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太陽(yáng)能控制器摘要:本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的深入研究,為解決太陽(yáng)能不穩(wěn)定使用不便等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種,LM2576為前級(jí)穩(wěn)壓,UC3906為充電管理芯片,以51單片機(jī)為控制核心通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)四種用電方案,合理為蓄電池充電的太陽(yáng)能控制器。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能控制器;LM2576;UC39061引言太陽(yáng)能是地球上的綠色能源之一,太陽(yáng)能具有普遍性,巨大性,等特點(diǎn),但也同時(shí)具有能量不穩(wěn)定,能量密度低等特性。為解決太陽(yáng)能發(fā)電不穩(wěn)定,使用不方便等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種以51單片機(jī)為控制核心的低成本智能太陽(yáng)能電池充電控制器。硬件方面本設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)波控制buck降壓電路,來(lái)穩(wěn)定太陽(yáng)能輸出;采用UC3906鉛酸蓄電池專(zhuān)用充電芯片為蓄電池充電,使鉛酸蓄電池充電更合理;采用兩塊鉛酸蓄電池作為出能源原件;由于采用集成芯片提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,簡(jiǎn)化了電路縮減了成本。同時(shí)控制器還具有防雷擊保護(hù)電路,放蓄電池反接保護(hù)電路,太陽(yáng)能電池板防反接保護(hù)電路,過(guò)流保護(hù)電路,并內(nèi)置雙軸太陽(yáng)跟蹤器驅(qū)動(dòng)電路。軟件方面,本設(shè)計(jì)采用三種可選用電模式:默認(rèn)模式(模式一),蓄電池持續(xù)供電模式(模式二),太陽(yáng)能電池板供電模式(模式三)和一種單蓄電池工作模式(模式四)。2硬件系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要由雷擊保護(hù)模塊,前級(jí)穩(wěn)壓模塊,蓄電池充電模塊,核心控制模塊,繼電器控制模塊和太陽(yáng)跟蹤模塊,等部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示:圖1硬件系統(tǒng)框圖2.1雷擊保護(hù)模塊與前級(jí)穩(wěn)壓模塊雷擊保護(hù)是在太陽(yáng)能電池板串聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)二極管,瞬態(tài)二極管(TVS)是一種硅PN結(jié)器件,它能夠吸收很高的瞬態(tài)電壓,能夠在10-12s內(nèi)導(dǎo)通,有效防止雷擊產(chǎn)生的浪涌電流,保護(hù)控制器和蓄電池不被破壞,為安全起見(jiàn)在太陽(yáng)能電池板的正端也就是后級(jí)電路的輸入端還串接一個(gè)融斷絲,如果瞬態(tài)二極管失效也會(huì)保證后繼電路不會(huì)被毀壞。本系統(tǒng)采用擊穿電壓60V的TVS[1]。后級(jí)穩(wěn)壓電路的最高輸入電壓為60V,采用buck降壓路 。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比達(dá)到降壓目的,同時(shí)提高系統(tǒng)的電流輸出能力。buck電路的拓?fù)鋱D為電壓源、串聯(lián)開(kāi)關(guān)和電流負(fù)載組合而成,不含有中間部分[2]。但是由于buck電路MOS開(kāi)關(guān)管的源極浮地,所以驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中不易實(shí)現(xiàn),因此在前級(jí)穩(wěn)壓電路部分采用開(kāi)關(guān)電源集成芯片LM2576。該系列開(kāi)關(guān)電源芯片是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓電路,它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V),并具有完善的保護(hù)電路,包括電流限制及熱關(guān)斷電路等,利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2576系列包括LM2576(最高輸入電壓40V)及LM2576HV(最高輸入電壓60V)二個(gè)系列。