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摘 要 伴随着新能源技术的不断进步，原本只在书本和网络上的新技术也逐渐走近我们的视野。其中，作为万物之源的太阳能应用技术已日趋成熟。太阳能的应用通常情况下有两种方式，一种是取阳光中的辐射热能来加热东西（如太阳能灶具、太阳能热水器），另一种是利用半导体界面的光生伏打效应将光能直接转变为电能，这种发电方式是直接转换成我们所用的二次能源中的电能，这样人类使用太阳能的方式就更为多样化。传统的太阳能光伏发电需要并网消纳或者自备电池组储能，前者受电网接纳能力的限制且政策上也有局限，后者在运行成本上有局限;而本次设计将结合当前新型的储能方式，使用超级电容器来储存电能，这种方式可以有更快速的充电速率，更强的负载能力以及更经济的运行维护成本。
关键词 太阳能 超级电容 功率变换
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）01-0001-08
本系统设计是基于光伏供电的场合，系统整体可满足小功率负载在离线情况下连续供电的需求;设计应有足够的带载能力，能够满足一般电压等级的用电器使用，自身功耗低，有一定的硬件资源冗余以方便产品迭代等特点。基于上述要求，系统至少应该具有一定的智能性，具备可靠的功率变换电路，能够实现较为友好的人机交互等功能[1]。
1 系统方案
1.1 系统MCU的选择及方案论证
基于智能设计和人机交互的需求，设计时就必须使用微控制器或嵌入式芯片。根据系统功能需求的分析，现设计两种方案。
1.1.1 ADC0809和AT89C51组合实现电路参数测量
ADC0809是51单片机中经典的模数装换芯片，硬件资源最大可提供分时8路8位精度的AD转换功能，8位AD数据并行传输，可满足一般场合AD要求。其典型应用电路如图1所示，从图中可以看到该芯片在工作的时候需要额外的时钟，同时数据的传输是8位并行，所以在一定程度上会较多占用MCU的硬件资源，且实际使用时需要用到高精度参考电压源，实际的硬件电路会有更多的开销，因此对于此方案，在本次项目中不予采用。
1.1.2 STC12CA60S2增强型单片机测量电路参数
STC12C5A60S为国产单片机，对于本次的系统设计更为实用，该单片机是采用51内核的8位单片机，但STC12 C5A60S2有8路10位AD，带PWM功能，具有SPI接口可在线编程，内部ROM为64K。这里的两个关键功能本次系统设计都可以直接使用，一个是自带的AD，另一个就是超大的程序空间。在硬件电路上该单片只需要少量的外围器件即可工作，在最小系统的设计上，外部时钟都可以直接省略，因为其内部自带了RC时钟源在频率精度要求不高的场合可以完全适用。本次设计时还是参照了传统51单片机的外围电路设计，其最小系统如图2所示。
此外除了上述的两种方案之外，还可以使用ST（STM32）的单片机，功能上也能够兼容，但综合功能开发的难易程度、市场存量、价格、工艺等问题，此次的系统设计采用STC12C5A60S2单片机作为信号采集、处理芯片。并且在市场上STC的产品存量大，成本有优势，对于工程开发来说，这也是一种最优化的选择。
1.2 系统功率变换电路方案选择
本次系统设計的重点是对太阳能电池所发电能的存储，由于电池输出的电压与当前环境下的光照强度有直接关系，而超级电容器在充电时是不能够超过其上限电压的，因此就需要设计一个电源变换电路将太阳能电池输出的电能转换成相对固定的电压再对电容器进行充电。本次设计试验所采用的超级电容器模组的充电上限是12V，因此对应的功率变换电路可以在太阳能电池输出电压高于或者低于12V时将电容器的充电电压稳定到12V的上限值。该电路在设计时既要可以对直流电源进行升压也要可以降压才行。根据文献资料可以知道，经典的电路拓扑结构中有BOOST—BUCK电路和SEPIC电路可以满足要求。
1.2.1 Boost buck拓扑电路结构分析
Boost buck拓扑电路是开关电源三大基本拓扑结构（boost、buck、boost—buck）中的一种，前两者只能升压或者降压，这种既可以升压也可以降压。其电路结构如图3所示，Multisim仿真升降压效果如图4、图5所示。
