1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 1引 言电力在现实生活中占主导地位，但是受客观环境的限制，有些地区根本无法实现电业的发展和建设。为了弥补传统电力的不足，我们设计了风光互补发电系统。此系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，由太阳能电池板与风力发电机发电，经蓄电池充电，给负载供电的一种新型能源。它既不消耗任何矿物燃料，又完成了对自然能源的合理利用。此系统可以应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路、无电扇区、村庄、海岛的电力提供。而且为了适应偏远地区不便利的地理环境。风光互补发电控制系统几乎完成了智能化，免维护。尤其适合在内蒙古风力大的偏远山区。本次设计就是对风光互
2、补发电系统的详细介绍。设计中对整个发电系统作了简要介绍，但对系统所用的单片机、其他芯片及附加电路作了详细介绍。并介绍了系统中的抗干扰措施。最后介绍了系统的软件设计。由于我所学知识和时间有限，设计中有不少漏洞和不足，敬请老师给与批评和指正。谢谢。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 2第一章 概 述在我们的日常生活中，所用电力几乎都是由传统的电力提供的，但是受到外界环境限制，它并不能遍及每一个用电领域。于是我们需要开发新的独立的供电系统。1.1 课题来源在当今世界，电已经成为人们生活中最常用的动力来源，随着人们生活水平的不断提高和技术进步，人们对电的依赖越来越强。无论是农业、工业还
3、是新型的第三产业，用电量都在逐年增加，几乎可以说，没有电能，人民的生活将陷入高度的无秩序状态。也正是因为电力在人们的生活中占的比重越来越大，才使得人们生活的地区差异表现的越来越明显。因为我们知道，传统的电力行业以消耗煤等矿物燃料为主，生产过程中科学技术的要求也比较高，随之带来的环境污染也比较严重。这就使得有些根本不具备发展传统电力的条件。比如说，我们知道我国的能源分布具有很大的不均衡性，有些偏远地区，如农牧区、山区、沿海以及岛屿等地，部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站，都需要低成本、高可靠性的独立电源系统，但是因为地方上根本就没有矿物燃料的存储，甚
4、至因为地区偏远，对于燃料的运输都几乎不可能；而还有些地区，则由于人力资源不丰富，长时间以来也一直很难建设自己的电力事业，也就限制和制约了许多用电行业的的发展；当然越来越严重的环境污染问题，也不由得让我们在电力的建设发展上小心又谨慎。这种种情况造成了我国许多地方的人民，在日常生活中长期承受着电力缺少的困难。从这些客观的条件中我们可以看出，在远离电网的地区，建立独立供电系统成为人们最需要的电源。哪种独立电源最合理，这是人们一直在研究和探讨的问题。如今我们发现风和光等自然能源，在部分地区很丰富，而且这些能源清洁无污染，取之不尽，用之不竭，对它们的合利用既可以节省矿物燃料，又能给人们带来很大方便，是理
5、想的能源。于是智能化风光互补发电控制系统就应用而生了。风光互补发电控制系统就是利用风和光两种自然能源相互补充发电，在不消耗任何矿物燃料的情况下提供可靠的免费电力，为农牧区、山区、沿海以及岛屿等边远地区的人民解决缺少电力的困境。它的工作原理很简单，就是永磁交流发电机，利用风能发出三项交流电；光电池板则在太阳能的照射下，自动的将太阳能转化为内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 3电能。二者所发的电共同为蓄电池供电。其间微机控制系统是整个发电系统的核心部件，它完成对系统的监测、报警、信号传输以及问题处理、自动维护等工作，也就是让整个系统几乎实现了智能化。1.2 系统简述风光互补发电系统
