、电流和温度来调节蓄电池的充电。它是通过并联电阻把晶体管连到蓄电池的并联电路上实现过充电保护的。通常调节器用固定的电压门限去控制晶体管开关的接通和切断。通过并联分流的电能可用于辅助负载的供电，以充分利用光伏方阵的输出电能。

图4.4 并联调节系统

3.串联调节器

如图4.5所示，在串联调节器中，蓄电池两端电压是恒定的，而其电流随串联晶体管调节器变化着，这种晶体管调节器通常是一个两阶段调节器。串联晶体管代替了所需的串联二极管。

图4.5 串联调节系统

（二）单片机的选型

在本控制中的单片机部件选择ATMEL公司生产的AT89C51型单片机。AT89C15是一种低功耗、高性能的8位单片机，它采用CMOS工艺和高密度非易失性存贮器（NURAM）技术，而且引脚和指令系统都与MCS一51兼容。。AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可以很好的满足本系统的设计要求。

1.结构框图:

AT89C15的结构框图如图4.6所示。它具有如下的主要特征:

（1）4KB可改编程序的Flash 存贮器(可擦写100次)

（2）全静态工作频率：0Hz一24MHz

（3）三级程序存贮器保密

（4）128字节内部RMA

（5）32条可编程I/O线

（6）2个16位定时器/计数器

（7）6个中断源

（8）可编程全双工串行通道

（9）片内时钟震荡器

图4.6 AT89C51的结构

AT89C15是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件选择的省电方式，即空闲方式和掉电方式。在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作.在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保持内部RAM的内容，直到下一次硬件复位为止。

2.AT89C51的引脚

AT89C51引脚采用双列直插式封装(DIP)或方形封装。双列直插式封装的如图

4.7所示，共有40个引脚，下面将对这些引脚进行说明。

（1) 主 电 源引脚

A. Vcc: 电源端。

B. GND :接地端。

（2）外接晶体引脚XATL1和XATL2

XATL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡信号源时，该引脚接收外部振荡源的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

XATL2 :接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡信号源时，此引脚应悬浮不连接。

（3) 控制或与其它电源复用引脚RST、AlE/PROG、PSEN、EA/Vpp

A. RST: 复位输入端。当震荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

B. AlE/PROG：当访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍以不变的频率(此频率为震荡器频率的1/6)周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是:每当访问外部数据存贮器时，将跳过一个ALE脉冲。

在对Flash存贮器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。

如果需要的话，通过对在专用寄存器(FSR)区的8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才一会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。

C . PSEN:外部程序存贮器的读选通信号。当AT89C51由外部程序贮存器取指令（或常数）时每个机器周期两次(PSEN)有效（即输出2个脉冲）。但在此期间时，每当访问外部数据存贮器时，这两次有效的信号PSEN将不出现。 D. EA/Vpp：内部和外部程序贮存器访问允许端。要使CPU只访问外部程序存贮器（地址为0000H一FFFFH），则EA端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存EA端的状态.当EA端

保持高电平(接Vcc 端)时，则CPU执行内部程序贮存器中的程序。

在对Flash存贮器编程期间，该引脚也用于施加编程语序电源。

（4） 输入/输出引脚PO.0-PO.7、P1.0一P1.7、P2.0-P2.7和P3.0-P3.7

A. P0端口（P0.0一P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8位TTL输入，对端口锁存器写“1”时，又可作为高阻抗输入端用。

在访问外部程序和数据时，它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线，在访问

期间激活了内部的上拉电阻。

在对Flash编程时，P0端口接收指令字节;而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。

B. Pl端口（Pl.0-P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出可驱动〔吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

C. P2端口（P2.0一P2.7）:PZ是一个带有内部上拉电阻的8位双向1/0端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序贮存器和16位地址的外部数据存贮器（如执行MOVX@DPRT指令）时，P2口送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存贮器(如执行MOVX@DPTR指令)时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器SFR区中P2寄存器的内容)，在整个访问期间不会改变。

D. P3端口（P3.0-P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口锁存器写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在AT89C51中，P3还用于一些特殊的功能（替代功能），这些特殊功能定义如下:

端口引脚 特殊功能

P3.0 RXD（串行口输入）

P3.1 TXD（串行口输出） P3.2 INTO（外部中断0） P3.3 INT1 （外部中断1）

P3.4 T0（定时器0的外部输入）

P3.5 T1

P3.6

P3.7 （定时器1的外部输入） WR （外部数据存贮器写选通）DR （外部数据存贮器读选通）

图4.7 AT89C51引脚

（三）计时芯片的选型

本系统设计要求能够对时间进行记录，并且单片机能读取到程序设定的即时时刻，因此要选用一款计时芯片为系统提供时间的提取和记录。在本跟踪系统中，选用的是8563计时芯片。

8563是Philips公司推出的内含I2C总线接口功能并具有极低功耗得多功能日历时钟芯片。8563得多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能及中断输出功能，能满足各种复杂的定时服务需求，甚至可为单片机提供“看门狗”功能。内

部始终电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）及两线制I2C总线通信方式，不但使外围电路极其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。每次读写数据后，8563内嵌的字地址寄存器会自动产生增量，为芯片的读写操作提供方便。因而，8563是一款性价比极高的时钟日历芯片。

