太陽能電源低壓鈉燈智能控制器的設(shè)計

摘要：設(shè)計一種采用低功耗單片機(jī)P87LPC767作為控制回路核心，低壓鈉燈為負(fù)載的太陽能電源智能控制器。系統(tǒng)在P87LPC767單片機(jī)的控制下，能將太陽能電池方陣轉(zhuǎn)換的直流電進(jìn)行有效存儲和合理使用，具有環(huán)保節(jié)能的雙重效果。實現(xiàn)了充放電過程的自動控制功能，防短路、防過栽、防反接、充滿和過放自動關(guān)斷、恢復(fù)等保護(hù)功能，以及具有充電指示、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載及各種故障指示等功能。最后結(jié)合實驗證明了該智能控制器系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：P87LPC767；低壓鈉燈；太陽能；控制器

    近年來再生能源技術(shù)廣受重視，而太陽能發(fā)電由于有先進(jìn)的電力電子技術(shù)輔助，已成為極具潛力的再生能源之一。低壓鈉燈(LPS)作為光效最高和光衰較小的光源，是道路照明光源的最佳選擇，與太陽能光伏系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，節(jié)能效果更顯著。當(dāng)前市場上已有各種各樣的針對不同類型負(fù)載的太陽能電源智能控制器產(chǎn)品，但目前采用高(低)壓鈉燈為負(fù)載而設(shè)計的控制器很少，本文為了區(qū)別于其他太陽能電源控制器，采用低壓鈉燈作為負(fù)載。太陽能強(qiáng)度受各種因素(季節(jié)、地點、氣候等)的影響而不能維持常量，導(dǎo)致太陽能綜合利用系統(tǒng)受日照、溫度、使用負(fù)載變化等條件影響比較大，使系統(tǒng)非線性較強(qiáng)，加大系統(tǒng)的控制難度。為了實現(xiàn)電源和負(fù)載之間穩(wěn)定、高效工作，提高供電質(zhì)量，同時對系統(tǒng)中蓄電池循環(huán)充放電和充放電深度加以合理控制，而且延長蓄電池使用壽命，需要借助于設(shè)計一種高效、可靠的、智能的太陽能電
源充放電控制器來完成這些工作，使充電及開／關(guān)過程采用光控自動控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省電費，免維護(hù)。因此，開展低壓鈉燈的太陽能電源智能控制器的研究具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    獨立型太陽能光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、控制器和負(fù)載組成。其組成框圖如圖l所示。

    分析太陽能綜合利用系統(tǒng)的構(gòu)成可知，負(fù)載以太陽光為能源，白天太陽能電池組件／方陣采集電能，鉛酸蓄電池儲存電能，通過控制器的合理控制，晚上為負(fù)載提供電能，使用時間和工作模式可以靈活設(shè)置。開發(fā)了一套小型光伏系統(tǒng)的低壓鈉燈太陽能電源控制器，其中，蓄電池為24 V，負(fù)載是36 W的低壓鈉燈，單路負(fù)載輸出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    該智能控制器裝置硬件部分具有3個接口：一個用于同太陽能電池方陣接口，一個用于同蓄電池接口和一個用于同低壓鈉燈負(fù)載接口。控制器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖2所示。虛框內(nèi)為控制器部分。

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2．1 P87LPC767單片機(jī)
    系統(tǒng)控制選用PHILIPS半導(dǎo)體公司的P87LPC767單片機(jī)實現(xiàn)，其工作在100 kHz～4 MHz、電源電壓為3．3 V時，其功耗僅為0．044～1．7 mA，適合蓄電池供電系統(tǒng)；它提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可由編程選擇，且有較寬的操作電壓范圍；可編程I／O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動輸出；內(nèi)含看門狗定時器和I2C總線；其內(nèi)部的2個模擬比較器可組成8位A／D轉(zhuǎn)換器；同時具有上電
復(fù)位檢測和欠壓復(fù)位檢測功能；保證I／O口驅(qū)動電流達(dá)到20 mA。P87LPC767采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C5l CPU的2倍。
    本系統(tǒng)以P87LPC767單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路、模式選擇電路以及可使系統(tǒng)加入附加功能的E2PROM芯片等部分組成。P87LPC767及其外圍電路如圖3所示。表1是結(jié)合硬件電路設(shè)計單片機(jī)P87LPC767各引腳功能描述。

