摘要：設計了一種實用的公園景觀路燈太陽能光伏控制器，以單片機為控制核心，實現(xiàn)了對路燈進行太陽能和普通市電自動雙路切換供電的功能。其中逆變器具備電路過流和過載保護功能，并可以根據(jù)負載變化選擇供電模式。
關鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；逆變器：單片機；蓄電池
0 前言
太陽能的利用在目前能源越來越緊張的情況下已經(jīng)是迫在眉睫的任務，而如何做到在成本控制的前提下實現(xiàn)太陽能的高效利用則是很多太陽能產(chǎn)品設計的宗旨。本項目是針對戶外和公園里普遍使用的路燈實現(xiàn)太陽能光伏控制，利用單片機控制電路實現(xiàn)對路燈太陽能供電和市電供電兩種方式，既能解決路燈的能耗問題，又實現(xiàn)了在光照不足的情況下由普通220V市電保障路燈的正常供電。
1 太陽能路燈光伏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1是本項目的結(jié)構(gòu)框圖，核心是單片機，主要組成部分是：太陽能電池控制電路、蓄電池充放電電路、逆變電路、單片機控制電路。
在本控制系統(tǒng)中，通過單片機對TL494脈寬調(diào)制(PWM)電路輸出的控制，改變PWM占空比從而實現(xiàn)對逆變電路輸出電壓的調(diào)節(jié)。當太陽能電池板正常工作時，蓄電池處于充電狀態(tài)，負載工作所需電壓由蓄電池輸出經(jīng)逆變后得到，若外界光照不足而蓄電池充電電壓低于設定低值時，控制器直接接通220V交流電供負載使用，確保在任何情況下都不會出現(xiàn)路燈不亮的情況。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
在本控制器中，硬件電路設計是關鍵，主要包括四個部分：太陽能電池板控制電路設計；蓄電池檢測電路設計；逆變電路設計和單片機控制電路設計。
2．1 太陽能電池板控制電路
太陽能電池板控制電路是實現(xiàn)對路燈太陽能供電的核心，當有光照時通過太陽能電池板實現(xiàn)對蓄電池的充電，在蓄電池可工作的情況下，路燈的照明由蓄電池提供。
2．2 蓄電池檢測電路設計
蓄電池在太陽能電池板工作的情況下由電池板提供充電，當路燈需要點亮時，蓄電池的直流電經(jīng)過逆變器逆變后變?yōu)樨撦d所需的等量交流電供負載使用。每組蓄電池的供電電壓為12V，根據(jù)路燈功率的大小可有多組蓄電池組成，蓄電池之間采用串聯(lián)的方式。充電控制電路具備電池電壓檢測功能，當蓄電池組電池電壓低于預定值時，由太陽能電池板開始對蓄電池充電，當充電飽和后實現(xiàn)恒壓恒流維持蓄電池的動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。當負載需要供電時，蓄電池形成的直流電經(jīng)過逆變電路逆變后變?yōu)榻涣麟姽┴撦d使用。
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2．3 逆變電路設計
逆變電路是把直流電再逆變成各種頻率的交流電，具有高效清潔的特點。在本項目中逆變電路主要是把蓄電池傳送過來的直流電逆變成負載所需的交流電，采用的是半橋逆變方式，所使用的逆變電路開關器件為IRF3205 MOSFET場效應管，對逆變電路的控制方式是PWM技術(shù)，PWM調(diào)制波由TL494專用正弦波脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生。
2．4 單片機控制電路設計
單片機是整個控制器的核心，主要用于對太陽能電池板控制電路的管理，對蓄電池充放電路的控制，產(chǎn)生逆變器件所需的PWM調(diào)制波，同時還承擔了對蓄電池的狀態(tài)檢測，以及對電路中出現(xiàn)的過流、過載實現(xiàn)保護，另外還具備聲光報警功能，圖5是單片機控制電路部分原理圖。本控制器中所使用的單片機為三星公司生產(chǎn)的S3C9454系列單片機，該型單片機具有體積小，價格便宜且功能全面的特點，比較適合大規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)使用。
