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`` 本帖最后由 merryearnest 于 2013-9-21 14:27 编辑 我的梦想——家用太阳能发电系统（连续更新中） 第一次在Elecfans上发原创帖，支持人不多，当自己就要放弃续写时，竟然被坛主置顶了。回过头来审视自己的贴子，确实写的凌乱，能与大家分享的资料太少，帖子质量低，实有愧。现好好整理，一楼是设计历程的概述，后面盖的楼是自己的总结和资料的分享，大家注意翻阅，希望对大家有帮助。 4楼：第一篇、能量的来源——太阳能电池板 6楼：第二篇、高效、智能充电模块 18楼：第三篇、主控——基于Atmega16A的单片机71楼：第四篇、主电路——待完善部件 105楼：第五篇、基于MP2307的USB供电模块 188楼：第六篇、基于UC3843的Boost升压模块 217楼：第七篇、手工版自制mppt控制器 230楼：第八篇、半成品太阳能mppt充电器 自制太阳能发电系统的设计历程： 2012年6月，在学生毕业大甩卖时，我收了一块10W的太阳能电池板，它就是我自制家用太阳能系统的奠基石。（当时玩了几天就搁置了） 图1、自制家用太阳能系统的奠基石（10W太阳能电池板） 2012年9月，一次停电时，手机需充电，我突然想到了10W的太阳能电池板。于是第二天开始拼接太阳能电池板的外围，给USB设备充电，可不再怕停电，而且是真正的低碳、绿色能源。这样一套最简单的系统开启了我的自制家用太阳能发电系统的梦想，如图二所示。（注：所有的模块都不是自己设计，仅仅是简单拼接。） 
图2、拼接的太阳能给USB充电电路 2012年10月~11月，首先做了个简单整体规划，第一步要解决的就是选择主控。以前做过简单的DSP2812开发，感觉用在这里实在是大材小用，且成本高不利于普及，接着马上想到了51单片机。可我对51只是了解，但不熟悉。于是开始学习，选择了郭天祥老师《10天学会51单片机》，非常感谢这部视频教程，让我学会了51单片机。（吐下槽：我这样的基础，每天14小时废寝忘食学习，整整花了2周时间，所以我想一般人想要10天……，呵呵）后续规划中，发现了使用51的问题，51单片机虽然便宜，但是没有AD采样，如果加上ADC0804也只能采样1路，还是8bit，采样几路系统就复杂了，成本就起来了。逛了逛坛子，又选择了Atmega16A，内置8路10bitAD采样，价格也不算太高。稍微学习了基础，就上手了AVR这款单片机（有了51的底子，再上手AVR几乎无阻力，所以这次也没去系统学习，而是用什么学什么。） 2012年12月~2013年1月，解决了主控问题后开始搭建太阳能发电监控系统各个原始模块。在近2个多月的时间里，学习了如何腐蚀电路板，巩固了Altium Designer，温习了模电特别是运放，在年前终于搭建出了原始系统，如图三所示。
图3、太阳能发电系统原始模块 由于每个功能基本都单独搞成了个测试模块，所以联接时到处飞线，只能叫原始模块了，呵呵。简单介绍下：左上是基于LM324的AD信号调理电路板，左下是基于Atmega16A的主控板（供电是由7805转换过来的），中间的是几个继电器构成的主电路板（正中间绿板子是淘宝上买的限压限流充电模块），右边是由水泥电阻配个降压模块构成的可调负载。 2013年2月~3月，经过一段时间的测试，发现了些问题，最突出的问题就是采样精度达不到95%，特别是电流采样平均90%都困难，带着问题不断思索后确定了改进的方向：1、主控由Atemga16A（DIP封装），改进为Atmega16A（TQFP封装），原因是TQFP封装可以启用2路可编程的差分采样（10倍和200倍放大），同时参照Atemga16A的技术说明书修订了主控板的AD采样电路，按要求加入了电感和电容滤波，并对采样信号也增加了滤波；2、逐步精简和整合原始模块，减少飞线，增加联接口。元器件逐步向贴片元件转型，缩小电路板尺寸；3、自设计高效充电模块。 为了这个梦想，我放弃了许多娱乐时间，终于在3月初完成了对太阳能发电系统各原始模块的第一次整合工作，见图四，并给手机和笔记本电脑供电，见图五。
