一種基于STC單片機(jī)的太陽能光伏控制器的設(shè)計探討

丁南菊 李泓 陳首清

（1.無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028;2.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214153）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，引發(fā)了人們對資源枯竭、環(huán)境污染等一系列問題的擔(dān)憂，節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為人們的共識。太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗哂腥≈槐M、用之不竭、可再生、使用中零碳排放的特點。中小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能電池組件、蓄電池、光伏控制器、負(fù)載及電力電子變換電路組成。其中光伏控制器是系統(tǒng)自動運行的核心，其性能直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、工作效率和使用壽命，特別是影響蓄電池組的使用壽命，蓄電池的過充電或過放電都將縮短蓄電池的使用壽命，給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失，因此本文將對影響蓄電池使用壽命的關(guān)鍵部件——太陽能光伏控制器的設(shè)計進(jìn)行重點討論和分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

光伏系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、蓄電池、控制電路和負(fù)載構(gòu)成。如圖1所示。

太陽能光伏控制器應(yīng)具有的主要功能如下：

（1）防止蓄電池過充：當(dāng)蓄電池電壓上升到蓄電池充滿電壓時，進(jìn)行充滿控制，自動切換為浮充充電模式，否則蓄電池將過充電，從而影響蓄電池壽命。

（2）防止蓄電池過放：當(dāng)蓄電池電壓下降到過放電電壓時，進(jìn)行過放電控制，自動將負(fù)載切離，否則蓄電池將過放電，從而影響蓄電池壽命。

（3）蓄電池短路或反接保護(hù)：當(dāng)蓄電池短路或反接時，控制器熔斷器能快速熔斷，不造成器件損壞。

（4）防反充:當(dāng)太陽能電池方陣不向蓄電池充電時，阻斷蓄電池電流倒流向太陽能電池方陣。

（5）負(fù)載短路過載保護(hù)：當(dāng)控制器向負(fù)載輸出電流大于設(shè)定值時，控制器能切斷負(fù)載。防止過載造成損壞。

（6）溫度補(bǔ)償：在不同的工作環(huán)境溫度下，對蓄電池設(shè)置與工作溫度對應(yīng)的合理的充放電終止電壓。

本設(shè)計充電方式采用PWM脈寬調(diào)制型三階段充電，可以隨著蓄電池的充滿，電流逐漸減小，符合蓄電池對于充電過程的要求，能夠有效地消除極化，有利于完全恢復(fù)蓄電池的電量。

2 太陽能控制器硬件電路的設(shè)計

2.1 主電路

本設(shè)計使用的太陽能電池板工作電壓為18V，功率60W，采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，額定電壓12V，容量20AH。太陽能電池是一種直流源，本設(shè)計采用DC/DC變換電路，使太陽能電池輸出的直流電變換成蓄電池充電所需的按特定規(guī)律變換的直流電。類型為BUCK變換電路。如圖1所示。DC/DC變換電路由二極管D1、電感L1、電容C1組成。

2.2 控制單片機(jī)

在本設(shè)計中，控制單片機(jī)采用宏晶科技生產(chǎn)的STCl2C5A60S2單時鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，該單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點，指令代碼完全兼容8051，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，具有2路8位PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換（25萬次/秒），工作電壓3.5V-5.5V,工作頻率范圍0-35MHz,60 KB系統(tǒng)編程的Flash內(nèi)存，1280字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口，硬件實現(xiàn)的ISP/IPA在線系統(tǒng)可編程/在線應(yīng)用可編程，可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序。

2.3 MOSFET驅(qū)動電路

在太陽能電池對蓄電池充電電路中及蓄電池對負(fù)載放電電路中采用功率場效應(yīng)晶體管作為開關(guān)管來控制接通與斷開。本設(shè)計電路功率較小，所以兩個開關(guān)管采用N溝道MOSFET管，考慮電路電壓及電流情況，選擇AO3404型號。連接太陽能電池與蓄電池的MOSFET的驅(qū)動電路采用高速MOSFET 驅(qū)動器MCP1402，可提供500 mA的峰值電流。這些器件還具有低直通電流、匹配的上升/ 下降時間和傳輸時延特性，使得它們成為高開關(guān)頻率應(yīng)用的理想選擇。可由4.5V 至18V的單電源供電。如圖2所示。MCP1402輸入口接單片機(jī)P1.3PWM信號輸出口，輸出通過限流電阻Rg接MOSFET柵極。連接蓄電池與負(fù)載的MOSFET采用三極管驅(qū)動。

