一種智能型太陽能控制器設(shè)計(jì)

劉春鵬，姚　毅，賈金玲，梅幼亞

（1.四川理工學(xué)院 自動化與電子信息學(xué)院，四川 自貢　643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 自貢 643000；3.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢 643000）

一種智能型太陽能控制器設(shè)計(jì)

劉春鵬1，2，姚毅1，2，賈金玲2，3，梅幼亞1，2

（1.四川理工學(xué)院 自動化與電子信息學(xué)院，四川 自貢643000；2.人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 自貢 643000；3.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢 643000）

針對傳統(tǒng)光伏太陽能控制器存在的充放電不合理、功能單一、智能化程度低等問題，設(shè)計(jì)出了一種基于AVR單片機(jī)的智能型太陽能控制器。文中重點(diǎn)介紹了控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過程。該控制器通過實(shí)時的光伏電池板和蓄電池電壓檢測判斷出蓄電池工作狀態(tài)，合理進(jìn)行蓄電池充放電，并具有溫度補(bǔ)償和負(fù)載保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池充放電的智能控制。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，該控制器功能完善、使用方便、性能穩(wěn)定可靠，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

太陽能控制器；AVR單片機(jī)；串聯(lián)PWM控制；智能

目前，我國的主要發(fā)電形式是以煤炭、石油和天然氣等燃燒為主的火力發(fā)電，這些能源的消耗已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、破壞生態(tài)平衡、造成環(huán)境污染的嚴(yán)重問題。與此同時，太陽能作為一種清潔的可再生能源，越來越多的受到人們的關(guān)注，世界各國也都在加快對光伏發(fā)電技術(shù)的研究。從當(dāng)前我國光伏太陽能使用情況和近期發(fā)展來看，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)不成熟、設(shè)備成本高，因而影響了其大量的推廣應(yīng)用。在實(shí)際生活中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)因相對成本低、應(yīng)用配置靈活而成為光伏發(fā)電市場的主要組成部分。作為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，太陽能控制器的性能直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和最佳狀態(tài)。

鑒于太陽能控制器對于光伏發(fā)電的重要性，在研究市場上普通控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種智能型光伏太陽能控制器。測試表明，該控制器具有多功能、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。

1　太陽能控制器總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以ATMEL公司研發(fā)推出的AVR系列高檔單片機(jī)ATmega48為控制核心［1］，控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要由電壓采集模塊、溫度檢測模塊、充放電控制模塊數(shù)、碼管顯示和功能指示模塊以及必要的單片機(jī)復(fù)位和外部晶振電路等模塊組成［2］。控制器通過對太陽能電池板電壓的定時采樣可判別出白天或黑夜從而為不同模式下負(fù)載的閉合提供依據(jù)。蓄電池電壓檢測可將其電壓信息反饋至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析計(jì)算后輸出驅(qū)動電壓，通過場效應(yīng)管的通斷實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電。數(shù)碼管顯示工作模式及狀態(tài)，其他功能指示由發(fā)光二極管完成。

控制器不僅要完成各項(xiàng)功能的智能化處理，其充放電過程也應(yīng)得到合理有效的控制，達(dá)到對蓄電池的最佳保護(hù)。根據(jù)要求，通過分析研究，采用三階段充電法完成蓄電池的充電過程。充電初期采用恒流充電，蓄電池電壓達(dá)到一定值時使用恒壓充電，后期改用浮充［3］。

圖1　控制器結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電壓采集模塊

電壓采集模塊包括太陽能電池板的電壓檢測和蓄電池的電壓檢測，主要通過電阻分壓法實(shí)現(xiàn)。

太陽能電池板的電壓檢測用于識別太陽能電池板工作電壓，通過定時電壓檢測可以掌握光照強(qiáng)弱信息，判斷出白天還是黑夜。如圖2（a）所示，檢測到的電壓信號送給單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換輸入通道，單片機(jī)獲取光伏電池板的電壓信息［4］。為保證單片機(jī)的更好識別，A/D轉(zhuǎn)換后的識別電壓應(yīng)在0～5 V。圖中二極管起保護(hù)作用，電容用來防止干擾。

圖2　電壓檢測電路

圖3　溫度采樣電路

蓄電池電壓的檢測用來采集蓄電池的電壓信息，從而判斷蓄電池工作狀態(tài)。同時還可以測定蓄電池是12 V還是24 V規(guī)格。通過實(shí)時檢測到的蓄電池電壓對蓄電池充放電進(jìn)行有效控制?？紤]到蓄電池充放電時的電壓變化以及穩(wěn)壓型二極管的作用［5］，采樣的電壓應(yīng)小于1.1 V。如圖2（b）所示，電容起濾波作用。

2.2溫度檢測及補(bǔ)償模塊

蓄電池環(huán)境溫度的變化會影響蓄電池的容量和過充點(diǎn)電壓，因此需要采用溫度補(bǔ)償對蓄電池進(jìn)行保護(hù)。如圖3為溫度檢測電路，單片機(jī)根據(jù)采樣得到的電壓信息對環(huán)境溫度作出判斷，相應(yīng)的進(jìn)行必要的溫度補(bǔ)償。

2.3充放電控制模塊

光伏太陽能控制器主要是控制蓄電池的充放電過程，本文所設(shè)計(jì)智能型光伏太陽能控制器采用串聯(lián)式PWM設(shè)計(jì)。充放電控制電路如圖4所示。