图4、第一次整合后的太阳能发电系统
图5、接上负载后的系统 经过一段时间的测试该系统特点如下： 1、电压测量精度98%以上，电流测量精度96%以上； 2、系统最高工作电压23V（MP2307限制），系统最大工作电流4.5A（50mRΩ/1W限制）； 3、可累积工作时间和发出电能，不惧掉电（Atmega16内置EEPROM）； 4、自设计充电模块具备高效、可控、带电网支撑功能，软硬件双保护功能。 近段时间工作有点忙，一是整理以前的设计过程，二是加深对DC/DC变压模块使用，三是测试系统，特别是稳定性和可靠性（为以后能成为可靠产品做好铺垫，疏忽不得）。完成了第五篇《基于MP2307的USB供电模块》，这个模块的目标就是小、模块式，插接方式，预留监控端口。
图6 负载（基于MP2307的USB供电模块） 2013年3月~4月初，经过整理后系统开始逐步变为模块化了，加入防过流的保险丝，制作了第一个升压电路（基于UC3843的Boost升压电路，过几天总结完毕马上续帖）。现在看来低压直流系统的主要工作大头应该完成（升压、降压、限压、限流等功能都调试出来了），剩下的就是整理和完善设计了。第二版系统开始放图：
图7 散开放置的模块图
图8 组装后带蓄电池、手机、笔记本全家图 第六篇、基于UC3843的Boost升压模块整理完毕，在188楼。这次写得比较细，希望大家能读懂，想动手的可以做得出东西。此刻电压直流部分主要功能都已经实现了（降压、升压、限压、限流），太阳能发电系统的直流部分就是完善AVR的管理和结构了。 2013年5月1日前，终于完成了高度整合后的第三版（把Boost升压电路也做成模块化）。并在汽车上小试一把了，单片机的控制部分加入了控制开关和蜂鸣器报警等电路。直接上图吧！
组合拼图 第七、八篇是使用Atmega16A自制太阳能充电器的过程，并朝着成品化方向发展。已经做出了一片半成品，并成功售罄，也是对自己学习的最好肯定。期间有不少发烧友给了很好的建议和意见，特别是厦门林工和河北曹工的帮组，加速了从发烧自制向成品化的转变。下面几个图是几次重要版本的。技术资料请看230楼附件。Atmega16A的功能和资源几乎使用到了70%以上，呵呵。
第一版 18V太阳能板充12V电池
第三版 18或36V太阳能板充12或24V电池
第五版 第一次带测试性质的对外销售版本
全部售出版本全家福 技术交流： 当每个模块设计得相对完善后，我就会盖楼归纳，绝不令色，分享所有资料，包含自己的设计底稿。（我理解的技术是一种分享，只有分享了才能快乐，才能体现活着的价值，越保守只能越落后。因此我不会设置必须回复才能看帖）当然我遇到问题时我也会挂在帖上，请大家多帮忙，提供好的建议和意见。交流方式建议大家多跟帖支持，再就是邮箱merryearnest@126.com。 2013年4月30日修订 ``
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本帖最后由 merryearnest 于 2013-1-26 16:02 编辑
后续还有几个用电模块没有上图： 1、12转5V，USB供电，给手机平板充电。 2、12升20V，给笔记本供电。 下一步开发太阳能并网逆变器和逆变器是关键了，绿色智能家庭的梦想努力。 |
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本帖最后由 merryearnest 于 2013-3-17 15:00 编辑