6、的硬件设计中，为了实现智能化，为了保证蓄电池既不过充，也不过放，系统设置了蓄电池电压控制系统；对于继电器在指令执行后，是否按要求动作，系统设置了继电器动作检测，并且对故障状态设置了报警显示电路，为了让单片机 8031 在执行程序后能正常复位，系统设置了看门狗电路，等等。不只在电路设计上这样，在参数选择上也有讲究，比如说，在系统设置经济合理，简单明了的前提下，系统选择了 6Q90 型号的蓄电池，因为它重量轻，体积小，而且充放电循环次数多，也就是说电池的使用寿命长；继电器选择 JTX1 型的小型继电器，大大减少了系统总重量和占地面积。下面对系统作简要介绍。系统的原理方框图如下图 1-1 风光互补发
7、电系统原理图从图中我们可以看出，它的主要组成设备有：（1）风力发电机：采用 200W 永磁交流发电机风机特点：（A）具有特别适合大多内陆地区低风速、时发电特性好、发电量大的特点。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 4（B）具有机械、电子刹车装置，可以确保在高风速时，风机转速稳定控制在安全可靠的范围内，使最高输出电压成为安全可控的电压。（2）太阳能光电池板：采用 100W/14V 0.6的硅光电池，它能将太阳能转化为电能，属于一种半导体元件，它的特点如下：（A）它是转换效率高达 15%的单晶硅太阳能电池板。（B）具有抗风、防潮、工作稳定、无需维护等特点。其结构图如下：图 1-2
8、光电池板结构图它实质上是一个大面积的半导体 PN 结，用单晶硅制成，分为 ZCR 和 ZDR 两种类型。其中 ZCR 硅光电池以 N 型单晶硅制造，ZDR 以 P 型单晶硅制造，其工作原理是光生伏特效应，即在热平衡条件下 PN 结能够弯曲，在热势垒区内电场的方向由 N 指向 P。当有光照时，可以把自己的能量传给价带中的电子，使得电子获得足够的能量，从价带中跳到导带，即从束缚状态变为自由状态，与此同时，在价带中产生空穴，在结的势垒区内产生光生电子、空穴时，它们会被结电场拉开：电子被推到 N区，空穴被推到 P 区，由于电子和空穴在 N 区和 P 区积累，N 区和 P 区两端就产生了电动势，即产生电
9、流。（3）铅酸蓄电池：规格：90 安时 12 伏内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 5蓄电池的选择要求：重量轻、体积小、能量转换率高、自放电慢、充放电循次数多（即使用寿命长）等。其次，还有些特殊要求如低温时能大电流放电、维护简单或无需维护、自放电（析氢）特别慢等。图 1-3 蓄电池型号本系统选择 6Q90 型铅酸蓄电池两块串联，该电池用直流电源充电，因而风力发电机发出的交流三相电应该经过整流后供给电池。为了避免蓄电池过充过放将蓄电池的电压控制在 202428V 之间。（4）微机控制系统微机控制系统是整个设计的核心内容。它是整个系统安全运行的基本保证。另外本系统受应用环境的要求，
10、本身就要求实现免维护。所以无论从硬件系统还是软件系统都要对系统有保护作用。例如在本系统硬件设计中有蓄电池电压控制，因为直流充电的蓄电池，要求电压控制在 202428V 之间，才能安全使用，不至于被烧坏。所以电压控制用来保证其既不过充又不过放；继电器工作要求是：在接受到指令后，要按指令要求来动作。而且一旦出错就要有报警显示。为了实现继电器正常工作，系统设有继电器动作检测，并对故障状态设有报警显示；为了保证整个系统工作的正常，执行动作正确，系统对 ADC0809 的转换也设有转换结果正确与否的检测，并在 ADC0809 不正常工作时报警显示；由于 8031 芯片执行 EPROM 内程序时，为保证程
11、序在故障死机后，能使 8031 正常复位，系统又设有“看门狗”电路等等。整个系统是一个严密完整的智能化系统，使用起来方便。由系统框图可以看出，风力发电与太阳能光电池板发电，共同给蓄电池供电（为直流） 。此时风力发电机、太阳能电池板和蓄电池又共同为直流负载供电（风力发电机发出的电经过三相整流后便为直流） 。微型单片机系统对蓄电池两端电压进行检测：若蓄电池过充，则使继电器 1C 动作，接通泄载电路，不再为蓄电池供电；若检测结果是蓄电池过放，则使继电器 2C 动作，断开负载电路，不再为负载供电，而内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 6给蓄电池充电。为保护人为地误操作给系统带来不利，我
