基于單片機(jī)技術(shù)的蓄電池充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜瑞濤，徐 洋

許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000

0 引言

蓄電池的充電池結(jié)構(gòu)整體相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)模擬控制形式可以實(shí)現(xiàn)充電控制的效果，充電方法也比較單一化，無(wú)法按照蓄電池當(dāng)時(shí)的充電狀態(tài)調(diào)整充電方法。在蓄電池充電期間，不能同時(shí)滿足保護(hù)、檢測(cè)等要求，在無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)時(shí)，也不能同時(shí)關(guān)注其他蓄電池的充電過(guò)程?，F(xiàn)階段，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的創(chuàng)新，微控制器在蓄電池充電控制領(lǐng)域得到運(yùn)用，而且逐漸實(shí)現(xiàn)了向數(shù)字化控制的轉(zhuǎn)型。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)研發(fā)的蓄電池智能充放電控制器，不僅功能更加多樣，還增加了不同的充電控制方法，具有監(jiān)控蓄電池充放電過(guò)程的功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)靈活性，并延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，提高了蓄電池的運(yùn)行效率。為此，文章主要探討蓄電池充放電控制中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，了解單片機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)、控制中的應(yīng)用原理和要點(diǎn)。

1 單片機(jī)概述

單片機(jī)也被稱作微型控制器（Single-chip microcomputer），是在芯片上集成，且具有完整性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，大部分功能均集成于芯片，具有計(jì)算機(jī)需要的多數(shù)部件，如CPU、內(nèi)外部總線系統(tǒng)、內(nèi)外存、集成外圍設(shè)備等。單片機(jī)技術(shù)最早被運(yùn)用于工業(yè)控制，外圍設(shè)備、CPU在芯片中集成，不僅可以減少計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜且體積要求高的控制設(shè)備集成[1]。

單片機(jī)歷經(jīng)SCM、MCU、SOC三個(gè)階段，是微型機(jī)非常重要的分支之一，將CPU、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路進(jìn)行集成處理，附著于超大規(guī)模集成電路芯片，組成和功能與計(jì)算機(jī)相同，是蓄電池充放電控制中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)。

2 在蓄電池充放電控制中應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的必要性

現(xiàn)階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的光伏板的輸出電能存在諸多限制，溫度、光照等外部條件也會(huì)直接影響其輸出能力，在能量管理中要采取最可行的方法分配蓄電池充放電能量。如果光照條件比較強(qiáng)，蓄電池剩余容量不高，光伏電池板能夠向其提供充足的輸出功率，蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電；如果光照強(qiáng)度弱，但電池板能提供的輸出功率較大，電池可獲得最大電能充電，蓄電池剩余容量可以支持其運(yùn)行，只需滿足維護(hù)性充電要求[2]。

在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用蓄電池時(shí)，缺少相應(yīng)的充放電技術(shù)，而且鉛酸蓄電池本身存在耐過(guò)充、耐過(guò)放性能方面的不足，尤其體現(xiàn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中[3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，且穩(wěn)定性不強(qiáng)，很難保證蓄電池充放電過(guò)程的規(guī)律性?；诖耍槍?duì)蓄電池充放電進(jìn)行控制，采用單片機(jī)技術(shù)在線監(jiān)測(cè)充放電過(guò)程，可以切實(shí)提升蓄電池充放電控制精度，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，體現(xiàn)獨(dú)立光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 基于單片機(jī)技術(shù)的蓄電池充放電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)蓄電池充放電控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以將單片機(jī)（見(jiàn)圖1）作為主控制器，設(shè)計(jì)蓄電池能量管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）的軟硬件。對(duì)比傳統(tǒng)蓄電池充放電控制模式，采取雙向Buck-Boost主電路作為蓄電池充放電控制電路，光伏系統(tǒng)內(nèi)部蓄電池也采取最優(yōu)充電方法，經(jīng)過(guò)充電實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這種充電方法與蓄電池快速充電要求相符，具有較高的可行性。

圖1 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 蓄電池充放電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 主要裝置