第一篇 能量的来源——太阳能电池板 1、名称和外观 太阳能电池板（中文） Solarcell panel（English） 2、基本作用和分类 太阳能电池板是将太阳能转换为电能的模块，是绿色能源的核心部件，接收太阳光线，输出直流电。常见的太阳能电池板分为多晶硅和单晶硅。（1）单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本相对高。（2）多晶硅太阳电池的光电转换效率约12%左右。制作成本相对低廉。 3、参数说明 太阳能电池板铭牌 Maximum Power (Pm) : 最大功率50瓦 Open-Circuit Voltage (Voc) : 开路电压22伏 Short-Circuit Current (Isc): 短路电流2.78安 Maximum Power Voltage (Vmp): 最大功率时输出电压18伏 Maximum Power Current (Imp): 最大功率时输出电流3.05安 Maximum system Voltage (V): 系统最大耐压直流800伏（绝缘系数） Temperature Cycling Range : 工作时温度范围零下40摄氏度~85摄氏度 Tolerance : 误差正负3% Weight : 重量4.6公斤 测试条件： 光照强度 1000W/M2 光谱 AM1.5 温度 25摄氏度 警告：太阳能电池板一旦暴露在光线中就会产生电能。有两种级联方式：串联和并联。串联可以提升输出电压，并联可以提升输出电流。使用级联方式时可能会引起火灾，使用时要小心，做好保护措施。 4、太阳能电池板使用的保护问题 太阳能电池板使用时，应避免短路和反充。反充是指电路给太阳能电池板充电，即太阳能电池板的输出电压小于端口电压，端口对电池板放电。反充会损坏太阳能电池板内部的光电变换单元，长期反充会严重损害电池板整体性能。太阳能电池板的保护一般采用二极管来完成，防反充二极管和旁路二极管。 ①、防反充二极管 防反充二极管也称为防逆流二极管，与太阳能电池板输出端串联。其作用之一是防止太阳能电池组件或方阵在不发电时，蓄电池的电流反过来向组件或方阵倒送，不仅消耗能量，而且会使组件或方阵发热甚至损坏；作用之二是在电池方阵中，防止方阵各支路之间的电流倒送。这是因为并联各路的输出电压不可能绝对相等，各支路电压总有高低之差，或者某一支路故障、阴影遮蔽等使该支路的输出电压降低，高电压支路的电流就会流向低电压支路，甚至会使方阵总体输出电压的降低。在各支路中串联接入防反充二极管就避免了这一现象的发生。 在独立光伏发电系统中，有些光伏控制器的电路上已经接入了防反充二极管，即控制器带有防反充功能时，组件输出就不需要再接二极管了。 要特别注意的是损耗问题，防反充二极管存在正向导通压降，串联在电路中会有一定的功率消耗，一般使用的硅整流二极管压降为0.7V以上。例如18V太阳能系统，防反充二极管压降为0.9V，那么在二极管上消耗的功率百分比为：0.9/18=5%。 ②、旁路二极管 当有较多的太阳能电池组件串联组成电池方阵时，需要在每块电池板的正负极输出端反向并联二极管，这种并联在两端的二极管叫旁路二极管。 旁路二极管的作用是防止方阵中的某个组件或组件中的某一部分被阴影遮挡或出现故障停止发电时，在该组件旁路二极管两端会形成正向偏压使二极管导通，组件串工作电流绕过故障组件，经二极管流过，不影响其他正常组件的发电，同时也保护被旁路组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。 旁路二极管一般都直接安装在接线盒内，根据组件功率大小和电池片串的多少，安装1~3个二极管。 旁路二极管也不是任何场合都需要的，当组件单独使用或并联使用时，是不需要接二极管的。对于组件串联数量不多且工作环境较好的场合，也可以考虑不用旁路二极管。一般电池板出厂时都并联了旁路二极管。 旁路二极管 5、太阳能电池板的安装 一般太阳能电池板多为固定式安装，即方位角和倾斜角设置完毕后不可调。为了更加充分有效地利用太阳能，太阳能电池板安装时要考虑方位角与倾斜角的选择。 ①、方位角 方位角是电池板的垂直面与正南方向的夹角。在固定式电池板工作时，方位角朝向正南（即电池板垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离30°时，发电量将减少约10％～15％；在偏离60°时，发电量将减少约20％～30％。 在夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在午后，因此方位角稍微向西偏一些时，可获得最大发电功率。在其他季节，方位稍微向东或西偏移。 ②、倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角。一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。对于方位角为0°时，倾斜角从水平（倾斜角为0°）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，若再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°～60°以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。 有一组经验公式，根据使用地点的纬度来设置倾斜角： （1）纬度为0°-25°时，太阳能板的倾斜角度与纬度相同； （2）纬度为26°-40°时，太阳能板的倾斜角度为纬度+（5-10）°； （3）纬度为41°-55°时，太阳能板的倾斜角度为纬度+（10-15）°； （4）纬度>55°时，太阳能板的倾斜角度为纬度+（15-20）°。 以武汉为例，武汉纬度为 30.6°，在安装固定式的太阳能电池板时，建议方位角选择正南方向（即0°），倾斜角选择38°（30.6+7.4=38） 当然可以考虑制作可旋转的自动追踪系统。 |
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本帖最后由 merryearnest 于 2013-3-10 18:06 编辑
第二篇 充电模块——基于KIS3R33S的高效智能同步整流 1、模块基本功能 将太阳能电池板提供的能量（15~20V直流电），给蓄电池（12V）充电，储存能量，必须满足以下几方面的要求：高效的电能变换，蓄电池充电的基本阶段（恒流、恒压、涓流），双重保护（硬件电路限压、限流，同时提供单片机监视和控制端口），带电网支撑功能。 2、直流电能变换的方式选择（基于KIS-3R33S的同步整流降压模块） DC/DC降压电路，马上想到的就是Buck电路，在市场上有许多成熟的控制芯片，比较流行的是LM2596模块，但是效率偏低（我自己搭建了一个简易效率测试平台LM2596模块的平均效率勉强80%），而且发热严重，电流上到1.5A时不敢往上调（这还是增加散热片的情况）。通过逛淘宝和论坛，最后选定了同步整流方案。 什么是同步整流？ 假设一个二极管串在蓄电池的12V系统中，消耗在二极管上的电压为0.9V，电路电流为I，那么系统效率为((12-0.9)*I)/ (12*I)=11.1/12=92.5%。我们知道在传统Buck电路中接有一个续流二极管，因此传统Buck变换电路的效率是很难达到90%以上的。LM2596模块效率低和发热大的根源之一就是二极管损耗（特别提醒，系统电压越低二极管上的损耗比就越恐怖）。 只有选择同步整流方式，才可以得到高效率，同时高效率也意味着低损耗，发热小。同步整流方式其实是对传统的Buck降压电路的改良，通过给二极管并联低导通阻抗的MOSFET，并有时序要求的（即同步方式）导通来代替二极管，从而提高效率。通过KIS-3R33S同步降压模块的学习，掌握了MP2307芯片基本使用，综合成本下采用了改装KIS-3R33S模块，自设计控制电路。（KIS-3R33S改造帖子很多，蛮适合入门学习，百度文库里也有几篇不错，我就不再整理了。） 图1 KIS-3R33S原封装 图2 KIS-3R33S拆封后 3、KIS-3R33S的改造方向 其实KIS-3R33S就是带了外围的MP2307电路，一定要掌握了MP2307芯片的基本知识，改造起来才能易如反掌了。 