太陽能庭院燈控制系統(tǒng)設計

李 盾

河南省索克實業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000

在能源日趨緊張的今天，太陽能作為一種取之不盡的新型能源，越來越多的應用于工業(yè)和民用。太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差。當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路，產(chǎn)生一定的輸出功率。

1 概述

一套完整的太陽能庭院燈系統(tǒng)由太陽能電池、控制電路、蓄電池、LED燈等組成。白天，太陽光通過太陽能電池向蓄電池充電；夜晚，蓄電池經(jīng)控制電路向LED燈供電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

2.1 單片機外圍電路

本電路控制IC選用ATMEGA16單片機，外圍電路包括電源電路、復位電路、晶振等。

2.2 光控電路

分壓電路由光敏電阻和10K電阻R串聯(lián)構(gòu)成。光敏電阻一端接Vcc，10K電阻R一端接地，光敏電阻另一端接ATMEGA16的PA2端。因Vcc為+5V，則UR≥2.5V時，LED驅(qū)動電流停止工作，充電電路開始啟動，反之充電電路關(guān)閉，LED燈開始放電。

2.3 測量電路

電壓測量采用電阻分壓法，通過比例變換電路，將被測電壓引入至單片機的A/D輸入端口PA1。同時選用運放LM324構(gòu)成負反饋電路，滿足虛短和虛斷的條件，根據(jù)分壓原理，得到蓄電池電壓與Vin的關(guān)系，將其代入單片機軟件，根據(jù)ATMEGA16的A/D采樣數(shù)據(jù)，可得到蓄電池兩端的實際電壓。

將電阻串聯(lián)到電流通路中，通過該電阻將被測電流轉(zhuǎn)換成電壓，并通過運放比例電路將電壓引入ATMEGA16的A/D采樣端口PA0。由于運放所構(gòu)成的是負反饋電路，滿足虛短和虛斷的條件，可得被測電流與VIin的關(guān)系，將其代入單片機軟件，根據(jù)ATMEGA16的A/D采樣數(shù)據(jù)，反推可得到被測電流的實際數(shù)值。

2.4 充電控制電路

充電電路采用DC/DC變換，內(nèi)含一個降壓變換電路。降壓電路由開關(guān)管、鉗位二極管、ATMEGA16、儲能電感和濾波電容組成。開關(guān)管與直流輸入電壓串聯(lián)，在開關(guān)周期T內(nèi)，導通時間為Ton。導通時，鉗位二極管電壓為Vdc；關(guān)斷時，鉗位二極管電壓迅速降為0。使用鉗位二極管可防止開關(guān)管損壞。

鉗位二極管壓降為0時，其電壓波形為矩形波。Ton時間段電壓為Vdc，其余時間段電壓為0，鉗位二極管的電壓均值為Vdc×Ton/T。儲能電感和濾波電容接于鉗位二極管和Vout之間，此時輸出點Vout成為幅值等于Vdc×Ton/T的無尖峰無紋波的直流電壓。

降壓電路工作在開環(huán)狀態(tài)下，單片機不斷檢測太陽能電池的輸出功率，并根據(jù)蓄電池充電控制策略來產(chǎn)生PWM控制開關(guān)管的導通時間。開關(guān)管導通時，電壓電流變化同時開始，同時結(jié)束。開關(guān)管電流從0上升至Io的同時，其電壓從最大值Vdc下降至0。導通時的平均功率為：P（Ton）=Io×Vdc×Ton/6。一個周期的平均功率為（Io×Vdc/6）（Ton/T）。關(guān)斷時，平均功率不變。因此，交流開關(guān)損耗為：Pac=（Io×Vdc/3）（Ton/T）。

充電采取三段式充電法，即先采用恒流法充電，再采用恒壓法充電，最后采用小電流充電來補充蓄電池自身的損耗。

本系統(tǒng)可采用2塊17V太陽能板及一只12V蓄電池。先用恒流法充電，當蓄電池電壓達到14.8V時，改用恒壓法充電；當充電電路的電流為0.35A時，采用小電流浮充，使得蓄電池的電壓保持在13.8V。恒流法充電時，當電路電流小于恒流值時，增大開關(guān)管的PWM占空比使之達到恒流值；當電路電流大于恒流值時，減小開關(guān)管的PWM占空比使之減小到恒流值。恒壓法充電時，當電路電壓小于14.8V時，增大開關(guān)管的PWM占空比使之達到14.8V；當電路電壓大于14.8V時，減小開關(guān)管的PWM占空比使之達到14.8V。小電流充電時，當電路電流小于恒流時，增大開關(guān)管的PWM占空比使之達到恒流值；當電路電流大于恒流時，減小開關(guān)管的PWM占空比使之減小到恒流值。

2.5 LED燈驅(qū)動電路

蓄電池輸出的電壓經(jīng)LM7805降壓后，可驅(qū)動混聯(lián)的LED發(fā)光二極管，LED燈應串聯(lián)限流電阻。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分主要是充電管理和放電管理。充電模塊根據(jù)光控部分發(fā)出的信號控制降壓電路和放電時間，并實時檢測充電電流和電壓，以調(diào)整脈沖信號。充電電路工作時，供電電路中斷，通過ATMEGA16端口的PB2端輸出低電平，此時供電電路處于斷路狀態(tài)。供電電路工作時，充電電路中斷，通過ATMEGA16的PD7端口輸出的PWM占空比為0，使得ATMEGA16的PB2端口輸出高電平，供電電路工作。

充電電路使用了定時計數(shù)器1作為PWM信號源，具有兩路獨立的比較輸出單元，充電時采用了PD7，其分辨率為：RFPWM=log（TOP+1）/log2。因定時計數(shù)器精度不應低于1%，故RFPWM=7，即精度為1/128，相應的TOP值為0x7F。定時計數(shù)器1的PWM頻率為：?PWM=?CPU/N（TOP+1）。在8MHz晶振、定時計數(shù)器1工作在7位精度下，計數(shù)時鐘不分頻N=1，?PWM=8M/（127+1）=62.5KHz，精度和速度都滿足本系統(tǒng)要求。

定時計數(shù)器1的初始化函數(shù)為：

本系統(tǒng)采用2分頻，使用8MHz晶振。穩(wěn)定運行后，每次單次轉(zhuǎn)換，采樣保持時間為1.5周期，轉(zhuǎn)換時間為13周期，共計14.5周期/4MHz=3.6μs。電路采用多次ADC采樣取平均值的方法，故使用ATMEGA16的內(nèi)建ADC具有可行性。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)充電模塊能實現(xiàn)三階段充電模式，即先恒流充電，再恒壓充電，最后小電流浮充，依靠單片機ATMEGA16調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，來控制充電電路開關(guān)管的通斷。電壓測量電路和電流測量電路在充電工作時，檢測電路中的電壓和電流，已確定恒流、恒壓和浮充模式，大大提高了蓄電池的充放電效率。

本系統(tǒng)不僅可用于民用太陽能庭院燈，可加以改進，應用于通信衛(wèi)星供電、太陽能交通燈、太陽能發(fā)電家用系統(tǒng)、光伏水泵、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、高速公路路標等多領域。

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[3]桑野幸德.太陽電池及其應用[M].北京：科學出版社，2000.