太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)

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