3.1.1 蓄電池

行業(yè)應(yīng)用比較普遍的蓄電池為鉛酸蓄電池，此類蓄電池多被當(dāng)作備用電源。在技術(shù)不斷演進(jìn)的今天，越來(lái)越多的蓄電池得到應(yīng)用，而且一些新型蓄電池具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、無(wú)腐蝕性、應(yīng)用便捷性等優(yōu)勢(shì)，代替了傳統(tǒng)的開(kāi)口式鉛酸蓄電池[4]。例如，在應(yīng)用VRLAB時(shí)，只要控制好整流器充電電壓，技術(shù)人員便不需要過(guò)多地關(guān)注蓄電池充電過(guò)程，也不需要頻繁地檢測(cè)電池端電壓和添加蒸餾水，只要定期檢測(cè)電池端電壓、放電容量即可。在安裝方面，因?yàn)閂RLAB出廠之前已處理放電，所以安裝更加便捷，省略了煩瑣的充放電處理步驟。VRLAB結(jié)構(gòu)具有密封性，放置方式?jīng)]有嚴(yán)格要求，不會(huì)釋放大量有害物質(zhì)，會(huì)通過(guò)特定安全閥將多余氣體排出，通常不會(huì)發(fā)生鼓脹、爆裂等問(wèn)題[5]。另外，VRLAB本身具有極高的環(huán)保性，實(shí)際應(yīng)用期間可與其他電子設(shè)備同時(shí)使用，無(wú)須專門(mén)的環(huán)境，減少了維護(hù)人員的工作量，也有效減少了占地面積和成本。基于VRLAB的上述優(yōu)勢(shì)，可使用其優(yōu)化微機(jī)控制效果，實(shí)現(xiàn)微機(jī)集中監(jiān)控、無(wú)人值守等現(xiàn)代化管理成效，為單片機(jī)技術(shù)在蓄電池充放電控制中的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

3.1.2 單片機(jī)

蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一部分，其使用壽命長(zhǎng)短更是光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)性的決定性因素。蓄電池使用壽命的直接影響因素包括蓄電池充電程度、放電深度等。蓄電池是負(fù)載供電電源，應(yīng)用時(shí)如果有連續(xù)性的陰雨雪天氣，便會(huì)增加蓄電池過(guò)度放電的概率；蓄電池也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中非常重要的儲(chǔ)能設(shè)備，如果其連續(xù)遭受暴曬，將會(huì)有很大概率發(fā)生蓄電池過(guò)度充電的現(xiàn)象。無(wú)論是過(guò)度充電還是放電，均會(huì)引發(fā)蓄電池疲勞，導(dǎo)致其儲(chǔ)能功效喪失[6]。因此，要加強(qiáng)對(duì)蓄電池充電程度、放電深度的控制?？梢栽谛铍姵爻浞烹娍刂浦羞\(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，優(yōu)化充放電控制程序。

在設(shè)計(jì)中共采用8塊太陽(yáng)能光板進(jìn)行采光發(fā)電，同時(shí)運(yùn)用2塊蓄電池儲(chǔ)能，蓄電池充放電電壓以12～15 V為準(zhǔn)，控制過(guò)程運(yùn)用89C51系列單片機(jī)芯片。在沒(méi)有運(yùn)用單片機(jī)控制時(shí)，一般需要觀察光伏發(fā)電系統(tǒng)指示燈的亮度、顏色變化，作為蓄電池充放電程度的判斷依據(jù)。但是這種方法存在較大的控制誤差，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)指示燈亮度變化，或者指示燈長(zhǎng)時(shí)間使用后亮度可能變暗，降低顯示準(zhǔn)確性和蓄電池充放電控制的精度，還會(huì)導(dǎo)致大量人力資源耗損。如果蓄電池充電電壓在15.80 V以上、放電電壓不足10.23 V，會(huì)增加蓄電池的易疲勞度，縮短使用壽命。利用單片機(jī)技術(shù)控制蓄電池充放電，可以使蓄電池充電電壓被控制在15 V以下、放電電壓高于12 V，使蓄電池充電程度和放電深度得到有效控制，而且蓄電池使用壽命也可以延長(zhǎng)1年左右。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)蓄電池充放電控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由直流電源模塊、按鍵電路、顯示模塊等組成。

（1）直流電源模塊。設(shè)計(jì)主電路時(shí)，直流穩(wěn)壓電源是應(yīng)用最普遍的儀器設(shè)備，可以維持電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。蓄電池放電后，為了快速充電，恢復(fù)正常工作能力，只有連接直流電源這一種方法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充電電路直流穩(wěn)壓電源包括穩(wěn)壓電路、濾波電路、橋式整流電路、電源變壓器等組成部分。