8563的内部组成包括：一个可自动产生增量的地址寄存器，一个内置的32.768kHz的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400kHz的I2C总线接口。

8563有16个寄存器。16个寄存器被设计成可寻址得8位并行寄存器：两个控制、状态寄存器得地址是00H和01H；秒-年寄存器的地址事02H-08H；报警寄存器的地址是09H-0CH，用于定义报警条件；地址是0DH的寄存器用于控制CLKOUT引脚的输出频率；定时器控制寄存器的地址是0EH；定时寄存器的地址是0FH。秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器的编码格式为BCD，星期和星期报警寄存器不以BCD格式编码。

8563采用SO8或DIP8封装形式，其引脚定义如图4.8所示。 （1）OSCI和OSCO：振荡器输入输出引脚 （2）INT：中断信号输出引脚 （3）VDD 和VSS：正电源与地 （4）SDA：串行数据线 （5）SCL：串行时钟信号线 （6）CLKOUT：时钟信号输出引脚

图4.8 8563引脚图

（四）步进电机驱动芯片的选型

步进电机伺服系统的性能，除了与电动机本体的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。步进电机的主要构成那个如图4.9所示，一般由环形分配器、信号处理器、推动级、功率放大器等各部分组成，用于功率步进电机的驱动器还要有多种保护电路。

图4.9 步进电机驱动器构成

本次设计选用的驱动芯片为A3759步进电机驱动集成电路。A3759是一种用来驱动双极性步进电机双绕组的单片集成电路，也可以用来双向控制两台电动机。双H桥能够连续输出±～500mA的电流和30V的运行电压。当开关电动机或者是其他感性负载时，衬底隔离的续流二极管可以起到输出抑制的作用。对于每一个H桥，相位（PHASE）输入端能通过选择合适的电源和驱动器控制电流的极性，使能（ENABLE）输入置成高电平时，可以使各自的H桥导通。当2个ENABLE引脚都被置成低电平时，芯片进入睡眠状态，消耗不到100微安的电流。

A3976附加了许多保护功能，以确保电路在苛刻得环境下工作，并且为了应用于汽车而进行了特别设计。保护电路能够检测到负载开路或者短路、电动机短路接地或短路接电源、功率电源VBB过电压、逻辑电源VCC欠电压、过热关断等。如果检测到这些，输入就会被禁止，故障信息通过诊断引脚即为FAULT1和FAULT2输出。

A3976在性能上具有以下一些特点： （1）具有30V，±500mA的连续输出能力 （2）具有35V清除残存功能

（3）具有输出短路保护 （4）可输出编码的故障诊断信号 （5）设有弱电流待命模式 （6）设有负载开路监视器

（7）具有功率电路电源VBB过电压关断功能 （8）内部含有低寄生续流二极管 （9）具备交叉式电流保护功能 引脚及参数说明：

A3976具有两种封装：16脚的塑料封装DIP（以“B”作后缀）；24脚的塑料封装SOIC（以“LB”为后缀）。本设计中选用的芯片为16脚芯片，A3976引脚说明见表4.6。

集成电路的功能模块包括以下几个功能块：控制逻辑电路，诊断逻辑电路，过热关段电路，过电压/欠电压监控器，与电源端接监视器，与地短接监视器，两个H桥。其中控制逻辑电路有四个输入引脚，分别是ENABLE1、PHASE1、ENABLE2和PHASE2。它们分别控制一个H驱动桥的导通和输出电压的极性，其逻辑关系见表。当电路出现故障时，诊断逻辑电路会通过两个故障输出引脚FAULT1和AULT2输出与故障相应的逻辑电平，表4.7就表示了故障输出信号与故障种类的关系。

A3976工作环境与性能参数为： （1）运行供电电压VBB：30V （2）输出电流IOUT：±500mA （3）逻辑供电电压VCC：7.0V （4）故障输出电压：7.0V

（5）逻辑输入电压范围VIN：-0.3V～VCC+0.3V

（6）芯片功耗（TA+25°C）PD：2.2W（A3976KLB），2.9W（A3976KB） （7）工作温度范围TA：-44～125°C （8）存储温度范围TS：-55～15.°C

（五）整体电路图的设计

本跟踪系统设计的电路图如图4.9所示，计时芯片的时间数据由P1.0、P1.1两口读入单片机，经过处理后单片机通过P0.1～P0.4以及P2.0～P2.4分别向控制东西方向以及南北方向的步进电机驱动芯片传输控制信号来控制太阳能电池板始终正对太阳。

图4.9 整体电路图

（六）本章小结

本章中对太阳能电池控制器和跟踪系统的控制电路部分所需使用的单片机、计时芯片、步进电机驱动芯片进行了选型与简介，并且利用这些芯片设计了系统所需的控制电路。本电路中单片机从计时芯片中读取当前时间，再对提取出来的时间进行对比判断从而得出当前步进电机所需要进行的动作，并且把相应的动作信号发送给步进电机驱动芯片，通过驱动芯片控制步进电机进行相应的动作，从而达到对太阳能电池板的朝向进行控制的目的。