各系列產(chǎn)品均提供有3.3V(-3.3)、5V(-5.0)、12V(-12)、15V(-15)及可調(diào)(-ADJ)等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。此外,該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳[3]。LM2576引腳圖如下圖所示:圖2LM2576引腳圖2.2蓄電池充電模塊與繼電器控制模塊由于儲(chǔ)能元件為鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池如今是適用范圍最為廣泛的可循環(huán)充電電池之一,采用鉛酸蓄電池作為太陽(yáng)能發(fā)電,蓄電池的互換性強(qiáng),使用更方便也更便宜。但是鉛酸蓄電池充電要求比較嚴(yán)格,因此本設(shè)計(jì)采用UC3906最為充電模塊的核心芯片。UC3906是一款專(zhuān)門(mén)用來(lái)為鉛酸蓄電池充電的充電芯片。UC3906該芯片內(nèi)含有獨(dú)立的電壓控制電路,具有限流放大器,更重要的是UC3906具有精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓,并在內(nèi)部設(shè)置了溫度補(bǔ)償電路。這樣的設(shè)計(jì)可以隨外部環(huán)境溫度的變化調(diào)整鉛酸蓄電池的浮充電壓,從而更好的保護(hù)蓄電池。以12V20AH的蓄電池為例,設(shè)計(jì)出UC3906充電電路如圖3所示。其中輸入電壓為Uin=18V,過(guò)充電壓Uoc=15V,浮充電壓14.5V,過(guò)充變換電壓14.25V,浮充轉(zhuǎn)換電壓11.7V,最大充電電流Imax=1000mA,過(guò)充終止電流Ioc=100mA[4]。其外部電路如下圖所示:圖3UC3906充電電路18V輸入電壓加入后,Q1導(dǎo)通,開(kāi)始恒流充電,充電電流為2.5A,電池電壓逐漸升高。當(dāng)電池電壓達(dá)到過(guò)充電壓的95%(即14.25V)時(shí),電池轉(zhuǎn)入過(guò)充電狀態(tài),充電電壓維持在過(guò)充電電壓,充電電流開(kāi)始下降。當(dāng)充電電流降到過(guò)充電終止電流(IOCT)時(shí),UC3906的腳10輸出高電平,比較器LM339輸出低電平,蓄電池自動(dòng)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。同時(shí)充足電指示發(fā)光管發(fā)光,指示蓄電池已充滿(mǎn)并通知核心控制模塊充電已完成可以切換電池。繼電器主要是為用來(lái)管理蓄電池組工作狀態(tài)切換為設(shè)計(jì)的,繼電器采用雙穩(wěn)態(tài)繼電器。如果采用單穩(wěn)態(tài)繼電器或者功率MOS作為切換原件,這兩種器件在切換狀態(tài)時(shí)必然會(huì)有一種狀態(tài)必須通電才能維持,這樣就增加了電能消耗,因此采用雙穩(wěn)態(tài)繼電器,當(dāng)切換工作狀態(tài)時(shí),只需要在其set引腳或者rest引腳加上一定時(shí)間的高電平即可(約3ms)。切換電路如下圖所示:圖4繼電器切換電路2.3核心控制模塊與太陽(yáng)跟蹤模塊 為方便開(kāi)發(fā)并達(dá)到低成本的目的,采用51單片機(jī)即可。STC51單片機(jī)控制,MCS-51單片機(jī)是美國(guó)INTE公司于1980年推出的產(chǎn)品,典型產(chǎn)品有8031(內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器,實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰)、8051(芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰)和8751等通用產(chǎn)品,一直到現(xiàn)在,MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍然在使用??梢?jiàn)這種單片機(jī)的使用是多么廣泛。單片機(jī)通過(guò)按鍵獲得輸入指令,從而判斷計(jì)入哪一種工作模式,并且在切換到用戶(hù)選定的這種模式后通過(guò)指示燈來(lái)指示當(dāng)前系統(tǒng)工作于哪一種模式。 放電控制是通過(guò)控制兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)達(dá)到切換的目的,當(dāng)放電蓄電池進(jìn)入欠電壓狀態(tài)時(shí),繼電器1會(huì)斷開(kāi)與外部負(fù)載的鏈接防止蓄電池過(guò)放電,當(dāng)系統(tǒng)工作用于太陽(yáng)能供電模式時(shí),繼電器2導(dǎo)通使接在負(fù)載上的那一端放電回路直接接在太陽(yáng)能電池板的充電回路中。