基于AVR的太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)

 摘 要：為了控制太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的最優(yōu)充放電，利用低功耗高性能的RISC：?jiǎn)纹瑱C(jī)AVR作為控制電路的核心，設(shè)計(jì)一種可靠性高，性能好的太陽(yáng)能智能控制器，并對(duì)控制器的控制原理進(jìn)行詳細(xì)分析。測(cè)試結(jié)果表明，該控制器能正確監(jiān)控和測(cè)量蓄電池的狀態(tài)，充放電效果好，性能可靠，能減少充電損耗，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；PWM；控制器；AVR

    隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加深，太陽(yáng)能的研究和利用受到廣泛的關(guān)注。太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，在太陽(yáng)能的有效利用中，太陽(yáng)能充電是近些年發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，是其中最受矚目的項(xiàng)目之一。太陽(yáng)能電池發(fā)電是基于“光生伏打效應(yīng)”原理，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，利用充電效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，是其他能源無(wú)法比擬的。

1 太陽(yáng)能控制器的設(shè)計(jì)
1．1 太陽(yáng)能電池的輸出特性
    由它的輸出特性曲線(見(jiàn)圖1) 可知，太陽(yáng)能電池的伏安特性具有很強(qiáng)的非線性，即當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，其開(kāi)路電壓不會(huì)有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會(huì)有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨之改變。然而當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，電池板輸出的電流一定，可以認(rèn)為是恒流源。因此，必須研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的太陽(yáng)能發(fā)電控制器，才能更有效地利用太陽(yáng)能。

1．2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    太陽(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心，外圍電路主要由蓄電池電壓及環(huán)境溫度檢測(cè)與充放電控制電路、電池板電壓檢測(cè)與分組切換電路、負(fù)載電流檢測(cè)與輸出控制電路、狀態(tài)顯示電路、串口數(shù)據(jù)上傳和鍵盤(pán)輸入電路構(gòu)成。

    電壓檢測(cè)電路用于識(shí)別光照的強(qiáng)度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測(cè)電路用于蓄電池充電溫度補(bǔ)償。該系統(tǒng)采用PWM方式驅(qū)動(dòng)充電電路，控制蓄電池的最優(yōu)充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強(qiáng)度和充電模式下電池板的切換，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)3組電池板陣列控制。負(fù)載電流檢測(cè)電路用于過(guò)流保護(hù)及負(fù)載功率檢測(cè)。狀態(tài)顯示電路用于系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，包括電壓、負(fù)載狀況及充放電狀態(tài)的顯示。串行口上傳數(shù)據(jù)電路用于系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。鍵盤(pán)輸入電路用于充電模式設(shè)定及LCD背光開(kāi)啟。該控制器在有陽(yáng)光時(shí)接通電池板，向蓄電池充電；當(dāng)夜晚或陰天陽(yáng)光不足時(shí)，蓄電池放電，以保證負(fù)載不停電。
1．3 AVR單片機(jī)
    AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可獨(dú)立訪問(wèn)的哈佛結(jié)構(gòu)，代碼執(zhí)行效率高。系統(tǒng)采用的mega 32處理器包含有32 KB片內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同時(shí)片內(nèi)集成了看門(mén)狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線系統(tǒng)編程功能，片內(nèi)資源豐富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置，蓄電池及負(fù)載的管理，工作狀態(tài)的指示等。
1．4 蓄電池的充放電控制
    閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長(zhǎng)，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統(tǒng)中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見(jiàn)圖3)可知，蓄電池充電過(guò)程有3個(gè)階段：初期(OA)電壓快速上升；中期(ABC)電壓緩慢上升，延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；C點(diǎn)開(kāi)始為充電末期，電壓開(kāi)始上升；接近D點(diǎn)時(shí)，蓄電池中的水被電解，應(yīng)立即停止充電，防止損毀電池。所以對(duì)蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復(fù)蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長(zhǎng)期補(bǔ)充電池因自放電而損失的電量。