12、们又增加了二极管 D1、D2和 D3，它们的作用如下：D1 的作用是三相整流的二极管组。因为蓄电池供电要求直流电压。而风力发电机所发的是三相交流电。为了把交流电能转换为直流电能，增设的三相整流二极管组。D2 的作用是防止泄载时蓄电池也在泄电流。D3 的作用是防止在光电板内产生倒向电流，使得光电板遭到破坏。综上所述，系统的整体结构是非常合理的，因此也就决定了它有很多特点，比方说： 独立供电 安装方便 无人值守 维护量少 搬迁方便 一次性投资，免交电费 无污染，属于环保能源这些都使得它比同样的发电系统有了很大优势，同时智能化风光互补发电控制的使用范围也很广，例如： 适应于偏远地区无法供电的场所。
13、适用于无人职守用电设备的供电。 适用于中小型供电场所（100W200W） 。 在有电池房的条件下，可以工作在零上 40 度、零下 40 度，湿度可达 095%，瞬间承受风力达 12 级。 在中小型供电时与普通拉线方式相比有着明显的优势。 本系统为纯绿色能源系统。太阳能电池组件与风力发电机有机地组配成一个系统，可充分发挥各自的特性和优势，最大限度的利用好大自然赐予的风能和太阳能。对于用电量大、用电要求高，而风能资源和太阳能资源又较丰富的地区，风光互补供电无疑是一种最佳选择。这些优点正是传统电力所无法满足的要求，所以说智能化风光互补发电控制系统是一种补充传统电力不足的理想发电系统。接下来的文章中，
14、我们对系统的工作原理、硬件组成及各自工作情况、软件设计等方面作详细的介绍。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 7第二章 8031 单片机系统简介单片机是一种高度集成的芯片，它的内容是一台完整的微型计算机。由于体积小，使得它在计算机外部设备，过程及工业控制设备等领域应用广泛。单片机是按工业标准设计的，所以它有很好的环境适应能力和抗干扰能力。有很好的可靠性。目前世界上常用的单片机有 8051、MC6805、和 MPD7811 系列。本设计主要采用 8031 单片机作为微机控制的核心。2.1 8031 单片机的组成8031 型号的单片机属于单片机 MCS-51 系列，为 CMOS 芯
15、片。它的内部只有128 字节的数据存储器（RAM） ，而无程序存储器（ROM） 。8031 单片机是在一块芯片上集中了 CPU、RAM ，定时器 /计数器和多功能的 I/O线等计算机所需要的基本功能部件。他们都是通过片内单一总线连接而成。其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上却有了很大的变化。采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。8031 单片机包含下列部件：(1)一个微处理器（CPU）(2)一个片内震荡器 (3)128 字节 RAM 数据存储器(4)两个 16 位定时器 /计数器(5)特殊寄存器(6)32 条可编程的 I/O 端口(7)一个可编程的
16、全双工的串行口(8)具有五个中断两个优先级嵌套中断结构8031 是标准的 40 脚双列直插式集成电路芯片，有些引脚具有两种功能。下面介绍 8031 的引脚功能和 P3 口的第二功能。下图为 8031 的引脚分布图：内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 8图 2-1 8031 引脚分布图引脚功能如下：P0 口（3932）：双向 I/O 口，既可以做地址/数据总线口，也可以作普通 I/O 口用（此时为准双向口） 。P1 口（18）：准双向通用 I/O 口。P2 口（2128）：既可做地址总线口输出地址高 8 位，也可以作普通 I/O 口用（此时为准双向口） 。P3 口（1017）：双
17、功能口，既可以作普通 I/O 口（此时为准双向口） ，也可以按每位的定义实现第二功能操作。如表（2-1）所示：（30）：ALE 是地址锁存允许信号。它的基本作用是把 CPU 从 P0 口ALE/ PROG分时送出的地址低 8 位字节锁存在一个外加的锁存器中。此外由于 ALE 是以晶振1/6 的固定频率输出的正脉冲（在不访问外存时也这样） ，可以做系统中其它芯片的时钟源。RST/VPD（9）：RST 为复位信号。当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上的高内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 9电平即可完成单片机的复位初始化的操作。第二功能 VPD 为掉电保护备用电源的输入端。当电