本文采用光電傳感器利用電壓平衡原理制作的雙軸太陽(yáng)軌跡跟蹤器。其設(shè)計(jì)原理是利用光敏電阻感受陽(yáng)光,當(dāng)太陽(yáng)能電池板面正對(duì)太陽(yáng)時(shí),光敏電阻受光平衡,因此電阻值一樣大,則光敏電阻上的分壓也一樣大,通過(guò)電壓比較器可以輸出一個(gè)信號(hào)使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。反之當(dāng)太陽(yáng)移動(dòng)時(shí),光敏電阻的阻值不同導(dǎo)致電壓不平衡,會(huì)使電壓比較器的正反輸入端電壓不一致,這是電壓比較器會(huì)再次輸出一個(gè)值驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角度,使之重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),從而達(dá)到跟蹤太陽(yáng)的目的。3蓄電池與太陽(yáng)能電池板的計(jì)算蓄電池與太陽(yáng)能電池板的計(jì)算過(guò)程遵循由負(fù)載確定蓄電池容量,再確定太陽(yáng)能電池板的容量。以用電負(fù)載200WH(單位瓦時(shí))令放電電壓取12V計(jì)算,通過(guò)計(jì)算公式:負(fù)載瓦時(shí)(WH)/放電電壓=安時(shí)(AH)得出所需安時(shí)約為17AH,這只是一天中負(fù)載所消耗的能量,還要加上由于陰天導(dǎo)致的發(fā)電不足,蓄電池需要另外富余一部分能量以備連續(xù)陰天時(shí)使用,以三天連續(xù)陰天計(jì)算,需要儲(chǔ)備34AH的能量,假設(shè)太陽(yáng)能電池板可以每天在充滿(mǎn)當(dāng)天可用電量之后,再多4AH富余用來(lái)在陰天時(shí)儲(chǔ)備能量,則需要差不多9天時(shí)間。那么每天太陽(yáng)能蓄電池實(shí)際發(fā)電量不小于17+4=21(AH)那么蓄電池真實(shí)容量(以50%放電深度計(jì)算)如下公式計(jì)算:(17×3)/0.5=102(AH)其中17為負(fù)載消耗的能量(以安時(shí)計(jì)算)3表示連續(xù)三天的陰雨儲(chǔ)備,蓄電池選用應(yīng)該大于102AH,因此選用120AH的蓄電池,當(dāng)然稍大一些的蓄電池在使用時(shí)有它的好處,就是不容易超過(guò)最低放電深度,但又不能太大,否則不僅浪費(fèi)會(huì)會(huì)處于長(zhǎng)時(shí)間充不滿(mǎn)電的狀態(tài)。太陽(yáng)能電池板則會(huì)根據(jù)如下公式計(jì)算:21/0.81=29.62(AH)取整數(shù)得30AH,這時(shí)太陽(yáng)能每日發(fā)電容量,它代表的含義是以日照10小時(shí)計(jì)算,發(fā)電電流為3A,轉(zhuǎn)換成功率就是乘以太陽(yáng)能電池板額定電壓,這里取20V,則太陽(yáng)能電池板發(fā)電功率為60W,0.81是太陽(yáng)能控制器和蓄電池充電效率乘積[5]。4結(jié)論本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的深入研究,解決太陽(yáng)能充電效率低下且不能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行有效保護(hù)等問(wèn)題。通過(guò)LM2576調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓電流,使之符合蓄電池充電的穩(wěn)定環(huán)境要求,通過(guò)UC3906對(duì)蓄電池進(jìn)行充電控制滿(mǎn)足蓄電池的充電特性要求,通過(guò)51單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)四種用電模式的切換。靈活自如的滿(mǎn)足不同的用電需求。通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)能電池板與蓄電池的搭配可以達(dá)到最佳發(fā)電量與存儲(chǔ)量得配置。參考文獻(xiàn)(References):[1]趙祥超,姜翠宏,趙學(xué)全.防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].氣象出版社,北京,2010,3:182-183.[2]葉斌.電力電子技
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