基于PIC16F676的太陽能控制器

朱 珠， 方榮惠 ， 孫 彪， 張永昊

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來，隨著地球上石油、煤炭等有限資源因大量開發(fā)與利用而導(dǎo)致能源短缺，人們對(duì)可再生能源—太陽能利用愈加重視。本文設(shè)計(jì)了一種小型太陽能控制器，該控制器能將太陽能電池板與16 V蓄電池直接耦合，采用低功耗的單片機(jī)PIC16F676作為控制回路的核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓。在不同條件下，采用不同方式智能控制蓄電池充放電，提高太陽能電池的利用效率，并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

圖1 不同光照下太陽能電池板曲線

1 太陽能電池板伏安特性

太陽能電池板伏安特性曲線是光伏系統(tǒng)中電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行可靠性、使用壽命以及運(yùn)行成本等指標(biāo)的分析基礎(chǔ)，是太陽能電池主要參數(shù)。圖1給出了不同環(huán)境下所測(cè)量的8組太陽能電池板數(shù)據(jù)U-I曲線和相應(yīng)的P-U曲線。其中系列1～系列5為太陽能電池板在不同太陽光光線強(qiáng)度下得到的曲線，系列6為太陽能電池板背朝著太陽光得到的曲線，而系列7、系列8分別為節(jié)能燈光、普通燈光照射下得到的曲線。

若要在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中得到最大功率，必須跟蹤日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度條件，不斷改變其負(fù)載阻抗，使陣列與負(fù)載達(dá)到最佳匹配，從而提高系統(tǒng)效率。常用的控制方式有CVT（恒定電壓跟蹤）和MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）[1]。

2 太陽能控制系統(tǒng)

該太陽能控制系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、單片機(jī)控制模塊、顯示設(shè)備、溫度補(bǔ)償模塊、負(fù)載及其他外圍元件組成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可知，太陽能電池由單片機(jī)控制模塊控制向蓄電池充電，并向外電路負(fù)載供電，同時(shí)結(jié)合考慮蓄電池所處環(huán)境的變化，利用溫度補(bǔ)償控制調(diào)節(jié)電路保護(hù)蓄電池。

3 太陽能控制器的硬件電路

3.1 電壓采集模塊

通過蓄電池兩端的分壓電阻進(jìn)行分壓，采集信號(hào)輸入單片機(jī)。為減少常規(guī)電阻的非線性誤差，采用4只2 kΩ精密電阻分壓出1/4蓄電池電壓作為單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的分析電壓，從而減小分析電壓的誤差。電壓采集時(shí)，外界環(huán)境光線驟變會(huì)使單片機(jī)發(fā)生誤判現(xiàn)象，影響充電回路錯(cuò)誤控制，因此需在軟件上增加適當(dāng)?shù)难舆t功能，以辨別其環(huán)境光線的“真?zhèn)巍薄?/p>

3.2 蓄電池電壓及電量顯示模塊

采集處理后的電壓輸出到液晶LCD1602進(jìn)行顯示，LCD1602液晶屏每平方厘米耗電量為μA級(jí)，顯示穩(wěn)定。在考慮電量顯示時(shí)，由于蓄電池的容量與其端電壓有關(guān)，故可間接近似線性劃分蓄電池的過放電UMin和過充電UMax之間的壓差，可得出電量S：

