基于單片機技術的蓄電池充放電控制系統設計

杜瑞濤，徐 洋

許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000

0 引言

蓄電池的充電池結構整體相對簡單，通過模擬控制形式可以實現充電控制的效果，充電方法也比較單一化，無法按照蓄電池當時的充電狀態調整充電方法。在蓄電池充電期間，不能同時滿足保護、檢測等要求，在無人監控狀態時，也不能同時關注其他蓄電池的充電過程?，F階段，隨著數字信號處理技術的創新，微控制器在蓄電池充電控制領域得到運用，而且逐漸實現了向數字化控制的轉型。應用單片機技術研發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，具有監控蓄電池充放電過程的功能，加強了系統靈活性，并延長了蓄電池的使用壽命，提高了蓄電池的運行效率。為此，文章主要探討蓄電池充放電控制中單片機技術的應用，了解單片機技術在設計、控制中的應用原理和要點。

1 單片機概述

單片機也被稱作微型控制器（Single-chip microcomputer），是在芯片上集成，且具有完整性的計算機系統，大部分功能均集成于芯片，具有計算機需要的多數部件，如CPU、內外部總線系統、內外存、集成外圍設備等。單片機技術最早被運用于工業控制，外圍設備、CPU在芯片中集成，不僅可以減少計算機系統，還能夠實現比較復雜且體積要求高的控制設備集成[1]。

單片機歷經SCM、MCU、SOC三個階段，是微型機非常重要的分支之一，將CPU、定時器、存儲器、I/O接口電路進行集成處理，附著于超大規模集成電路芯片，組成和功能與計算機相同，是蓄電池充放電控制中非常重要的一項技術。

2 在蓄電池充放電控制中應用單片機技術的必要性

現階段，光伏發電系統中應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，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，蓄電池能夠實現快速充電；如果光照強度弱，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行，只需滿足維護性充電要求[2]。

在光伏系統中應用蓄電池時，缺少相應的充放電技術，而且鉛酸蓄電池本身存在耐過充、耐過放性能方面的不足，尤其體現在光伏發電系統的運轉過程中[3]。光伏發電系統具有較強的隨機性，且穩定性不強，很難保證蓄電池充放電過程的規律性?；诖?，針對蓄電池充放電進行控制，采用單片機技術在線監測充放電過程，可以切實提升蓄電池充放電控制精度，延長蓄電池使用壽命，體現獨立光伏微網發電系統的實際應用價值。

3 基于單片機技術的蓄電池充放電控制系統設計

對蓄電池充放電控制系統進行優化設計時，可以將單片機（見圖1）作為主控制器，設計蓄電池能量管理系統（見圖2）的軟硬件。對比傳統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，光伏系統內部蓄電池也采取最優充電方法，經過充電實驗的驗證，發現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 單片機結構圖

圖2 蓄電池充放電控制系統結構

3.1 主要裝置

3.1.1 蓄電池

行業應用比較普遍的蓄電池為鉛酸蓄電池，此類蓄電池多被當作備用電源。在技術不斷演進的今天，越來越多的蓄電池得到應用，而且一些新型蓄電池具有經濟性、環保性、無腐蝕性、應用便捷性等優勢，代替了傳統的開口式鉛酸蓄電池[4]。例如，在應用VRLAB時，只要控制好整流器充電電壓，技術人員便不需要過多地關注蓄電池充電過程，也不需要頻繁地檢測電池端電壓和添加蒸餾水，只要定期檢測電池端電壓、放電容量即可。在安裝方面，因為VRLAB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結構具有密封性，放置方式沒有嚴格要求，不會釋放大量有害物質，會通過特定安全閥將多余氣體排出，通常不會發生鼓脹、爆裂等問題[5]。另外，VRLAB本身具有極高的環保性，實際應用期間可與其他電子設備同時使用，無須專門的環境，減少了維護人員的工作量，也有效減少了占地面積和成本?；赩RLAB的上述優勢，可使用其優化微機控制效果，實現微機集中監控、無人值守等現代化管理成效，為單片機技術在蓄電池充放電控制中的應用創造條件。

3.1.2 單片機

蓄電池是光伏發電系統中非常關鍵的一部分，其使用壽命長短更是光伏發電系統應用效果和經濟性的決定性因素。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。蓄電池是負載供電電源，應用時如果有連續性的陰雨雪天氣，便會增加蓄電池過度放電的概率；蓄電池也是太陽能發電系統中非常重要的儲能設備，如果其連續遭受暴曬，將會有很大概率發生蓄電池過度充電的現象。無論是過度充電還是放電，均會引發蓄電池疲勞，導致其儲能功效喪失[6]。因此，要加強對蓄電池充電程度、放電深度的控制?？梢栽谛铍姵爻浞烹娍刂浦羞\用單片機技術，優化充放電控制程序。