    蓄電池放電過(guò)程主要有三個(gè)階段：開(kāi)始(OE)階段電壓下降較快；中期(EFG)電壓緩慢下降且延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間；在最后階段G點(diǎn)后，放電電壓急劇下降，應(yīng)立即停止放電，否則將會(huì)給蓄電池照成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，如果對(duì)閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會(huì)大幅縮短，造成系統(tǒng)運(yùn)行成本增加。在蓄電池的充放電過(guò)程中，除了設(shè)置合適的充放電閾值外，還需要對(duì)充放電閾值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償，并進(jìn)行必要的過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)。
    根據(jù)閥控密封鉛酸蓄電池的特點(diǎn)，控制器利用MCU的PWM功能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷；若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)蓄電池開(kāi)路，由于自身控制器得不到電力，不會(huì)有任何動(dòng)作。當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓(15 V)時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電；此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓(13．2 V)時(shí)，蓄電池進(jìn)人浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓(13．2 V)后，浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓(10．8 V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載，以保護(hù)蓄電池不受損壞。若出現(xiàn)過(guò)放，應(yīng)先進(jìn)行提升充電，使蓄電池的電壓恢復(fù)到提升電壓后再保持一定時(shí)間，防止蓄電池出現(xiàn)硫化。通過(guò)PWM控制充電電路(智能三階段充電)，可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。
1．5 溫度補(bǔ)償
    采用數(shù)字溫度傳感器DS18820檢測(cè)蓄電池環(huán)境溫度。對(duì)蓄電池的充電閾值電壓溫度補(bǔ)償系數(shù)取-4mV／(℃·單體)。補(bǔ)償后的電壓閾值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)αn。其中，Ve為補(bǔ)償后的電壓閾值；V為25℃下的電壓閾值；t為蓄電泄環(huán)境溫度；α為溫度補(bǔ)償系數(shù)；n為串聯(lián)的單體數(shù)?？刂破鲗?duì)過(guò)放電壓閾值不做補(bǔ)償。
1．6 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
    設(shè)計(jì)的控制器屬于串聯(lián)型，即控制充電的開(kāi)關(guān)是串聯(lián)在電池板與蓄電池之間的。串聯(lián)型控制器相對(duì)于并聯(lián)型控制器能夠更有效地利用太陽(yáng)能，減少系統(tǒng)的發(fā)熱量。設(shè)計(jì)中用MOSFET實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所需驅(qū)動(dòng)功率較小。而且MOSFET只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間，因而開(kāi)關(guān)頻率可以很高，特別適合作為PWM控制充電開(kāi)關(guān)。為此，設(shè)計(jì)中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導(dǎo)通電壓Vth<0，由圖4可以實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，由于Q2的Vce很小，可以認(rèn)為Q1的G極接地，Vgs<0，當(dāng)Vin達(dá)到一定值時(shí)，Q1導(dǎo)通。

1．7 鍵盤(pán)電路
    采用單按鍵的輸入方式，用于開(kāi)液晶背光和設(shè)定充電模式。初始化時(shí)將PC7輸出高電平，在程序運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)定時(shí)中斷檢測(cè)是否有按鍵按下。當(dāng)有按鍵按下時(shí)間不超過(guò)10 s時(shí)，則打開(kāi)液晶背光，10 s后背光關(guān)閉。當(dāng)有按鍵按下時(shí)間超過(guò)10s時(shí)，進(jìn)入模式設(shè)定。在設(shè)定模式下，每按一次模式加1，按下按鍵10 s后或者10 s按鍵無(wú)任何動(dòng)作，模式保存到E2PROM中，退出設(shè)定模式。
1．8 狀態(tài)顯示和告警電路
    控制器用LCD1602液晶顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括蓄電池電壓、負(fù)載功率等。 LCD1602采用7線驅(qū)動(dòng)法，Vo接1 kΩ電阻到地，用于調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。顯示數(shù)據(jù)和指令通過(guò)LCD1602的DB4～DB7寫(xiě)入，同時(shí)具備有聲光告警功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)放時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，同時(shí)相應(yīng)告警繼電器接通。
1．9 數(shù)據(jù)上傳
    控制器用RS 232串行口將系統(tǒng)電壓、溫度、充放電狀態(tài)以及負(fù)載情況數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 控制器的軟件流程圖
    主程序主要完成對(duì)I／O、定時(shí)器和PWM的初始化，同時(shí)根據(jù)電池板和蓄電池的狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的充放電子程序。控制器參數(shù)的測(cè)量主要由中斷服務(wù)程序完成。

3 結(jié) 語(yǔ)
    在此設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能控制器性能穩(wěn)定，具有過(guò)充過(guò)放保護(hù)和溫度補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)顯示出良好的控制效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護(hù)了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有一定的社會(huì)效益和廣泛的推廣價(jià)值。