（2）按鍵電路。單片機(jī)內(nèi)的按鍵以獨(dú)立按鍵、矩陣編碼鍵盤(pán)為主，獨(dú)立按鍵的按鍵和單片機(jī)I/O口均單獨(dú)連接，技術(shù)人員判斷電位差別，便可精準(zhǔn)識(shí)別按鍵操作。矩陣編碼鍵盤(pán)的識(shí)別主要利用行列交叉按鍵編碼實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樾铍姵爻浞烹娍刂葡到y(tǒng)中的按鍵數(shù)量較少，所以按鍵應(yīng)用獨(dú)立按鍵，編程難度較低[7]。分析系統(tǒng)整體電路之后，單片機(jī)P1口連接采集電路，使P1口實(shí)現(xiàn)采集控制，無(wú)須發(fā)送數(shù)據(jù)，只接收數(shù)據(jù)即可。

（3）顯示模塊。顯示模塊用于數(shù)字、圖形、專用符號(hào)的顯示，很多電子產(chǎn)品會(huì)用到液晶顯示模塊，如常見(jiàn)的萬(wàn)用表和計(jì)算器。單片機(jī)人機(jī)交流界面的輸出裝置主要采用LED數(shù)碼管、發(fā)光管、液晶顯示器。其中，液晶顯示器的顯示質(zhì)量非常高，能夠長(zhǎng)時(shí)間維持最佳色彩、亮度，滿足恒定發(fā)光要求，而且中途一般不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用數(shù)字式接口，連接單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)便捷性、穩(wěn)定性更高，而且和傳統(tǒng)型號(hào)的顯示器相比，液晶顯示器的重量較輕、體積較小，而且更多地在內(nèi)部驅(qū)動(dòng)IC、電極等部位發(fā)生消耗，極大地減少了功耗，可以降低了蓄電池充放電控制系統(tǒng)的功耗。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

在蓄電池充放電控制器的設(shè)計(jì)中，控制部件主要選擇ATmega16單片機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用C語(yǔ)言。設(shè)計(jì)的軟件程序包括主程序、顯示程序、按鍵采集程序。

（1）主程序。主程序可以直接從顯示程序、按鍵采集程序得到電流與電壓等重要數(shù)據(jù)，從而判斷當(dāng)前工作狀態(tài)，選擇最契合的控制方式，推動(dòng)對(duì)應(yīng)的子程序運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)不同模式的充電控制。在主程序的設(shè)計(jì)中，蓄電池的電流、電壓等數(shù)據(jù)一般會(huì)接受實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）按鍵采集程序。按鍵采集程序主要負(fù)責(zé)探測(cè)開(kāi)關(guān)，判斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并按照探測(cè)所得結(jié)果確定蓄電池充放電控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。對(duì)于讀線、讀取和連接端口的設(shè)計(jì)，處理相關(guān)數(shù)據(jù)后將其儲(chǔ)存于緩存內(nèi)。讀取端口時(shí)，要想有效排除鍵抖動(dòng)引發(fā)的誤操作，則要做好延時(shí)操作，使程序運(yùn)行效果達(dá)到最佳。

（3）顯示程序。因?yàn)橐壕э@示模塊為慢顯示部件，所以執(zhí)行各項(xiàng)指令前要予以確認(rèn)，確認(rèn)模塊標(biāo)志顯示低電平狀態(tài)，此時(shí)發(fā)出的指令方可生效；如果顯示為其他狀態(tài)，則意味指令失效。對(duì)于字符的顯示，一般需要先輸入顯示字符地址，使模塊能夠初步確定顯示字符所在位置。在液晶模塊的初始化設(shè)計(jì)與處理中，需要提前設(shè)置好顯示模式，輸入指令前需要判斷液晶模塊狀態(tài)，檢查其是否為“忙碌”狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，單片機(jī)技術(shù)在蓄電池充放電控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，不僅可以優(yōu)化蓄電池充放電控制成效，還能夠開(kāi)發(fā)更加多元化的蓄電池充放電控制方法，改變?cè)締我坏目刂品绞?，使蓄電池充放電過(guò)程控制更加靈活。在單片機(jī)技術(shù)的支持下，也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池充放電過(guò)程的一些缺陷，完善充放電控制系統(tǒng)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，滿足當(dāng)前對(duì)于蓄電池充放電控制的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性要求。