式中，U為實(shí)際蓄電池兩端電壓。

3.3 控制器輸入輸出控制模塊

3.3.1 輸入模塊

輸入模塊即太陽能電池充電模塊，由于太陽能電池板受光線和其材料本身的屬性影響，其充電電流具有一定波動(dòng)性，若將所生成的電流直接充入蓄電池或直接向負(fù)載供電，容易造成蓄電池和負(fù)載損壞，嚴(yán)重降低其使用壽命。因此，必須控制其充電部分，這里采用 “自適應(yīng)三階段充電模式”：1）充電階段，蓄電池電壓U較低，小于12.5 V，使用恒流充電；2）當(dāng)蓄電池電壓U達(dá)到12.5 V時(shí)，則進(jìn)入恒壓浮充狀態(tài)（控制占空比實(shí)現(xiàn)）；當(dāng)電流下降到設(shè)定值時(shí)(由高精密電阻兩端的壓差與設(shè)定值相比較判斷)，此時(shí)U達(dá)到14.5 V，恒流充電；3）當(dāng)U達(dá)到設(shè)定的過充電壓16 V時(shí)，恒壓涓流充電，涓流小到一定程度時(shí)（通過高精密電阻兩端的壓差與設(shè)定值相比較判斷）則切斷充電回路[2]。圖3為太陽能電板向蓄電池充電電路。其中，濾波單元是由單相橋式整流電路VD和電感L濾波電路組成，VD可使太陽能電池板始終向蓄電池充電，而蓄電池不會(huì)向太陽能電池供電，且太陽能電池板在光線驟變時(shí)產(chǎn)生交流電或與蓄電池反接時(shí)，只能向蓄電池充電。濾波電路L濾除整流后輸出電壓的紋波，使充電電流更穩(wěn)定[3]。

圖3 太陽能電板向蓄電池充電電路

圖4為溫度補(bǔ)償電路，已知在溫度環(huán)境變化較大的地區(qū)，蓄電池容量將隨之變化，原先設(shè)定的各個(gè)充電情況已不再適合，需對(duì)以上的各點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)修正（軟件編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)），否則同樣會(huì)降低蓄電池的使用壽命，所以增加該溫度補(bǔ)償模塊很有必要。該溫度補(bǔ)償電路主要由溫度補(bǔ)償二極管構(gòu)成，其P-N結(jié)電壓直接加到端口上，利用二極管在常溫附近，溫度每升高1°C，其PN結(jié)正向壓降會(huì)減少2～2.5 mV的特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償[4]。

圖4 溫度補(bǔ)償電路

當(dāng)然家用蓄電池不能總采用控制器控制使其免于過充保護(hù)，一般蓄電池還需考慮蓄電池長(zhǎng)期充放電，析氣和失水導(dǎo)致的蓄電池酸液分層現(xiàn)象，使得蓄電池容量衰減和產(chǎn)生記憶效應(yīng)。因此，有必要定期屏蔽掉蓄電池過充保護(hù)，使其電壓過充，以減少上述不良影響[5]。

3.3.2 輸出模塊

輸出模塊即蓄電池向負(fù)載供電模塊。當(dāng)蓄電池滿足放電條件時(shí)，控制器將打開放電回路的繼電器，向負(fù)載供電。

圖5為兩級(jí)電保護(hù)裝置，以防外界短路或其他情況造成的電流驟增而損壞蓄電池以及其他電子元件。第1級(jí)保護(hù)（軟硬件方式）采集高精密電阻兩端電壓，當(dāng)滿足設(shè)定最大放電電流與高精密電阻阻值之積（即兩端電壓）且持續(xù)20 s時(shí)，確認(rèn)短路，此時(shí)單片機(jī)控制切斷放電回路。第2級(jí)保護(hù)（硬件保護(hù)）為防止第1級(jí)電流過大且未持續(xù)20 s，將對(duì)電路造成損害，此時(shí)增加SR30系列自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，當(dāng)流經(jīng)的電流達(dá)到額定值時(shí)，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲溫度上升、電阻迅速增大，電流迅速減小，當(dāng)過流消失時(shí)，電子保險(xiǎn)絲自動(dòng)回復(fù)到初始狀態(tài)，無需手動(dòng)更換，簡(jiǎn)化控制器維護(hù)，大大提高系統(tǒng)的安全性能[6]。