从图4和图5中可以看出，Boost buck拓扑电路功能上确实可以完成电压的升降，但却有一个严重的缺陷，输出的电压与输入侧电压极性相反。而本次的系统设计在这种情况下难以使用单片机对其电压进行测量，因为参考点的选取不好处理。但该电路可以应用在需要负压的场合。
1.2.2 SEPIC拓扑电路结构分析
SEPIC拓扑电路是在三种基本拓扑电路结构的基础上演变的另外三种（Cuk、Zeta、Sepic）之一，其电路的基本拓扑结构如图6所示，Multisim仿真升降压效果如图7、图8所示。
从图7、图8中可以知道SEPIC拓扑电路可以完成直流电压的升降，同时不改变电压的极性，功能上可以达到系统设计的要求。而且该电路在搭建的时候可以适用的电源IC种类很多，可以说只要支持Boost拓扑结构（只升压）的IC基本都可以搭建此电路。市场上常用的电源芯片有芯龙半导体的XL60XX系列、TI公司的LM25XX系列等。这种芯片的最大输出电流可以达到3A，内置MOS，只需要少量的外围器件即可工作，电路的搭建上要相对容易一些。
由以上两种方案中对比可知，此次的系统设计，SEPIC拓扑结构更适合。
2 系统理论分析与计算
在系统方案里，确定了STC12C5A60S2为系统MCU，负责系统中几个关键点的AD转换工作，同时通过特定的算法将其解算成当前电路的实际电压值，并在显示模块上显示出来。基于XL6009的三路SEPIC功率拓扑电路，将太阳能电池产生的电能经过变换后给超级电容器充电;将超级电容器存储的电能经过变换输出，使之可以匹配外接用电器的工作电压;将超级电容器存储的电能经过变换后供给测量电路，由于超级电容存储电量有限，对此电路独立控制，以查询的方式可以实时了解当前系统的工作情况。这里对关键的计算点进行分析。 2.1 ADC转换电压值算法
STC12C5A60S2单片机内置8路10位AD，这里只需要选择三个通道即可。该单片机的AD工作的时候没有单独参考电压，它直接使用电源作为测量参考。因此在电路设计的时候需要注意单片机供电电路的稳定性。单片机的AD采集之后，得到的是二进制数据，这里如果测量电压是5V，那么从AD返回的值就为二进制“1111111111”，如果是0V，那么AD返回的值就为二进制“0000000000”，对应十进制数就为1023和0。这里涉及到将0到1023和0到5进行一个线性的对应操作，设计时使用一个一元一次的函数表达式就可以计算出当前的电压值V。
V=（AD_value*500）/1023
关键词 太阳能 超级电容 功率变换
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）01-0001-08
本系统设计是基于光伏供电的场合，系统整体可满足小功率负载在离线情况下连续供电的需求;设计应有足够的带载能力，能够满足一般电压等级的用电器使用，自身功耗低，有一定的硬件资源冗余以方便产品迭代等特点。基于上述要求，系统至少应该具有一定的智能性，具备可靠的功率变换电路，能够实现较为友好的人机交互等功能[1]。
1 系统方案
1.1 系统MCU的选择及方案论证
基于智能设计和人机交互的需求，设计时就必须使用微控制器或嵌入式芯片。根据系统功能需求的分析，现设计两种方案。
1.1.1 ADC0809和AT89C51组合实现电路参数测量
ADC0809是51单片机中经典的模数装换芯片，硬件资源最大可提供分时8路8位精度的AD转换功能，8位AD数据并行传输，可满足一般场合AD要求。其典型应用电路如图1所示，从图中可以看到该芯片在工作的时候需要额外的时钟，同时数据的传输是8位并行，所以在一定程度上会较多占用MCU的硬件资源，且实际使用时需要用到高精度参考电压源，实际的硬件电路会有更多的开销，因此对于此方案，在本次项目中不予采用。
1.1.2 STC12CA60S2增强型单片机测量电路参数