2.4 電壓、電流檢測電路

檢測電路包括對光伏電池電壓、蓄電池端電壓、蓄電池充電電流、負(fù)載電流的檢測。對光伏電池電壓、蓄電池電壓采用電阻分壓式采樣電路，然后接到單片機(jī)的A/D端。對電流檢測采用電流傳感器ACS712來測量，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。具有低噪聲，響應(yīng)時間快，使用方便、性價比高、絕緣電壓高等特點，主要應(yīng)用于電動機(jī)控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護(hù)等,采用單電源5V供電。系統(tǒng)選用ACS712ELCTR一05B—T進(jìn)行電流檢測，電流檢測范圍為±5A。典型應(yīng)用電路如圖3所示。ACS712串聯(lián)在電路中，12管腳流入電流，34管腳流出電流。ACS712的電壓輸出VOUT和被檢測的電流IP間的關(guān)系為：VOUT=(2/30)IP+2.5（V）。 電 壓 輸 出 端VOUT接單片機(jī)A/D輸入端。如圖3所示。

2.5 溫度檢測電路

相關(guān)研究表明：當(dāng)蓄電池溫度低于25℃時，蓄電池的充滿電壓應(yīng)適當(dāng)提高，相反，高于該溫度時蓄電池的充滿電壓應(yīng)適當(dāng)降低，否則會損壞蓄電池。故需對蓄電池的溫度進(jìn)行監(jiān)測。本文采用的溫度傳感器為DSl8B20，它將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號線，CPU只需一根端口線就能與DSl8B20通信，能直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以數(shù)碼信號與單片器傳輸，簡化了傳感器與單片機(jī)的接口電路，電源電壓范圍為3.0V-5.5V。溫度測量范圍為-55℃～125℃。測溫分辨率可達(dá)0.0625℃。

3 太陽能光伏控制器軟件的設(shè)計

3.1 蓄電池充電狀態(tài)分析

為提高太陽能電池的利用率和蓄電池充電效率，延長蓄電池使用壽命，采用三階段式充電方式。

階段一：蓄電池處于快速充電階段，選用的蓄電池可充電速率與太陽電池輸出電流相匹配，開關(guān)管完全導(dǎo)通，充電電流就等于電池板的輸出電流，此時便處于快速充電狀態(tài)。隨著充電過程的進(jìn)行，蓄電池電動勢不斷升高，使蓄電池端電壓不斷升高，從而達(dá)到快充停止電壓，進(jìn)入充電階段二。

階段二：蓄電池處于恒壓充電階段，給蓄電池一個恒定電壓充電，由對蓄電池端電壓的采樣，反饋到單片機(jī)，單片機(jī)輸出PWM信號控制BUCK變換電路的占空比使蓄電池的充電端電壓保持恒定。隨著充電過程的進(jìn)行，BUCK變換電路占空比變小，充電電流變小，當(dāng)充電電流低于Ioct時，進(jìn)入充電階段三。

階段三：蓄電池處于浮充階段，充電電壓為一個基于溫度補(bǔ)償后的浮充電壓，對蓄電池做浮充恒壓充電，以補(bǔ)償蓄電池自放電電流。

表1 充電參數(shù)（25℃）

對于蓄電池過放、電路過載的保護(hù)，只要檢測負(fù)載電流及蓄電池電壓，通過程序進(jìn)行比較，便能進(jìn)行控制，及時切斷負(fù)載。對于12V密封鉛酸蓄電池，充放電階段各個參考值設(shè)置如表1。其中快充停止電壓、恒壓充電電壓及浮充電壓均需溫度補(bǔ)償。通常蓄電池的溫度補(bǔ)償系數(shù)為-（3-5）mV/℃。

3.2 程序流程圖

控制器的主要工作流程如圖4、5所示。當(dāng)系統(tǒng)開始運行后，單片機(jī)先進(jìn)行參數(shù)初始化，如表1。然后單片機(jī)進(jìn)入主循環(huán)程序。讀取蓄電池端電壓、太陽能電池電壓、蓄電池環(huán)境溫度，當(dāng)太陽能電池板電壓大于蓄電池端電壓時，進(jìn)入充電模式，選擇合適的充電方式進(jìn)行充電，選擇充電方式子程序如圖5所示。接著執(zhí)行負(fù)載控制程序，對過載和過放電情況進(jìn)行判斷，如出現(xiàn)過載及過放電時及時切斷負(fù)載。接著再回到蓄電池端電壓、太陽能電池電壓、蓄電池環(huán)境溫度讀取，如此循環(huán)往復(fù)。主程序采用C語言來編程。

圖4 主程序流程圖

圖5 選擇充電方式子程序流程圖

結(jié)語

本文提出了一種基于STC單片機(jī)的太陽能光伏控制器的設(shè)計方法，通過實驗測試，光伏系統(tǒng)各部分電路工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，控制精準(zhǔn)，蓄電池具有良好的三階段充電曲線。適用于在小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

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