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2．2 蓄電池充放電電路
    基于光伏發(fā)電的特殊性，需設(shè)計性能良好的充放電控制電路。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對其充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電和深度放電。該充放電電路相當(dāng)于一個電壓采集與電池管理模塊。
    當(dāng)白天有陽光時，單片機(jī)分別檢測太陽能電池方陣和蓄電池的電壓值，控制蓄電池充電電路導(dǎo)通開關(guān)MOSFET管VQ9(圖3)的導(dǎo)通／關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)檢測到PV+電平高于BAT+電平時，開關(guān)器件VQ9導(dǎo)通，太陽能電池方陣向蓄電池用直充方式充電；當(dāng)蓄電池被充至過壓時，開關(guān)器件Q9關(guān)斷，太陽能電池方陣向蓄電池用小電流充電(浮充)，這樣能起到“過充電保護(hù)”作用。
    當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時，繼電器導(dǎo)通，蓄電池放電，保證負(fù)載不停電。本系統(tǒng)設(shè)計的繼電器RELAYl為蓄電池放電開關(guān)，RELAYl導(dǎo)通／關(guān)斷的控制信號由單片機(jī)的I／O口輸出。本系統(tǒng)的負(fù)載為低壓鈉燈，用于道路照明，因此應(yīng)具備光控功能，即有太陽光時，RELAYl關(guān)斷；當(dāng)夜晚或陰天陽光不足時，RELAYl導(dǎo)通，蓄電池放電，路燈照明。從保護(hù)蓄電池的角度出發(fā)，當(dāng)需要向負(fù)載供電而蓄電池電壓卻小于“過放
電壓”，RELAYl也關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)”，避免電池放空，損壞蓄電池；當(dāng)太陽能電池方陣重新供電且只有當(dāng)蓄電池電壓重新升到浮充電壓，需要為負(fù)載供電時RELAYl才重新導(dǎo)通，接通負(fù)載回路。
2．3 低壓鈉燈的DC／AC低頻電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)電路
    電子鎮(zhèn)流器連接在電源和一只或若干只氣體放電燈之間，并將氣體放電燈的工作電流限制在規(guī)定值內(nèi)，用于對負(fù)載進(jìn)行輸出控制與檢測。低壓鈉燈屬于氣體放電燈，由于氣體放電燈具有負(fù)阻工作特性，所以要使其正常工作，應(yīng)配以鎮(zhèn)流器等控制裝置。這些相關(guān)的控制裝置應(yīng)完成以下控制功能：1)限制和穩(wěn)定氣體放電燈的工作電流；2)在蓄電池端電壓允許變化范圍內(nèi)應(yīng)能確保燈電壓、燈電流和燈功率穩(wěn)定，使燈正常工作。3)提供氣體放電燈所需的點火電壓。4)在氣體放電燈負(fù)載點火工作之前應(yīng)提供所需的燈電極預(yù)熱功能。
    目前對太陽能電源控制器、低壓鈉燈及其配套電子鎮(zhèn)流器已有很多研究，但在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于上述3種設(shè)備或產(chǎn)品都是獨立開發(fā)的，在工作中匹配性差。有的低壓鈉燈啟動不穩(wěn)定，有的甚至造成損壞，在很大程度上限制了低壓鈉燈的應(yīng)用。因此建議可把該低壓鈉燈的DC／AC低頻電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)電路模塊納入本控制器系統(tǒng)，設(shè)計成一個太陽能低壓鈉燈照明系統(tǒng)智能控制器、鎮(zhèn)流器一體機(jī)。
2．4 LED顯示電路
    此控制器采用了一個雙色LED發(fā)光二極管作為系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，該雙色LED發(fā)光二極管顯示非常直觀，取代了以往多個指示燈。單片機(jī)通過檢測引腳17(ADl，即BAT+電壓)的值與設(shè)定值相比較，控制引腳2(P1．7)和引腳3(P1．6)的輸出電平，決定系統(tǒng)狀態(tài)指示燈的顏色和狀態(tài)。狀態(tài)指示燈顯示的狀態(tài)如表2所示。

2．5 控制器工作模式選擇電路
    本控制器預(yù)設(shè)了8種工作模式供用戶選擇(見表3)，用戶只需撥動撥碼開關(guān)J1。單片機(jī)將自動檢測個人用戶選擇的控制器模式，根據(jù)程序流程，分別實現(xiàn)不同模式下的功能。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
   該設(shè)計方案的軟件程序包括：主程序、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)載管理子程序、LED顯示子程序等。圖4為本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖。以“調(diào)試模式”為例，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計程序流程如圖5所示。

4 實驗結(jié)果
    根據(jù)以上設(shè)計思路，試制一臺樣機(jī)，由2個12 V 7 AH閥控式密封鉛酸蓄電池、36 W低壓鈉燈和由直流電源模擬代替的80 Wp光伏陣列系統(tǒng)組成的實驗平臺對樣機(jī)的各項性能指標(biāo)進(jìn)行實驗研究。圖6是在穩(wěn)定階段的低壓鈉燈示波器的波形。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)論
    本系統(tǒng)經(jīng)過實驗和調(diào)試，實現(xiàn)了預(yù)期的功能，有效、合理地完成了系統(tǒng)狀態(tài)的管理和能量流的實時控制。采用微處理器實現(xiàn)太陽能控制器的充放電控制，其各項性能指標(biāo)明顯優(yōu)于常規(guī)控制器，并可針對不同蓄電池設(shè)定參數(shù)和進(jìn)行溫度補償，大大擴(kuò)展了其使用功能。