STC12C5A60S为国产单片机，对于本次的系统设计更为实用，该单片机是采用51内核的8位单片机，但STC12 C5A60S2有8路10位AD，带PWM功能，具有SPI接口可在线编程，内部ROM为64K。这里的两个关键功能本次系统设计都可以直接使用，一个是自带的AD，另一个就是超大的程序空间。在硬件电路上该单片只需要少量的外围器件即可工作，在最小系统的设计上，外部时钟都可以直接省略，因为其内部自带了RC时钟源在频率精度要求不高的场合可以完全适用。本次设计时还是参照了传统51单片机的外围电路设计，其最小系统如图2所示。
此外除了上述的两种方案之外，还可以使用ST（STM32）的单片机，功能上也能够兼容，但综合功能开发的难易程度、市场存量、价格、工艺等问题，此次的系统设计采用STC12C5A60S2单片机作为信号采集、处理芯片。并且在市场上STC的产品存量大，成本有优势，对于工程开发来说，这也是一种最优化的选择。
1.2 系统功率变换电路方案选择
本次系统设計的重点是对太阳能电池所发电能的存储，由于电池输出的电压与当前环境下的光照强度有直接关系，而超级电容器在充电时是不能够超过其上限电压的，因此就需要设计一个电源变换电路将太阳能电池输出的电能转换成相对固定的电压再对电容器进行充电。本次设计试验所采用的超级电容器模组的充电上限是12V，因此对应的功率变换电路可以在太阳能电池输出电压高于或者低于12V时将电容器的充电电压稳定到12V的上限值。该电路在设计时既要可以对直流电源进行升压也要可以降压才行。根据文献资料可以知道，经典的电路拓扑结构中有BOOST—BUCK电路和SEPIC电路可以满足要求。
1.2.1 Boost buck拓扑电路结构分析
Boost buck拓扑电路是开关电源三大基本拓扑结构（boost、buck、boost—buck）中的一种，前两者只能升压或者降压，这种既可以升压也可以降压。其电路结构如图3所示，Multisim仿真升降压效果如图4、图5所示。
从图4和图5中可以看出，Boost buck拓扑电路功能上确实可以完成电压的升降，但却有一个严重的缺陷，输出的电压与输入侧电压极性相反。而本次的系统设计在这种情况下难以使用单片机对其电压进行测量，因为参考点的选取不好处理。但该电路可以应用在需要负压的场合。
1.2.2 SEPIC拓扑电路结构分析
SEPIC拓扑电路是在三种基本拓扑电路结构的基础上演变的另外三种（Cuk、Zeta、Sepic）之一，其电路的基本拓扑结构如图6所示，Multisim仿真升降压效果如图7、图8所示。
从图7、图8中可以知道SEPIC拓扑电路可以完成直流电压的升降，同时不改变电压的极性，功能上可以达到系统设计的要求。而且该电路在搭建的时候可以适用的电源IC种类很多，可以说只要支持Boost拓扑结构（只升压）的IC基本都可以搭建此电路。市场上常用的电源芯片有芯龙半导体的XL60XX系列、TI公司的LM25XX系列等。这种芯片的最大输出电流可以达到3A，内置MOS，只需要少量的外围器件即可工作，电路的搭建上要相对容易一些。
由以上两种方案中对比可知，此次的系统设计，SEPIC拓扑结构更适合。
2 系统理论分析与计算
在系统方案里，确定了STC12C5A60S2为系统MCU，负责系统中几个关键点的AD转换工作，同时通过特定的算法将其解算成当前电路的实际电压值，并在显示模块上显示出来。基于XL6009的三路SEPIC功率拓扑电路，将太阳能电池产生的电能经过变换后给超级电容器充电;将超级电容器存储的电能经过变换输出，使之可以匹配外接用电器的工作电压;将超级电容器存储的电能经过变换后供给测量电路，由于超级电容存储电量有限，对此电路独立控制，以查询的方式可以实时了解当前系统的工作情况。这里对关键的计算点进行分析。 2.1 ADC转换电压值算法
STC12C5A60S2单片机内置8路10位AD，这里只需要选择三个通道即可。该单片机的AD工作的时候没有单独参考电压，它直接使用电源作为测量参考。因此在电路设计的时候需要注意单片机供电电路的稳定性。单片机的AD采集之后，得到的是二进制数据，这里如果测量电压是5V，那么从AD返回的值就为二进制“1111111111”，如果是0V，那么AD返回的值就为二进制“0000000000”，对应十进制数就为1023和0。这里涉及到将0到1023和0到5进行一个线性的对应操作，设计时使用一个一元一次的函数表达式就可以计算出当前的电压值V。
V=（AD_value*500）/1023