摘要：太陽能控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中的核心部分，設(shè)計了一種基于Atmega48單片機的太陽能路燈控制器。該控制器采用PWM脈沖調(diào)制控制技術(shù)通過對蓄電池電壓、充電電流等參數(shù)進行檢測，控制開關(guān)管的關(guān)斷，來實現(xiàn)充放電控制和保護功能。測試表明，該控制器運行穩(wěn)定、可靠性高、性價比高，具有良好的市場前景。
關(guān)鍵詞：太陽能控制器；Atmega48單片機；PWM；充放電控制
作為一種新興的綠色能源，太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全的特點，是理想的可再生能源。而太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽能利用的一個重要組成部分，被認為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對于緩解能源危機，減少環(huán)境污染和溫室效應具有重要的意義。
太陽能路燈就是典型的太陽能光伏發(fā)電應用產(chǎn)品之一，它是以太陽能作為電能供給，用來提供夜間道路照明。因為不需要消耗電網(wǎng)電能、不需要架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，不污染環(huán)境、安全可靠，因而在公共照明及亮化裝飾領(lǐng)域有著廣闊的前景。
1 太陽能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
太陽能路燈系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池組、燈具等部分組成。若需輸出電源為交流220 V或110 V，還需要配置逆變器。太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
太陽能路燈系統(tǒng)是利用太陽能電池的光生伏特效應原理，白天太陽能電池吸收太陽能光子能量產(chǎn)生一定的電動勢，通過控制器對蓄電池進行充電，將光能轉(zhuǎn)換為電能貯存起來，蓄電池充電到一定程度時，控制器內(nèi)的自動保護系統(tǒng)動作，切斷充電電源。到夜晚或路燈周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器給照明燈供電。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器控制著蓄電池的供電，到設(shè)定的時間后切斷，保證蓄電池的正常使用。整個系統(tǒng)還具有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設(shè)備的過負載運行及免遭雷擊，保證系統(tǒng)設(shè)備的安全。
在太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能控制器是整個路燈系統(tǒng)中的核心部件，它控制著整個系統(tǒng)使其合理穩(wěn)定地運行，它的性能在一定程度上決定了整個路燈系統(tǒng)的性能好壞?？刂破鞯闹饕δ軐π铍姵氐某浞烹娺M行控制，防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方，控制器還應具備溫度補償功能。
2 太陽能路燈控制器整體設(shè)計方案
太陽能路燈控制器采用一鍵式輕觸開關(guān)，來完成所有操作及設(shè)置。要求控制器具有短路、過載、獨特的防反接保護，充滿、過放自動關(guān)斷、恢復等全功能保護措施，詳細的充電指示、蓄電池狀態(tài)、負載及各種故障指示。控制器需要通過單片機對蓄電池的電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù)進行采樣，采用高效PWM蓄電池的充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，從而延長蓄電池的使用壽命。
太陽能路燈控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該控制器以單片機作為核心，外接晶振電路、太陽能電池電壓采集電路、蓄電池電壓采集電路、充放電控制電路、過壓過流保護電路、溫度檢測電路、數(shù)碼管顯示電路、功能指示電路等組成。
太陽能電池電壓采樣模塊完成太陽電池電壓的采樣；蓄電池電壓采樣模塊完成蓄電池電壓的采樣；輸出驅(qū)動模塊提供POWER MOSFET的驅(qū)動電壓以及保護技術(shù)；數(shù)碼管顯示模塊完成數(shù)碼管顯示功能，確定系統(tǒng)輸出的狀態(tài)；晶振電路模塊提供單片機的時鐘頻率；溫度檢測模塊主要由電阻傳感器來實現(xiàn)；功能指示電路用發(fā)光二極管指示當前的功能。
3 控制器硬件電路設(shè)計
3．1 單片機控制模塊
Atmega48是基于AVR RISC、高性能、低功耗的8位AVR微處理器，片內(nèi)含256B的可反復擦寫的只讀程序內(nèi)存(PEROM)，512B的靜態(tài)存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，但由于其采用了小引腳封裝，所以其價格僅與低檔單片機相當。而工作電壓可以低至1．8 V，極低功耗，在正常模式、1 MHz、1．8 V的條件下電流僅為300 μA，而且內(nèi)置10位ADC，其參考電壓1．1 V。單片機控制電路如圖3所示。
根據(jù)圖3所示，PD6接J6鍵，該鍵用于設(shè)置狀態(tài)的識別及參數(shù)設(shè)置，當PD6=1時，若按鍵按下則單片機進行參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)程序流程，分別實現(xiàn)不同功能。若PD6=0或PD6=1且無按鍵按下時則不進行參設(shè)設(shè)置和功能調(diào)節(jié)。