18、源发生故障，电压降到下限时，备用电源经此端向内部 RAM 提供电压，以保护内 RAM 中的信息不丢失。（31）： 为内部和外部程序存储器选择线。 =0 时，访问外部EA/VpEAEAROM0000HFFFFH； =1 时，地址 0000H0FFFH 空间访问内部 ROM，地址1000HFFFFH 空间访问外部 ROM。（29）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。PSNXTAL1（19）和 XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来外接石英晶体和电容；使用外部时钟时，XTAL2 接外部振荡信号输入端，XTAL1 接地。VCC（40）：电源+5V。VSS（20）：接电源地。表 2-1 P3
19、口的第二功能口线 第二功能 信号名称P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 0INT外部中断 0 输入P3.3 1外部中断 1 输入P3.4 T0 定时/计数器 0 外部输入P3.5 T1 定时/计数器 1 外部输入P3.6 WR外部数据存储器写选通P3.7 D外部数据存储器读选通2.2 8031 单片机的存储器单片机的存储器有程序存储器（RAM）与数据存储器（ROM） ，在使用时是严格区分的，不得混用。程序存储器存放指令及常数、表格等；数据存储器则存放缓冲数据。（1）程序存储器内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 高校自动化网整理 108031 的内部没有程序存储器，地
20、址从 0000HFFFFH 都是外部程序存储器空间。应始终接低电平，使程序只从外部存储器中取指。EA程序存储器的操作完全是由程序计数器（PC）控制。 PC 值指向程序操作码单元，则程序执行该指令操作；PC 值指向常数、表格单元，则实现取数、查表工作。因此，程序存储器的操作为程序运行与查表操作两类。8031 单片机在系统复位后，PC 值为 0000H，故从 0000H 单元开始取值，以执行程序，所以系统起始地址为 0000H，一般在 0000H0002H 单元安排一条转移指令，指向用户主程序。其原因是在 0003H 开始的地址区规定为 8031 的 5 个中断源的中断服务程序入口。（2）数据存储
21、器数据存储器用以存放和读取数据，它不能存放和执行程序指令。数据存储器在物理上和都可分为两个地址空间：内部数据存储器和外部数据存储器。内部数据存储器（RAM）的地址空间为 00H7FH，128B。外部数据存储器的地址空间为0000HFFFFH，64KB。由于片内外存储器由不同的指令来访问，故地址重叠不会造成操作的混乱。访问内部 RAM 用 MOV 类指令，访问外部 RAM 用 MOVX 类指令。2.3 8031 单片机的中央处理器MCS-51 单片机内的 CPU 与其它微处理器一样，是单片机的指挥和执行部件，完成运算和控制功能。在逻辑上它是由 8 位算术逻辑单元、定时控制部件及专用寄存器组成。（
22、1）算术逻辑单元 ALUMCS-51 的 ALU 具有对 8 位二进制信息进行加、减、乘、除、比较等算术运算；“与”、 “或” 、 “异货”等逻辑运算及取反、清零、置 1 等逻辑操作功能，并具有很强的调用、转移、判断操作和很强的数据传送功能。（2）内部寄存器MCS-51 片内包括以下寄存器：（1） 工作寄存器组：MCS-51 指定内部数据存储器中四组 8 个字节存储单元为工作寄存器，并编号 R0、R1R7。每组的地址分别为00H07H，08H0FH，10H17 和 18H1FH，具体使用哪一组工作寄存器是由软件对程序状态字的设计来决定的。（2） 寄存器 A、B：寄存器 A 即累加器。算术运算中用于存放操作数和运算结果；在逻辑操作、数据传送等操作中作为源操作数或目的操作数。寄存器 B 主要