圖5 蓄電池向負(fù)載供電電路

3.4 穩(wěn)壓電路

圖6 供電部分電路

穩(wěn)壓電路是由高精密電阻、穩(wěn)壓器L7809CV、L7805CV，濾波電容等元件構(gòu)成，如圖6所示。圖6中使用4個(gè)2 kΩ精密電阻分出1/4蓄電池電壓作為單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換分析電壓，從而減小分析電壓的誤差?？紤]到實(shí)際中蓄電池的電壓控制在1 1.5～16 V之間，并且三段集成穩(wěn)壓器的最佳壓差為2.5～4 V。先使用L7809CV將蓄電池電壓穩(wěn)壓在9 V，再使用L7805CV將9 V電壓穩(wěn)定在5 V。這樣L7809CV的最大壓差為6 V，L7805CV的壓差為4 V，在穩(wěn)壓器上附加散熱鋁片即可確保穩(wěn)壓器不會(huì)因過熱而損壞。為提高單片機(jī)工作的穩(wěn)定性，使用2個(gè)5 V電源分別向單片機(jī)和繼電器供電，避免相互干擾。

4 太陽能控制器的軟件設(shè)計(jì)

圖7給出該太陽能控制器軟件設(shè)計(jì)控制流程。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制流程

涓流充電時(shí)，僅當(dāng)檢測(cè)的涓流小到設(shè)定值時(shí)才關(guān)閉充電回路；溫度補(bǔ)償時(shí)Δu（可正、可負(fù)）為程序中相應(yīng)的充放電點(diǎn)電壓值的改變值。還要考慮環(huán)境光線強(qiáng)度的驟變以及用電的瞬時(shí)電流的突變等情況對(duì)系統(tǒng)控制的影響，故需在軟件上增加適當(dāng)?shù)难舆t功能。

此外在試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，遇到蓄電池的“滯回效應(yīng)”[7]，即蓄電池處于過充電點(diǎn)與過放電點(diǎn)時(shí)，由于用電負(fù)載的存在，電源系統(tǒng)在保護(hù)值處不斷振蕩，將對(duì)電子元件造成損壞。則程序設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行“判斷是否第一次上電”，調(diào)用不同臨界值的子程序，蓄電池兩端電壓回落或上升到規(guī)定值時(shí)，使其正常工作。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PIC16F676型單片機(jī)的太陽能控制器，其功耗低，性能穩(wěn)定；并采用“自適應(yīng)三階段充電模式”自動(dòng)以最佳方式控制蓄電池充放電；考慮溫度補(bǔ)償功能，以保證在外界環(huán)境溫度的變化下能自動(dòng)改變各種“充放電點(diǎn)”，可在溫差變化較大的地區(qū)使用。且考慮了蓄電池的記憶效應(yīng)，滯回效應(yīng)，在負(fù)載電路使用二級(jí)保護(hù)裝置，更好保護(hù)蓄電池。

該太陽能控制器，在模擬試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也已取得初步成功。若在該控制器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善手動(dòng)控制電路及后續(xù)的逆變電路，可提高電路穩(wěn)定性及整體功能，進(jìn)而使其具有良好的市場(chǎng)前景。

[1]黃海宏.小功率簡(jiǎn)易型太陽能控制器設(shè)計(jì)[J].元器件與應(yīng)用，2006（2）：88-90.

[2]張艷紅，張崇巍，張 興.戶用型太陽能充放電控制器的設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù)，2006，27（3）：111-113.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4]張盛忠.基于PIC16F676的調(diào)寬調(diào)頻式太陽能交通黃閃信號(hào)燈控制器的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（12）：14-17.

[5]鉛蓄電池電解液分層的研究[EB/OL].（2008-02-09）[2009-08-01].http：//blog.china.alibaba.com/blog/shpaibinzhu/article/b0-i3332697.html.

[6]何朝陽，戴 君，吳立琴.基于STC12C5410AD的太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2007（3）：27-30.

[7]馬 章.新型太陽能光伏電源控制[J].鐵道通信信號(hào)，2000，36（7）：24-25.