根据蓄电池充电的特点，电池从低电压开始充，先是恒流充电，然后恒压充电，最后涓流充电，因此需要给KIS-3R33S加入限流和限压功能；根据双重保护的特点，需要将输入、输出电压信号提供给AVR单片机进行采样，掌握充电模块的状态，并提供模块的控制接***给单片机管理；电网支撑的要求，其实是当负载功率过大，太阳能电池板无法提供足够能量时，太阳能电网电压不断下降，此时要求蓄电池能马上将平时储存的能量及时加入太阳能电网，防止太阳能电网电压的崩溃。 4、KIS-3R33S的具体改造方法 ①改造后的电路原理图如图3所示，PCB板（单面板，正面仅有4条短飞线）如图4所示。 图3 KIS-3R33S原理图 图4 KIS-3R33S PCB板 ②限压和限流部分，一定要了解MP2307芯片FB端口的反馈原理，由TL431提供基准信号，通过可调电阻调理后与输出的电压和电流信号在LM358处进行比较，反馈给FB端口。大家注意，电阻R9限定了可调最高压（R9=10K时，Vout最高约13.75V，如果想提高输出电压，则降低R9取值），电阻R10限定了可调最高电流（R10=100K，Iout最高约4.55A，如果想提高输出电流，则降低R10取值）。 ③模块的控制接口，要了解MP2307芯片EN端口，高电平工作，低电平关闭。在此处，设置了自锁开关可手动控制，从AVR单片机引入EN信号可自动控制。与AVR单片机的接口为P1，V+为输出电压，Vin为输入电压，GND为地，EN为电路控制接口。有了输入、输出电压AVR单片机就可以做自由控制了（何时充电，何时停止，可以在硬件的限压、限流基础上增加一层软件保护，双保险）。 ④电网支撑，采用最稳定的二极管方式，原理图D1所示，但是在选择上一定要采用硝特基，如SS54，最大工作电流5A，导通压降0.55V（注意，D1是支撑二极管，D3是防输出反馈二极管，两者不需要同时存在，即有D1时，请取消D3）。 图5 实物板顶部（背了散热片） 图6 实物板底部 照相时同时焊接了D1和D3，请根据需求选一个就行。自锁开关是手动控制，2个W103的可调电阻，可以自行调整需要限定的电压和电流（如我设定的充电最大电流1A、充电最高电压13.4V）。 5、小结 该电路是借鉴淘宝网店上的限压、限流充电模块的基础上，进行了完善和修订，设置了比较精准的最高值限定，增加了手动和自动控制功能，并针对太阳能电网需要支撑的特点加入了支撑二极管D1（我还设计了包含限制输入电压过低的功能，用于测试太阳能电池板最大输出功率跟踪的实验，大家感兴趣可自行改造）。 相关资料MP2307、电路图的Altium Designer文件、KIS-3R33S改造，我打包到附件了。欢迎大家交流学习：merryearnest@126.com |
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顽皮圣 发表于 2013-2-3 13:50 45V直流电源很容易的，要么3块太阳能电池板串联使用18*3=54V，要么18V直接用同步整理的 Boost电路升压到45V，非常方便。 |
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经过一段时间的努力，现在整个直流系统又有大的进步了，这几天再继续总结下，更新点东西。不知道大家想了解些什么呢？
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今天ATemga16A控制板进行了改良，DIP封装逐步都改为贴片封装了。同时把AD信号调理板也通过修订主电路和使用Atemga16A的可编程差分AD完成了。
明天希望能完成最后的调试，然后就开始放图和总结了。 |
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本帖最后由 merryearnest 于 2013-3-21 23:26 编辑
