太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)

太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)

太陽能燈控制系統(tǒng)例如，路燈作為一種清潔、無害、可替代的能源，而廣泛應(yīng)用于可支配能源中。太陽能路燈是太陽能應(yīng)用之一,無需敷設(shè)管線,安裝靈活,特別適應(yīng)于電網(wǎng)難于到達(dá)的地方及偏遠(yuǎn)的農(nóng)村、海島等。太陽能路燈實(shí)質(zhì)上就是獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng),它由太陽能板、控制器、閥控式蓄電池、照明燈具四個部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。白天太陽能板給蓄電池充電,夜晚蓄電池為負(fù)載提供電源,蓄電池既是負(fù)載又是電源。在太陽能路燈控制系統(tǒng)中,蓄電池壽命相對較低,如果沒有一個合理的充放電方式,蓄電池的壽命將大大縮短,從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,因此蓄電池的檢測與保護(hù)很關(guān)鍵。而蓄電池充電、放電都是在控制器的控制下完成的,它控制著蓄電池充放電方式,因此控制器是整個路燈系統(tǒng)的核心。本文以路燈控制器為研究對象,設(shè)計(jì)一款以微控制器為核心的智能路燈控制器,控制器按照蓄電池的充電規(guī)律,運(yùn)用PWM三階段充電法對蓄電池充電,提高充電效率;同時具有過充、過放保護(hù),最大限度延長蓄電池的使用壽命。1盤問電路組成路燈控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,它由微控制器、電源電路、充電電路、放電電路、鍵盤顯示電路、電壓電流檢測、溫度補(bǔ)償、時鐘電路、保護(hù)電路組成。該控制器具有防雷、防反充、蓄電池防反接、負(fù)載過流、短路等保護(hù)措施,確保控制器能可靠工作。1.1超抗側(cè)片微控制器是整個系統(tǒng)核心,STC12C5A60AD是宏晶公司生產(chǎn)的一款單時鐘、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾單片機(jī)。片上資源豐富,內(nèi)置1280字節(jié)RAM,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。微控制器根據(jù)檢測太陽能板電壓、蓄電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù),選擇合適的充電方式;放電時,由鍵盤選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ近c(diǎn)亮照明燈具?？刂破髋渲脮r鐘芯片DS1302可實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)時定時控制。1.2dm驅(qū)動電路增加充電效率充電電路用于太陽能電池對蓄電池充電。圖3為充電電路圖,電池板、蓄電池、開關(guān)配置成串聯(lián)形式,V1、V2選用場效應(yīng)管IRF3710,場效應(yīng)管具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小特點(diǎn),充電時線路壓降小,減少控制器發(fā)熱量,提高充電效率。V2僅起到開關(guān)作用,V1承擔(dān)充電方式的選擇。圖中由V3、V4、V5、V6、V8等組成的PWM驅(qū)動電路能大大減少場效應(yīng)管開通、關(guān)斷時間,降低開關(guān)切換功耗。蓄電池的充電過程是:開機(jī)時關(guān)斷V1、V2,然后通過單片機(jī)輸出脈沖信號到V2柵極,不斷檢測蓄電池是否滿足開通條件。一旦判斷出A點(diǎn)電壓為零,此時太陽能電池板電壓高于蓄電池電壓,V1、V2開通,蓄電池充電。正常充電時,單片機(jī)輸出脈沖信號到V1柵極,不斷地檢測A點(diǎn)電壓,一旦判斷出A點(diǎn)電壓非零,此時太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓,V1、V2關(guān)斷,蓄電池停止充電。1.3放大與比較電路放電及保護(hù)電路如圖4所示。場效應(yīng)管控制負(fù)載的接入與斷開,負(fù)載的過流、短路不僅對負(fù)載本身有損害而且對蓄電池也有損傷,縮短蓄電池的使用壽命,本電路有完善的保護(hù)措施。放大與比較電路U1選用LM358,采樣電阻R22將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號,經(jīng)U1A放大后送入單片機(jī)和U1B,當(dāng)放電電流超過1.2倍額定電流30S時過載保護(hù)動作。短路時(大于額定電流3倍)單片機(jī)發(fā)出關(guān)斷指令,同時電壓比較器翻轉(zhuǎn)關(guān)斷場效應(yīng)管V10,負(fù)載斷電得到保護(hù)。短路保護(hù)采用硬件加軟件的形式,具有反應(yīng)速度快,同時能自動檢測短路狀態(tài),無需手動操作,使負(fù)載恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。2軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),包括充電管理、放電管理、鍵盤顯示、溫度讀取、時間讀取、A\D轉(zhuǎn)換等模塊程序。2.1主程序流程系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖5所示。2.2放電管理的程序充電管理程序控制太陽能板對蓄電池充電。系統(tǒng)選用閥控式鉛酸蓄電池,根據(jù)閥控式鉛酸蓄電池充電特性,選擇智能三階段充電方式。不僅提高充電效率,而且能延長蓄電池的使用壽命。在每個階段設(shè)置合適的充電閥值,對相應(yīng)的閥值進(jìn)行溫度補(bǔ)償,并對過充點(diǎn)進(jìn)行必要的保護(hù)。其流程圖如圖6。放電管理程序控制夜晚路燈開關(guān)時間,總的設(shè)計(jì)思路是光控+時控。天黑時點(diǎn)亮,深夜關(guān)閉,天亮前1小時再次點(diǎn)亮。這樣可節(jié)約電能,特別在連續(xù)陰雨天情況下,能夠延長照明天數(shù),減小蓄電池的放電深度,保護(hù)蓄電池。放電管理流程圖如圖7。3蓄電池充電測試采用兩塊輸出功率16W,最大輸出電壓22V的太陽能電池板,蓄電池選用12V/7Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池,通過控制器對蓄電池進(jìn)行充電測試。表1為實(shí)測的蓄電池充電電壓。由于充電電流隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,單位時間內(nèi)電壓上升的幅值也不一樣。圖8為浮充時PWM控制的波形圖。蓄電池充滿后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài),調(diào)節(jié)PWM占空比,控制充電電流,使蓄電池電壓穩(wěn)定在浮充電壓上。4智能放電,充電使用壽命本文充分利用了單片機(jī)的軟硬件資源設(shè)計(jì)一款