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摘 要：光伏发电专业是新兴专业，课程中缺少一些新案例，同时很多有创新的代表性实例也没能引入课堂。本文利用单片机设计了一种高效光伏电源管理系统，该系统以单片机为主控制器，外围包括蓄电池电压采样电路，蓄电池充电、放电电流采样电路，光伏电池的输出电压采样电路，光伏电池输出电流采样电路，DC-DC变换电路等，相互配合实现光伏电源系统的管理。是将单片机有效地应用到光伏系统中的一个典范。
关键词：光伏；单片机；负载；液晶
近年来，随着我国工业经济的持续发展，工业自动化的脚步不断加快。单片机作为工业自动化的一个必要工具，受到了各个学科的重视。在企业中，单片机工作技能受到了越来越多的重视，人才缺口逐渐增大。在学校里，电子、计算机信息技术、机电一体化、自动控制等专业也都把单片机设置成必修课程。尤其在新兴专业里，单片机也已经进入课堂，与其它课程完美的结合在一起。
目前太阳能电力已经被发达国家广泛利用，国内光伏应用量也逐年倍增。除并网光伏系统快速增长外，离网光伏系统也被广泛应用于边远地区家用照明、通信电源、道路监控电源、国防通信和海岛供电系统等常规电网难以进入或者其他电力投资不经济的地区，并且随着经济社会的不断发展，离网系统的容量不断增加。离网型光伏发电系统中，多采用免维护铅酸蓄电池作为系统的储能模块，可以在阴天、夜间为负载供电。高效利用太阳能，正确管理蓄电池组的使用，可提高太阳能使用效率，降低蓄电池组的使用、维护成本。有鉴于此，本文探讨了单片机在光伏系统中应用的一个实例，利用单片机设计了一种高效光伏电源管理系统，该系统能够实现光伏电源系统的管理[1]。
一、高效光伏电源管理系统结构
高效光伏电源管理系统以单片机为主控制器，通过液晶屏显线、蓄电池端电压变化曲线、蓄电池充电电流变化显示四条曲线，分别是太阳能电池输出电压变化曲线和蓄电池放电电流变化曲线；通过对应的电压信号变换电路、电流信号变换电路测的相应的电压和电流值；通过PWM脉冲信号控制（Buck-Boost）DC-DC电路[2]，从而控制太阳能电池的输出功率；通过过充、过放电路控制来管理蓄电池的充放电，有效保护蓄电池，延长其使用寿命。
二、系统硬件电路设计
1、控制单片机
本系统采用 STC12C5A60S2 单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换（250 K/s），针对电机控制，强干扰场合。包括单片机芯片、晶振电路、复位电路、电源几部分，满足单片机工作的基本要求。
2、液晶显示技术
本系统采用12864液晶屏进行显示。12864液晶显示模块是一种汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16€？6点阵）、128个字符（8€？6点阵）及64€？56点阵显示RAM（GDDRAM）。可与CPU直接接口，提供8位并行及串行两种方式连接微处理机。具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。12864模块有20引脚，其中各引脚定义分别为：第1脚为电源地，第2脚为电源；第3脚为液晶对比度调整电压，由电位器控制，一般电压为3～4.5 V；第4脚为数据/命令控制；第5脚为读/写控制；第6脚为使能端；第7～14脚为并行数据口；第15脚为串行/并行通信选择；第16～18脚为空脚；第19、20脚分别为背光灯的电源引脚。显示过程步骤包括：1）初始化LCD；2）写入指令（0x34），进行扩充指令集设定状态；3）设定GDRAM的行列地址，然后连续写入图形数据；4）写入指令0x36，打开绘图开关，使之正常显示图形；5）写入指令0x30，返回基本指令集设定状态。
3、信号处理电路
本系统中需要采集光电池电压、蓄电池电压、蓄电池充电电流、蓄电池放电电流等数据。对于光伏电池电压、蓄电池电压，由于其值大于5 V，需要采用运放组成降压电路，获得5 V以下电压信号送入单片机进行转换、处理。对于电流信号，采用精密电阻转换成电压信号，再经过升压处理后送入单片机进行转换、处理。本系统的信号处理电路蓄电池电压和光电池电压经过运放电路处理后获得5V以下电压送给单片机的P1.0口和P1.1口进行处理；蓄电池的充电电流、放电电流、光电池的输出电流都通过采样电阻获得，经过处理电路调理后分别送入单片机端口P1.2、P1.3、P1.4、P1.0端口和P1.1口进行处理；蓄电池的充电电流、放电电流、光电池的输出电流都通过采样电阻获得，经过处理电路调理后分别送入单片机端口P1.2、P1.3、P1.4。