第三篇 主控——基于Atmega16A的单片机 一、太阳能主控板功能描述 1、实时监测整个太阳能系统的参数：太阳能电池板输出电压和电流、负载端口电压和电流、充电模块电压和电流、蓄电池电压和电流，使用PA0~PA7引脚配置为采样端口。 2、控制：根据系统实时参数，作出各种控制决策（修订中），但预留出PB0~PB5引脚作为控制接口。 3、人机信息交互界面：LCD1602和串口无线通信（待开发，初步意向是使用蓝牙通讯，除了可以在PC上监控，还能使用智能手机APP程序监控）。LCD1602使用PC0~PC7作为数据端口，PD6、PD7作为控制端口。 4、集成电源，可以直接从主电路中取电。由于负载不大使用78M05芯片变换即可。 5、模块化插接件，使用P20针插口进行联结。 二、电路原理图和PCB 图一、主控电路原理图 图二、主控PCB板 三、完成后的实物 图三、主控正面 图四、主控背面 图五、拆掉1602液晶后的正面图 图六、通过P20接口联结到主电路板 四、已实现功能 1、实时监控系统的电参数 图七、液晶显示第一页说明 LCD1602液晶显示第一页数据解释：第一行“S：”是solar的缩写，代表太阳能，依次显示的数据是太阳能电池板的输出电压、输出电流、输出功率，比如此刻太阳能电池板输出电压为12.6V，电流为1.96A，功率为24.7W；第二行“B”是Battery的缩写，代表电池，依次显示的数据是电池电压、系统负载输出电流、电池电流，这一行要注意正负号含义，此刻电池电压12.5V，系统外接负载输出电流2.63A（负号代表输出），电池输出电流0.66A（原因是太阳能电能不足，只提供了部分能量还有部分由电池提供）。 图八、液晶显示第二页说明 LCD1602液晶显示第二页数据解释：第一行是累计工作时间，此刻工作了7小时1分中；第二行是太阳能电池板累计发出电能，此刻累计发电95.6瓦时（注意，瓦时与我们日常用电计量单位度也成为千瓦时，相差1000倍哦！）由于要累计，故使用Atemga16A片内EEPROM，掉电不丢失，每10分钟才写入一次（EEPROM写入寿命毕竟有限），但是统计还是实时的每秒累计一次。 五、设计中的体会和小结 1、AVR ATmega16A_TQFP封装的底部可以不用焊接到板上（技术说明上要接地，当时不接地设计还蛮犹豫，最后证明没问题）。 2、熔丝设置必须千万个小心，如果你没有插入晶振，确不小心选择了外部晶振模式，那么马上恭喜你，下一刻起你的AVR单片机将不能与ISP通讯了（单片机假死），解决方法就是插入正确晶振才能恢复ISP通讯，还有一次我不小心选择外部RC振荡器，最后只好去查资料，选择合适的电容和电阻构成振荡器才能恢复。再次提醒各位，设置错了晶振等于无法通讯，所以设置熔丝位时要仔细。 图九、PC外部振荡器 3、我设计的LCD1602数据接口是PC0~PC7口，比较特殊（市面上开发的多为PB0~PB7）。当初第一版时LCD1602怎么也无法显示，我换了2个新片子都不行，当我绝望时，借来调试神器——示波器，终于发现问题，原来PC口中有几个引脚没有输出，原因是要和JTAG通讯的，影响了LCD1602的通讯，再去查资料，最后解决的方法是关闭熔丝位中“使能JTAG接口”。 4、另外要注意的数据写到了EEPROM中，如果要重新刷程序，熔丝位中“执行芯片擦除时，保留EEPROM内容”要选上，不然累计的数据就被清零了。 5、ATmega16A芯片确实简单，板子焊接调试方法就 ①焊接ATmega16A芯片，检查电源和地是否短路； ②焊接ISP座子，好了此刻你就可以开始下载程序了（需要的外围电路真是太少了，晶振、电源都不用）； ③焊接LCD1602接口，开始调试显示功能（再提醒关闭熔丝位JTAG口）； ④焊接78M05电源电路，可以使用 P1口独立供电试验是否正常； ⑤焊接AD采样及主控接口，注意接到主电路板时一定要把正负方向选择好，不然你懂得，呵呵。 6、AD采样中分辨率问题：设定Ver=2.56V
电压范围和电流取样电阻决定量程，精度和取样电阻决定测量精度。举例，我设计的电流取样电阻为50mΩ，采样方式为差分10倍放大，那么测量的电流范围0.256/0.05=5.1A，电流测量精度(50*1)(mV)/0.5(mV)=100格，即0.01A。 |
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