基于C8051F920的太陽能金鹵燈控制器設(shè)計

    在世界能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，如何有效地利用清潔的太陽能正在成為各國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略。目前，大部分照明設(shè)備仍以傳統(tǒng)能源來照明，所以充分利用太陽能作為照明設(shè)備的能源供給，在節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有重要意義。
    為此，設(shè)計了具有太陽能供電功能的金鹵燈控制器。該控制器既具有金鹵燈電子鎮(zhèn)流器功能，又具有太陽能充電器功能。該控制器作為電子鎮(zhèn)流器，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器相比，具有功率因素高，運行穩(wěn)定，體積小等優(yōu)點。作為具有太陽能供電功能的控制器，根據(jù)設(shè)定，控制器白天控制太陽能充電系統(tǒng)對12 V／100 Ah蓄電池充電，晚上使金鹵燈工作。由于太陽能光伏板在自然環(huán)境下容易受到雷擊損壞，所以該控制器在設(shè)計時還兼顧了防雷擊的保護功能。

1 控制器整體結(jié)構(gòu)
    該控制器采用微型封裝的C8051F920單片IC作為CPU，C8051F920作為一款高集成度(SoC)，高速度(100 MIPS)的IC，其具有如下特點：
    (1)高性能集成模擬外設(shè)。數(shù)據(jù)采集時一般可以免去外部模擬部件和系統(tǒng)校準(zhǔn)、多通道高速采樣，有利于節(jié)電設(shè)計。同時也可以省去外部時鐘器件。模擬信號布線已在片內(nèi)完成，所以可簡化PCB設(shè)計，改善系統(tǒng)的噪音性能。具有10位分辨率ADC，以及高精度的內(nèi)部振蕩器(1．5％)。
    (2)外部通信接口。可通過軟件選擇UART，SM-Bus／12c，SPI之一作為串行通信接口，具有特殊串行接口USB 2．0，CAN 2．OB，16位和8位的復(fù)用和非復(fù)用并行數(shù)據(jù)總線。
    (3)高性能數(shù)字I／O。具有計數(shù)器／定時器PCA模塊，I／O可實時動態(tài)配置。
    該控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

太陽能光伏板接入光伏信號處理電路，光伏電壓經(jīng)PWM充電控制電路送到12 V蓄電池內(nèi)。正常工作時，12 V蓄電池輸出電壓經(jīng)高頻平面變壓器次級感應(yīng)升壓、整流后到全橋電路。同時12 V輸出電壓與電壓變換電路相連接，向控制器其他電路供電。
    全橋驅(qū)動電路與點火電路、金鹵燈相連。全橋驅(qū)動電路采用UBA2032芯片。當(dāng)金鹵燈發(fā)生短路時，全橋驅(qū)動短路可關(guān)閉全橋。鍵盤和顯示人機接口可對點火時間、方式、充電過壓保護范圍等進行設(shè)定。升壓整流電路與開關(guān)控制電路相連，將輸入12 V升壓到60～120 V，供金鹵燈工作。
    MCU監(jiān)控電路與PWM充電電路、電壓變換電路、全橋驅(qū)動電路、鍵盤和顯示人機接口相連，對12 V蓄電池的充放電、點火線圈、金鹵燈的啟動和穩(wěn)定運行及電路保護進行控制。點火電路對升壓后的負(fù)電壓進行整流并與點燈線圈一起形成10～20 kV的點燈電壓。信號檢測和轉(zhuǎn)換電路具有對12 V蓄電池的當(dāng)前電壓、電流、蓄電池充電電流、光伏信號處理電路的電壓進行檢測的功能。
2．1 太陽能充電系統(tǒng)
    該充電系統(tǒng)包括光伏信號處理電路、PWM充電控制電路。圖2為充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