4、光电池最大功率点跟踪[3]
本项目对电源进行高效管理，设计中经（Buck-Boost）DC-DC变换器接入太阳电池的输入回路，并将对DC-DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算，由单片机输出PWM脉冲调节DC-DC转换器内部开关管占空比的变化等值改变其负载大小，控制太阳电池的输出电流以实现最大功率点跟踪。设计中最大功率跟踪的算法采用电导增量法实现。电导增量法的最大优点是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压波动较扰动观察法小，不易引起输出电压振荡，输出功率稳定。
三、系统软件设计
系统通电运行之后，首先进行系统初始化，然后从单片机端口读取相关电压、电流值，所读取的电压、电流值由单片机自带的A/D进行模数转换，转换后的数值再进行分析、运算、处理；单片机将相关电压、电流数据传送给液晶屏进行显示；单片机需要判断蓄电池的的工作状态，即蓄电池处于充电状态还是放电状态；蓄电池充电时，如果端电压达到最大值，单片机将切断其充电电路，停止充电；蓄电池放电时，如果端电压达到最小值，单片机将切断其放电电路，停止放电；单片机输出PWM脉冲调DC-DC转换器内部开关管占空比的变化等值改变其负载大小，控制太阳能电池的输出电流实现最大功率点跟踪。
四、结语
本文利用单片机设计了高效光伏电源管理系统，可以作为非常好的教学实例来阐述单片机与光伏系统的结合。该系统以单片机为主控制器，外围包括蓄电池电压采样电路、蓄电池充电、放电电流采样电路、光伏电池的输出电压采样电路、光伏电池输出电流采样电路、DC-DC变换电路等，相互配合实现光伏电源系统的管理。该系统能够实现光伏电源系统的管理：以此来更好的保护蓄电池。
参考文献：
[1]丁南菊.一种基于STC单片机的太阳能光伏控制器的设计探讨[J].中国高新技术，2012，（21）.
[2]吴透明.基于PIC单片机带最大功率点跟踪的光伏蓄电池脉冲充电系统[J].低压电器，2011，（18）.
[3]赵庚申.最大功率点跟踪原理及实现方法的研究[J].太阳能学报，2006，（10）.
作者简介：申安来（1979-），男，牡丹江大学，副教授，从事计算机仿真、光伏发电技术研究。
关键词：光伏；单片机；负载；液晶
近年来，随着我国工业经济的持续发展，工业自动化的脚步不断加快。单片机作为工业自动化的一个必要工具，受到了各个学科的重视。在企业中，单片机工作技能受到了越来越多的重视，人才缺口逐渐增大。在学校里，电子、计算机信息技术、机电一体化、自动控制等专业也都把单片机设置成必修课程。尤其在新兴专业里，单片机也已经进入课堂，与其它课程完美的结合在一起。
目前太阳能电力已经被发达国家广泛利用，国内光伏应用量也逐年倍增。除并网光伏系统快速增长外，离网光伏系统也被广泛应用于边远地区家用照明、通信电源、道路监控电源、国防通信和海岛供电系统等常规电网难以进入或者其他电力投资不经济的地区，并且随着经济社会的不断发展，离网系统的容量不断增加。离网型光伏发电系统中，多采用免维护铅酸蓄电池作为系统的储能模块，可以在阴天、夜间为负载供电。高效利用太阳能，正确管理蓄电池组的使用，可提高太阳能使用效率，降低蓄电池组的使用、维护成本。有鉴于此，本文探讨了单片机在光伏系统中应用的一个实例，利用单片机设计了一种高效光伏电源管理系统，该系统能够实现光伏电源系统的管理[1]。
一、高效光伏电源管理系统结构
高效光伏电源管理系统以单片机为主控制器，通过液晶屏显线、蓄电池端电压变化曲线、蓄电池充电电流变化显示四条曲线，分别是太阳能电池输出电压变化曲线和蓄电池放电电流变化曲线；通过对应的电压信号变换电路、电流信号变换电路测的相应的电压和电流值；通过PWM脉冲信号控制（Buck-Boost）DC-DC电路[2]，从而控制太阳能电池的输出功率；通过过充、过放电路控制来管理蓄电池的充放电，有效保护蓄电池，延长其使用寿命。
二、系统硬件电路设计
1、控制单片机
本系统采用 STC12C5A60S2 单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换（250 K/s），针对电机控制，强干扰场合。包括单片机芯片、晶振电路、复位电路、电源几部分，满足单片机工作的基本要求。