按鍵的功能：按下開關(guān)設(shè)置按鈕持續(xù)5s，模式(MODE)顯示數(shù)字LED閃爍，松開按鈕，每按一次轉(zhuǎn)換一個數(shù)字，等到LED數(shù)字不閃爍即完成設(shè)置。每按一次按鈕，LED數(shù)字點亮，可觀察到設(shè)置的值。根據(jù)設(shè)定值，控制器的工作模式見表1，具體如下：
純光控模式(0)：當沒有陽光時，光強降到啟動點，控制器延時10 min確認啟動信號后，開通負載，負載開始工作；當有陽光時，光強升到啟動點，控制器延時10 min確認關(guān)閉輸出信號后關(guān)閉輸出，負載停止工作。
光控+延時方式(1～5)：當負載工作到設(shè)定的時間就關(guān)閉負載，時間設(shè)定見下表。
通用控制器方式(6)：此方式僅取消光控、時控功能、輸出延時以及相關(guān)的功能，保留其他所有功能，作為一般的通用控制器使用(即通過按鍵控制負載的輸出或關(guān)閉)。
調(diào)試方式(7)：用于系統(tǒng)調(diào)試使用，與純光控模式相同，只取消了判斷光信號控制輸出的10 min延時，保留其它所有功能。無光信號即接通負載，有光信號即關(guān)斷負載，方便安裝調(diào)試時檢查系統(tǒng)安裝的正確性。
輸出模式說明：當停止LED顯示時，所設(shè)置的模式自動存入MCU的內(nèi)部E方ROM，斷電也不會丟失。
3．2 太陽能電池板的電壓檢測電路
太陽能電池電壓采集用于太陽能電池工作電壓的識別，利用單片機的PWM功能，對太陽能電池板進行充電管理。太陽能電池板電壓采集，用于太陽光線強弱的判斷，因而可以作為白天、黃昏的識別信號，同時支持太陽能板反接、反充保護。太陽能電池板的正極(P+)經(jīng)過R6、R8的分壓后，把電壓送到單片機的PCI的端口，由Atmega48單片機的A／D轉(zhuǎn)換模塊的將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，如圖4所示。
在圖中，D4起到保護作用，保證UPCI的電壓不低于0．7 V。電容C8是用來防止干擾信息。
3．3 蓄電池的電壓采集電路
蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別，利用單片機的PWM功能，對蓄電池進行開路保護和過充保護。蓄電池的正極(B+)經(jīng)過R36、R7、R9的分壓后，把電壓送到單片機的ADC7的端口，如圖5所示。在圖中，D5起到保護作用，保證UADC7的電壓不低于0．7 V。電容C17是用來防止干擾信息。
3．4 充放電控制電路
充放電控制電路如圖6所示。蓄電池電壓在正常情況下，由單片機控制的充電驅(qū)動MOS管Q1為高電平，處于截止狀態(tài)，三極管Q3導通，這時PWM占空比為零，太陽能電池板向蓄電池恒流充電；當蓄電池電壓達到13．6 V時，Q1為高電平時，Q3導通，Q1截止，通過控制占空比，使Q1實現(xiàn)通斷控制，此時處于恒壓浮充狀態(tài)；當電流下降到某一設(shè)定的值時，進行恒流充電；但蓄電池電壓達到設(shè)定的過充點14．4 V時，再進行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機控制的充電驅(qū)動Q1進行短路保護；當蓄電池電壓下降到某設(shè)定值時，Q3重新導通，Q1截止，恢復為正常充電狀態(tài)。當蓄電池電壓低于設(shè)定的過放點時，放電驅(qū)動管Q2為高電平，Q4導通，Q2截止，此時負載無輸出；當蓄電池電壓達到12．6 V時，單片機控制的放電驅(qū)動T2為低電平，Q4截止，MOS管Q2導通，此時恢復對負載供電。
3．5 輸出電流采樣及溫度檢測電路
輸出電流采樣電路采用一個小電阻來檢測電流，通過運算放大器放大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸入單片機中，就可以計算出電流I的大小。
蓄電池的容量是隨溫度的變化而變化的，溫度降低，蓄電池的容量就減??；溫度升高，蓄電池的容量將增大。如果充電電流維持不變，相應的充電倍率將不變，不同的充電倍率對應著不同的過充點，因此要采用溫度補償對蓄電池進行保護。單片機通過采樣溫度參數(shù)，實時檢測當前溫度，進行溫度補償。本設(shè)計中溫度的檢測采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻進行，負溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度的增長，電阻值變小。
4 控制器軟件設(shè)計
控制器軟件采用模塊化設(shè)計，其主程序流程圖如圖7所示。太陽能路燈控制器接電源后，首先進行系統(tǒng)初始化，根據(jù)太陽能電池板的電壓來判斷白天還是黑夜，并執(zhí)行相應的操作；接著對太陽能電池的電壓和蓄電池的電壓進行各種條件的判斷并執(zhí)行相應的操作；當各種條件判斷完畢后，程序回到初始判斷，進而開始新一輪的程序運行。
5 結(jié)束語
文中設(shè)計的太陽能路燈控制器已研發(fā)成功，測試證明：該控制器具有良好的啟動性能，蓄電池的充電過程能夠達到預期的要求，當蓄電池電壓過低時，能夠自動啟動開關(guān)管，斷開放電回路實現(xiàn)了蓄電池的過放保護，而且可以針對不同的蓄電池設(shè)定參數(shù)，進行溫度補償。由于采用Atmega48單片機作為主控芯片，功耗小、電路設(shè)計簡單、故障率低，具有較高的性價比，而且調(diào)試方便，適宜批量生產(chǎn)。
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