在設計中共采用8塊太陽能光板進行采光發電，同時運用2塊蓄電池儲能，蓄電池充放電電壓以12～15 V為準，控制過程運用89C51系列單片機芯片。在沒有運用單片機控制時，一般需要觀察光伏發電系統指示燈的亮度、顏色變化，作為蓄電池充放電程度的判斷依據。但是這種方法存在較大的控制誤差，如不能及時發現指示燈亮度變化，或者指示燈長時間使用后亮度可能變暗，降低顯示準確性和蓄電池充放電控制的精度，還會導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，會增加蓄電池的易疲勞度，縮短使用壽命。利用單片機技術控制蓄電池充放電，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1年左右。

3.2 硬件設計

利用單片機技術設計蓄電池充放電控制系統，系統由直流電源模塊、按鍵電路、顯示模塊等組成。

（1）直流電源模塊。設計主電路時，直流穩壓電源是應用最普遍的儀器設備，可以維持電子設備的正常運轉。蓄電池放電后，為了快速充電，恢復正常工作能力，只有連接直流電源這一種方法。在系統設計中，充電電路直流穩壓電源包括穩壓電路、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。單片機內的按鍵以獨立按鍵、矩陣編碼鍵盤為主，獨立按鍵的按鍵和單片機I/O口均單獨連接，技術人員判斷電位差別，便可精準識別按鍵操作。矩陣編碼鍵盤的識別主要利用行列交叉按鍵編碼實現。因為蓄電池充放電控制系統中的按鍵數量較少，所以按鍵應用獨立按鍵，編程難度較低[7]。分析系統整體電路之后，單片機P1口連接采集電路，使P1口實現采集控制，無須發送數據，只接收數據即可。

（3）顯示模塊。顯示模塊用于數字、圖形、專用符號的顯示，很多電子產品會用到液晶顯示模塊，如常見的萬用表和計算器。單片機人機交流界面的輸出裝置主要采用LED數碼管、發光管、液晶顯示器。其中，液晶顯示器的顯示質量非常高，能夠長時間維持最佳色彩、亮度，滿足恒定發光要求，而且中途一般不會發生閃爍現象。設計過程中采用數字式接口，連接單片機系統時便捷性、穩定性更高，而且和傳統型號的顯示器相比，液晶顯示器的重量較輕、體積較小，而且更多地在內部驅動IC、電極等部位發生消耗，極大地減少了功耗，可以降低了蓄電池充放電控制系統的功耗。

3.3 軟件設計

在蓄電池充放電控制器的設計中，控制部件主要選擇ATmega16單片機，設計時運用C語言。設計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據，從而判斷當前工作狀態，選擇最契合的控制方式，推動對應的子程序運行，并實現不同模式的充電控制。在主程序的設計中，蓄電池的電流、電壓等數據一般會接受實時監測。

（2）按鍵采集程序。按鍵采集程序主要負責探測開關，判斷開關狀態，并按照探測所得結果確定蓄電池充放電控制系統的運轉狀態。對于讀線、讀取和連接端口的設計，處理相關數據后將其儲存于緩存內。讀取端口時，要想有效排除鍵抖動引發的誤操作，則要做好延時操作，使程序運行效果達到最佳。

（3）顯示程序。因為液晶顯示模塊為慢顯示部件，所以執行各項指令前要予以確認，確認模塊標志顯示低電平狀態，此時發出的指令方可生效；如果顯示為其他狀態，則意味指令失效。對于字符的顯示，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計與處理中，需要提前設置好顯示模式，輸入指令前需要判斷液晶模塊狀態，檢查其是否為“忙碌”狀態。

4 結束語

綜上所述，單片機技術在蓄電池充放電控制設計中的應用，不僅可以優化蓄電池充放電控制成效，還能夠開發更加多元化的蓄電池充放電控制方法，改變原本單一的控制方式，使蓄電池充放電過程控制更加靈活。在單片機技術的支持下，也可以及時發現蓄電池充放電過程的一些缺陷，完善充放電控制系統，延長蓄電池使用壽命，滿足當前對于蓄電池充放電控制的經濟性、環保性要求。