    光伏信號處理電路包括防信號反接電路、光伏電壓取樣電路和雷擊保護電路。其中，防信號反接電路可以阻止光伏信號反接輸入對控制器電路造成損壞。電壓取樣電路提供給C8051F920采樣后的光伏電壓信號。雷擊保護電路可以防止將天空中閃電、雷擊引入控制器而造成損壞。PWM充電控制電路將對蓄電池充電， MCU輸出的PWM信號用于驅(qū)動大功率MOS管，控制充電電壓的大小，以免造成對蓄電池的損壞。
2．2 電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計
    升壓整流電路包括反激式升壓高頻平面變壓器和快恢復(fù)整流二極管及保護電路。高頻平面變壓器初級連接到電源的輸入端和功率MOS管，次級連接到整流二極管和保護電路。金鹵燈啟動時，次級提供400 V左右的直流電壓，該電壓經(jīng)三倍壓整流電路變換為1 200 V的直流電壓。正常工作時，變壓器的次級提供60～120 V直流電壓。升壓后的電壓信號經(jīng)過LM2902傳送至C8051F920，以實現(xiàn)電壓取樣檢測。
    全橋驅(qū)動電路采用飛利浦公司推出的UBA2032高壓單片IC，UBA2032片內(nèi)集成有電壓穩(wěn)壓器、振蕩器、輸入信號延遲和橋路禁止電路、控制邏輯、高／低壓電平移位器、高端左／右驅(qū)動器和低端左／右驅(qū)動器等單元電路。當(dāng)金鹵燈發(fā)生短路時，全橋驅(qū)動短路可關(guān)閉全橋，實現(xiàn)對金鹵燈的保護。
    鍵盤顯示電路連接到C8051F920的SPI接口上，可實現(xiàn)點燈時間、方式、充電過壓保護范圍等的設(shè)定。ZLG7290是一種全新的、具有I2C總線的鍵盤和顯示接口芯片，使用該芯片設(shè)計的鍵盤和顯示電路，在設(shè)置完參數(shù)后，可以拔掉不用，簡化了控制器硬件和軟件設(shè)計。信號檢測和轉(zhuǎn)換電路將充電電流和點燈電流在取樣電阻上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，并放大到合適的范圍給MCU的A／D輸入端；另一方面，點燈電流信號的點燈電壓信號經(jīng)放大比較電路連接到開關(guān)控制電路，直接控制燈的開路和短路保護。
2．3 點火電路的設(shè)計
    金鹵燈的工作可分為三個階段：電極釋放自由電子，電子在外加電場中加速；自由電子的動能轉(zhuǎn)化為氣體原子的激發(fā)能；激發(fā)能轉(zhuǎn)換為光能。
    圖3為金鹵燈的伏安特性曲線。

    由于金鹵燈內(nèi)充滿惰性氣體，其擊穿電壓很高，通常要求達到20 kV左右，故要求點火電路能夠提供足夠高的電壓?；诖耍ㄟ^將變壓器次級與圖4所示的三倍壓點火電路相連，可獲得1 200 V的電壓，再經(jīng)過點燈線圈連接至金鹵燈后，可在金鹵燈的兩極得到20 kV左右的點燈電壓。

3 充電系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件采用模塊化設(shè)計，其工作流程如圖5所示。通過程序?qū)崟r檢測太陽能光伏板和蓄電池的電壓大小。白天向蓄電池充電時通過控制PWM充電電壓的大小，以避免因為充電電壓太大而損壞蓄電池；晚上關(guān)閉充電電路，并檢測蓄電池電壓和點燈標(biāo)記，只有當(dāng)滿足設(shè)定的點燈要求時才啟動點燈程序。

4 結(jié) 語
    介紹一種具有太陽能供電功能的金鹵燈控制器的設(shè)計。通過采用C8051F920單片機實現(xiàn)了電子鎮(zhèn)流器和太陽能充電的雙重功能。在充分了解金鹵燈的工作特點后設(shè)計了控制器的各部分子電路。經(jīng)過試驗測量，整機工作電流小于20 mA，大大地減小了控制器本身電能的消耗。該控制器在實時檢測蓄電池的電量后控制太陽能充電系統(tǒng)的工作狀態(tài)和燈的各個工作狀態(tài)，能夠使金鹵燈可靠穩(wěn)定地運行，達到了設(shè)計要求。