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2．5 保護電路
保護電路是在控制器出現(xiàn)負載短路或者過流時對電路進行強制性限流的作用，在本控制器中當蓄電池電壓低于10．5V或者輸出電流大于10A時電路進入自保護狀態(tài)。圖6是保護電路的部分原理圖。
在保護電路中需要對蓄電池電壓和輸出端電流進行采樣比較，通過基準值的設定到電壓低于設定要求時就自動切換負載供電方式，由蓄電池供電改為外部市電供電，從而起到保護蓄電池的作用，另外，一旦負載出現(xiàn)短路過流現(xiàn)象，電路即進入保護模式，切斷外部供電以免過流造成電路器件損壞。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的軟件采用C語言設計，C語言具有應用廣泛、數(shù)據(jù)處理能力強的特點。在軟件控制上主要是實現(xiàn)以下幾個功能：
(1)對PWM輸出的控制。利用單片機實現(xiàn)對TLA94芯片輸出的PWM調(diào)制信號的控制，當負載變化或者出現(xiàn)保護狀態(tài)時，單片機發(fā)出信號(220V OFF)關斷TL494輸出，切斷逆變電路輸入，保證逆變輸出電壓為零，由此要求在軟件設計上應確保單片機一直采樣輸出端信號狀態(tài)。
(2)對蓄電池電壓的檢測控制。蓄電池電壓正常工作值為12±1V，當電池電壓低于11V時就要求電路立即停止蓄電池對負載輸出供電，否則將影響電池使用壽命，在系統(tǒng)中有專門的電池檢測電路，而單片機則一直對電池電壓檢測值進行采樣，即電路中的Batter_Adin信號。一旦發(fā)現(xiàn)電壓偏低時由單片機輸出控制信號(RY1)及時切換繼電器1使得負載燈泡供電由電池轉(zhuǎn)為市電。
(3)顯示及鍵盤輸入功能。在本系統(tǒng)中顯示功能分為兩個部分：一個是數(shù)碼管顯示，主要是用來顯示系統(tǒng)工作時間：另一個是LED顯示，LED的狀態(tài)變化代表了電路的工作狀態(tài)，其中綠燈代表正常運行，紅燈代表故障。系統(tǒng)的顯示功能主要由單片機軟件實現(xiàn)。另外，在電路中考慮到需要對電路進行模式設定，因此增加了鍵盤輸入電路，在本控制器中有三個撥碼開關，用來實現(xiàn)對路燈的三路遙控輸出。圖7是本控制器的主程序流程圖。
4 系統(tǒng)測試
系統(tǒng)測試主要是在負載連續(xù)工作的情況下對蓄電池電壓和電路過流保護狀態(tài)的檢查，在本控制器連接好太陽能電池板后，通過光電阻實現(xiàn)路燈開啟關閉的自動切換，當光照度低于設定點時路燈將自行開啟，如果光照度高于設定點時路燈也會自動關閉?？紤]到一些突發(fā)情況在系統(tǒng)中設置了手動操作模式，如果出現(xiàn)短暫雷雨天氣當光照度下降時通過人工操作防止路燈自動開啟。
4．1 蓄電池放電保護測試
蓄電池在對負載進行供電時，其電池電壓將隨著放電時間不斷下降，當電池電壓為10．5V時，控制器將切斷蓄電池對負載的供電，而改為外部市電220V供電，當白天有光照時通過太陽能電池板對蓄電池進行充電，電壓回到12．5V時，控制器將自動切斷市電供電重新改為蓄電池供電模式。
4．2 蓄電池過充保護測試
當太陽能電池板一直對蓄電池進行充電時，如果電池電壓充電達到14．3V時，控制器關閉充電電路，而當電壓下降到13．6V時，再次打開充電電路。
4．3 負載短路保護測試
當負載功率為大于50W時，控制器關閉負載，并且在延時10s后，能夠再次自動打開負載，而對于30W的負載能夠正常工作(本控制器設計的負載額定功率為35W)。
5 結(jié)論
本控制器最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)了雙路供電的功能，避免了蓄電池電壓不足時路燈無法正常工作的情況，通過單片機的優(yōu)化控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
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