基于STC12C5A60AD智能太陽能路燈控制器的原理與實(shí)現(xiàn)

仝新建

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與電氣工程學(xué)院，江蘇南京210023)

基于STC12C5A60AD智能太陽能路燈控制器的原理與實(shí)現(xiàn)

仝新建

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與電氣工程學(xué)院，江蘇南京210023)

基于單片機(jī)為核心的智能控制器，設(shè)計(jì)了太陽能路燈控制器的硬件電路，并提供了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用PWM三階段充電法及光控+時(shí)控的放電方式，有利于提高充電效率;同時(shí)該控制器具有過充、過放、過載、短路等保護(hù)措施，可以延長蓄電池使用壽命。

太陽能;控制器;單片機(jī);PWM

引言

太陽能作為一種清潔、無污染、可再生能源得到越來越廣泛的應(yīng)用。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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)具有過充、過放保護(hù)，最大限度延長蓄電池的使用壽命［1］。

圖1 太陽能系統(tǒng)構(gòu)成

1 控制器硬件電路及工作原理

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(shí)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?？刂破髂芸煽抗ぷ?。

圖2 太陽能路燈控制器結(jié)構(gòu)

1.1 微控制器

微控制器是整個(gè)系統(tǒng)核心，STC12C5A60AD是宏晶公司生產(chǎn)的一款單時(shí)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(shí)，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(shí)鐘芯片DS1302可實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)時(shí)定時(shí)控制。

1．2 充電電路

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(shí)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(shí)間，降低開關(guān)切換功耗。

圖3 充電電路

蓄電池的充電過程是:開機(jī)時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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 放電及保護(hù)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(shí)過載保護(hù)動作。短路時(shí)(大于額定電流3倍)單片機(jī)發(fā)出關(guān)斷指令，同時(shí)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(shí)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)［2，3］。

圖4 放電及保護(hù)電路圖

2 系統(tǒng)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(shí)間讀取、AD轉(zhuǎn)換等模塊程序［4］。

2．1 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖5所示。

2．2 主要模塊程序設(shè)計(jì)

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(gè)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［5］。

放電管理程序控制夜晚路燈開關(guān)時(shí)間，總的設(shè)計(jì)思路是光控+時(shí)控。天黑時(shí)點(diǎn)亮，深夜關(guān)閉，天亮前1小時(shí)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 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

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

圖5 主程序流程圖

圖6 蓄電池充電流程圖

光照強(qiáng)度的變化而變化，單位時(shí)間內(nèi)電壓上升的幅值也不一樣。圖8為浮充時(shí)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。

表1 蓄電池充電時(shí)實(shí)測的端電壓

圖7 蓄電池放電流程圖

圖8 浮充時(shí)PWM波形

4 結(jié)束語

本文充分利用了單片機(jī)的軟硬件資源設(shè)計(jì)一款太陽能路燈控制器，實(shí)現(xiàn)對蓄電池充、放電的智能化管理。采用PWM充電方式及光控加時(shí)控的放電方式，提高了蓄電池的使用壽命。該控制器具有可靠的保護(hù)措施，但由于充電采用直充方式，影響充電效率，有待于進(jìn)一步改善。

［1］王長貴，王斯成．太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［2］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］．國外電子元器件，2007(3):27-30．

［3］朱珠，方榮惠，孫彪，張永昊．基于PIC16F676的太陽能控制器［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2010．(2):40-42．

［4］王景景，閆春娟，陳琦．單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［5］閉金杰，羅小曙，楊日星，張露．基于AVR的太陽能控制器設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，(10):167-169．

(責(zé)任編輯陳曉潤)

Theory and Realization of Solar Smart Road Lamp Controller based on STC12C5A60AD

TONG Xin-jian
(Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China)

This paper introduces the hardware circuit and software of the intelligent controller based on MCU．This system uses“threestage PWM charging”mode and“l(fā)ight and time control discharging”mode，which are of great benefits to high charging of efficiency．In addition，the controller has protection measures of overcharge，over discharge，overload and short circuit to extend the service life of battery．

solar energy;controller;MCU;PWM

TP399

A

1671-4644(2014)02-0020-04

2013-12-17

仝新建(1966-)，男，南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。