圖4　充放電控制電路

蓄電池電壓較低時，蓄電池電壓檢測電路將蓄電池的電壓信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)電壓信息作出判斷，輸出控制信號PB1為高電平，經(jīng)驅(qū)動電路控制MOSFET管T1導(dǎo)通，對蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電壓上升至一定值時，由單片機(jī)控制改變PWM占空比，根據(jù)程序設(shè)定的恒壓和恒流充電終止值實(shí)現(xiàn)蓄電池的階段充電［6］。蓄電池電壓恢復(fù)至正常范圍時再進(jìn)行浮充。

蓄電池電壓處于正常狀態(tài)時，單片機(jī)輸出PB2為低電平，驅(qū)動電路控制MOSFET管導(dǎo)通，負(fù)載正常工作。當(dāng)蓄電池電壓下降到設(shè)定的欠壓點(diǎn)時，單片機(jī)控制MOSFET管T2截止，切斷負(fù)載，同時重新進(jìn)行充電。

2.4數(shù)碼管顯示和工作指示模塊

控制器的工作模式由單獨(dú)按鍵設(shè)置并通過數(shù)碼管顯示。單片機(jī)控制的數(shù)碼管可顯示光控開關(guān)狀態(tài)及光控延時功能，同時可顯示蓄電池當(dāng)前電壓信息［7］。采用發(fā)光二極管指示工作狀態(tài)。當(dāng)LED1亮?xí)r，蓄電池電壓過低，應(yīng)停止向負(fù)載供電。LED2閃爍指示太陽能電池板正在充電，長亮則表示充滿。

2.5供電電源電源

單片機(jī)的上電復(fù)位和正常工作需要一個穩(wěn)定可靠的+5 V電源為其供電，本設(shè)計(jì)使用LM2575開關(guān)穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)和相關(guān)元件供電。LM2575是變換效率較高的降壓型開關(guān)變換芯片，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的開關(guān)穩(wěn)壓芯片，內(nèi)部有完善的保護(hù)電路。其原理如圖5所示。

圖5　控制器供電電源

2.6負(fù)載保護(hù)電路

為保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，需設(shè)計(jì)必要的負(fù)載保護(hù)電路。把阻值低精度高的電阻串聯(lián)在負(fù)載電路中，通過檢測其電壓信號轉(zhuǎn)換為所需的電流信號，經(jīng)放大器放大調(diào)整后輸入給單片機(jī)。一旦負(fù)載電路異常 ，單片機(jī)發(fā)出控制信號，通過MOSFET管控制負(fù)載輸出的通斷。負(fù)載電流檢測放大電路如圖6所示。

圖6　電流檢測放大電路

3　控制器軟件設(shè)計(jì)

智能型光伏太陽能控制器的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮硬件電路的特點(diǎn)和智能化操作要求，還要保證控制器各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)及其穩(wěn)定性。對應(yīng)的軟件程序包括主控程序、定時中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序、充放電管理子程序、負(fù)載控制子程序等。程序流程圖如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)上電后，單片機(jī)首先初始化各項(xiàng)參數(shù)，然后進(jìn)入主循環(huán)。在讀取按鍵設(shè)置和中斷信息后，根據(jù)控制要求調(diào)用控制子程序完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

圖7　軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

4　結(jié)　論

本控制器采用串聯(lián)式PWM設(shè)計(jì)，利用高檔的AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了蓄電池充放電的智能控制。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，電壓損失較低，充電效率較高。同時所設(shè)計(jì)的智能型控制器具有溫度補(bǔ)償和負(fù)載保護(hù)功能，控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和較長的使用壽命。在不同的光照強(qiáng)度條件下，控制器輸出電壓較為穩(wěn)定。與普通控制器相比，功能完善，智能化程度高，適合推廣應(yīng)用。

［1］劉海成.AVR單片機(jī)原理及測控工程應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［2］曹瑩.基于Atmega48太陽能路燈控制器研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（22）：179-181.

［3］孫艷玲，羅友，張東清.一種基于單片機(jī)實(shí)時顯示太陽能充放電控制器設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2012，35（4）：435-437.

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［5］張艷紅，張崇巍，張興，等.一種新型光伏發(fā)電充放電控制器［J］.可再生能源，2006（5）：71-73.

［6］李媛，朱景全.基于串聯(lián)式PWM光伏控制器的設(shè)計(jì)［J］.節(jié)能，2010（7）：17-19.

［7］閉金杰，羅曉曙，楊日星，等.基AVR的太陽能控制器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（10）：167-168.

An intelligent solar controller design

LIU Chun-peng1，2，YAO Yi1，2，JIA Jin-ling2，3，MEI You-ya1，2
（1.School of Automation and Electronic Information，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China；2.Artificial Intelligence Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong 643000，China；3.School of Computer Science，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

Aiming at the existence of traditional photovoltaic solar controller is not reasonable to charge and discharge，single function，and low level of intelligent，devised an intelligent solar controller based on AVR microcontroller.This paper focuses on the controller hardware circuit design and software design process.The controller through real-time photovoltaic panels and battery voltage detection judge the battery working state，to storage battery charging and discharging reasonable，and with temperature compensation and load protection，realize the intelligent control of the storage battery charging and discharging. The experimental application shows that the controller function is perfect，use convenient，stable and reliable performance，has a broad application prospect.

solar controller；AVR microcontroller；series PWM control；intelligent

TN-9

A

1674－6236（2016）06-0168-03

2015-04-30稿件編號：201504320

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（11ZA123）；四川電力科學(xué)設(shè)計(jì)研究院基金項(xiàng)目（HX2014076）；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（Y2014007）

劉春鵬（1987—），男，河南平頂山人，碩士。研究方向：智能檢測與專家系統(tǒng)。