2、液晶显示技术
本系统采用12864液晶屏进行显示。12864液晶显示模块是一种汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16€？6点阵）、128个字符（8€？6点阵）及64€？56点阵显示RAM（GDDRAM）。可与CPU直接接口，提供8位并行及串行两种方式连接微处理机。具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。12864模块有20引脚，其中各引脚定义分别为：第1脚为电源地，第2脚为电源；第3脚为液晶对比度调整电压，由电位器控制，一般电压为3～4.5 V；第4脚为数据/命令控制；第5脚为读/写控制；第6脚为使能端；第7～14脚为并行数据口；第15脚为串行/并行通信选择；第16～18脚为空脚；第19、20脚分别为背光灯的电源引脚。显示过程步骤包括：1）初始化LCD；2）写入指令（0x34），进行扩充指令集设定状态；3）设定GDRAM的行列地址，然后连续写入图形数据；4）写入指令0x36，打开绘图开关，使之正常显示图形；5）写入指令0x30，返回基本指令集设定状态。
3、信号处理电路
本系统中需要采集光电池电压、蓄电池电压、蓄电池充电电流、蓄电池放电电流等数据。对于光伏电池电压、蓄电池电压，由于其值大于5 V，需要采用运放组成降压电路，获得5 V以下电压信号送入单片机进行转换、处理。对于电流信号，采用精密电阻转换成电压信号，再经过升压处理后送入单片机进行转换、处理。本系统的信号处理电路蓄电池电压和光电池电压经过运放电路处理后获得5V以下电压送给单片机的P1.0口和P1.1口进行处理；蓄电池的充电电流、放电电流、光电池的输出电流都通过采样电阻获得，经过处理电路调理后分别送入单片机端口P1.2、P1.3、P1.4、P1.0端口和P1.1口进行处理；蓄电池的充电电流、放电电流、光电池的输出电流都通过采样电阻获得，经过处理电路调理后分别送入单片机端口P1.2、P1.3、P1.4。
4、光电池最大功率点跟踪[3]
本项目对电源进行高效管理，设计中经（Buck-Boost）DC-DC变换器接入太阳电池的输入回路，并将对DC-DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算，由单片机输出PWM脉冲调节DC-DC转换器内部开关管占空比的变化等值改变其负载大小，控制太阳电池的输出电流以实现最大功率点跟踪。设计中最大功率跟踪的算法采用电导增量法实现。电导增量法的最大优点是当太阳电池上的照度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压波动较扰动观察法小，不易引起输出电压振荡，输出功率稳定。
三、系统软件设计
系统通电运行之后，首先进行系统初始化，然后从单片机端口读取相关电压、电流值，所读取的电压、电流值由单片机自带的A/D进行模数转换，转换后的数值再进行分析、运算、处理；单片机将相关电压、电流数据传送给液晶屏进行显示；单片机需要判断蓄电池的的工作状态，即蓄电池处于充电状态还是放电状态；蓄电池充电时，如果端电压达到最大值，单片机将切断其充电电路，停止充电；蓄电池放电时，如果端电压达到最小值，单片机将切断其放电电路，停止放电；单片机输出PWM脉冲调DC-DC转换器内部开关管占空比的变化等值改变其负载大小，控制太阳能电池的输出电流实现最大功率点跟踪。
四、结语
本文利用单片机设计了高效光伏电源管理系统，可以作为非常好的教学实例来阐述单片机与光伏系统的结合。该系统以单片机为主控制器，外围包括蓄电池电压采样电路、蓄电池充电、放电电流采样电路、光伏电池的输出电压采样电路、光伏电池输出电流采样电路、DC-DC变换电路等，相互配合实现光伏电源系统的管理。该系统能够实现光伏电源系统的管理：以此来更好的保护蓄电池。
参考文献：
[1]丁南菊.一种基于STC单片机的太阳能光伏控制器的设计探讨[J].中国高新技术，2012，（21）.
[2]吴透明.基于PIC单片机带最大功率点跟踪的光伏蓄电池脉冲充电系统[J].低压电器，2011，（18）.
[3]赵庚申.最大功率点跟踪原理及实现方法的研究[J].太阳能学报，2006，（10）.
作者简介：申安来（1979-），男，牡丹江大学，副教授，从事计算机仿真、光伏发电技术研究。