具有自動跟蹤功能的太陽能充放電控制系統

劉玉敏 高松巖 于 鏑 錢 坤

(東北石油大學電氣信息工程學院)

具有自動跟蹤功能的太陽能充放電控制系統

劉玉敏 高松巖 于 鏑 錢 坤

(東北石油大學電氣信息工程學院)

以STC89C52單片機為核心，設計了一個太陽能充放電控制系統。該系統能夠自動跟蹤太陽光，同時采用 PWM的方式控制電池的充放電模式。分析了系統的控制策略，給出了系統主要部分的硬件設計圖，闡述了系統軟件設計思路。通過系統軟、硬件聯機調試，實現了太陽能電池板自動跟蹤太陽光，蓄電池狀態的實時監測，太陽能電池板狀態的實時監測及蓄電池充放電節奏的優化控制等功能，達到了增強太陽能電池板吸收效率和保護蓄電池的目的。

自動跟蹤 充放電控制器 太陽能 PWM脈寬調制

太陽能光伏發電是目前世界各國爭先發展的綠色能源技術之一。太陽能裝置環保、節能、無污染，在國民經濟的各個領域都有廣泛的應用。在進行太陽能光伏發電時，由于太陽光線照射的不均勻性導致電壓輸出不穩定，而不穩定的電壓不能直接應用于負載，這時必須應用蓄電池。因此如何提高太陽能板的吸光效率、延長蓄電池的使用壽命就成了一個主要研究課題。太陽光在一天中的強度是不同的，而傳統的太陽能充電系統，太陽能板位置固定不動，更導致了吸收的不均勻，使電壓不穩定。同時傳統的充放電系統中，經常會出現對蓄電池的“過充電”和“過放電”現象，導致對蓄電池的保護不夠充分，減少了蓄電池的使用壽命。筆者研究了一種基于單片機的能夠自動跟蹤太陽光的充放電控制系統。該系統以STC89C52單片機作為核心構成硬件電路，實現太陽能電池板自動跟蹤太陽光，蓄電池和太陽能板電壓的實時采集和顯示，蓄電池過充、過放保護和短路保護等功能，從而達到提高設備效率和延長使用壽命的目的[1]。

1 方案分析

目前，大部分太陽能吸光板位置都是固定的，導致太陽光的吸收效率不高。本系統的吸光板可以自動跟蹤太陽光，使太陽光始終垂直照射在吸光板上，最大限度地吸收太陽光。系統采用單軸跟蹤的方式，以光敏電阻代替傳感器，在一定時間內電機轉動一角度后，采集此時的光強，將轉動一周后采集的數據通過比較來尋找光強最大的位置。這種跟蹤方式思路清晰、操作簡單，非常適合小型的太陽能裝置。

吸光板吸收到足夠的太陽光，最終要將光能轉化成電能并存儲到蓄電池中。以合理有效的形式對蓄電池充電能適當延長電池的使用壽命。本系統采用脈寬調制策略(PWM)解決上述問題。PWM方法就是利用MPU的數字輸出控制模擬電路。該方法在固定時鐘頻率下，控制開關的通斷時間來調整信號的占空比，實現對輸出電壓的控制[2]。它讓電池保持“間歇式”的充電方式。在充電的間歇期，蓄電池將化學反應產生的氣體重新化合，來減輕蓄電池內部的壓力，保證下一次充電的效率。本系統在線檢測蓄電池電壓，采用PWM的控制模式，控制蓄電池的充放電頻率，使它達到最優狀態，達到保護蓄電池的目的。系統通過編程輸出PWM控制信號來控制光電耦合器的“通”和“斷”，從而控制MOS管的“開”和“關”，實現蓄電池充放電的優化操作。

2 方案設計

本系統采用的單片機為STC89C52芯片。系統通過光強檢測電路來尋找光強最強點，以步進電機驅動吸光板達到最佳位置，以分壓采集電路采集蓄電池和太陽能電池板的電壓，同時在1602液晶芯片上進行實時顯示，電壓數據經過A/D轉換輸入到單片機中進行處理，單片機輸出PWM控制信號，信號經過MOS管后，控制充放電電路。太陽能充放電控制系統構架如圖1所示。

圖1 太陽能充放電控制系統構架

3 系統硬件電路設計

系統硬件電路主要由光強度檢測電路、步進電機跟蹤控制電路、充放電控制電路、光耦驅動電路、E2PROM數據存儲電路、電壓采集(顯示)電路及A/D轉換電路等組成。

3.1光強檢測電路

光強檢測電路要檢測太陽光最強的位置，為步進電機轉動提供依據。根據光敏電阻在光照時阻值會發生變化的特性，系統在太陽能板的東西兩側分別放置一個同樣的光敏電阻，當太陽光垂直照射太陽能板時，兩個光敏電阻接收到同樣的光照強度，阻值相等。此時為太陽能板最佳吸光角度，不需要調整它的方向；當太陽光沒有垂直照射太陽能板時，兩個光敏電阻處于不同的光照強度下，其中光照強的光敏電阻阻值減小，導致輸出電壓變大。單片機通過對輸出電壓值的對比，實現對光敏電阻的補償。具體的光強檢測電路如圖2所示。

3.2步進電機跟蹤控制電路

太陽跟蹤裝置是通過對機械執行機構角度的控制來實現對太陽運行軌跡的跟蹤的。步進電機能夠將電脈沖信號轉變為角位移或者線位移。在正常負載的環境下，電機接收到一個脈沖信號，從而轉過一個相應的步距角。脈沖信號的頻率和數量控制電機的轉速和位置，與負載的大小無關。本系統采用ULN2003芯片控制電機的驅動，ULN2003芯片的1～4管腳分別與單片機的P3.0～P3.3管腳連接，ULN2003芯片的13～16管腳分別接入J9的排針，電機也插在J9的排針上(圖3)。

圖2 光強檢測電路

圖3 步進電機跟蹤控制電路

3.3充放電控制電路

充放電控制電路如圖4所示。太陽光照具有不均勻性，陰天或晚上光線沒有白天強或沒有光線，此時太陽能電池板沒有吸收太陽能量或吸收的較少，電壓就會低于蓄電池的電壓。為了防止蓄電池電流反向流入太陽能電池板，這時D4生效，起到防止反充，保護太陽能電池板不被燒壞的目的。D5為穩壓管，用來保證蓄電池提供給負載的電壓為12V。D6為續流二極管，當用戶將蓄電池反接至控制器時，續流二極管D6和蓄電池構成一個閉合電路，這樣就可將部分能量釋放掉，從而保護控制器不被毀壞。AD1和AD2分別為太陽能電池板和蓄電池的電壓采集點。適當選擇R7、R8、R9和R10的阻值，根據串聯分壓原理縮小太陽能電池板的電壓，從而實現用模數轉化芯片對模擬信號進行采樣。電容C4、C5起到抑制電壓波動的作用，保證太陽能電池板在給蓄電池充電時電壓能夠處于一個穩定狀態。Q2和Q3分別用來控制充電電路和放電電路的導通和關閉。當檢測到蓄電池的電壓小于12.0V時，Q2完全導通，此時蓄電池為均充狀態；當蓄電池的電壓在12.0～14.5V之間時，Q2導通與不導通的占空比例縮小，此時蓄電池為浮充狀態；當蓄電池的電壓比15.0V大時，Q2截止，此時蓄電池為停止充電狀態，同時Q3關閉，負載也被截止了；當蓄電池的電壓低于10.8V時，Q3關閉，蓄電池處于停止放電狀態，同時截斷負載。

圖4 充放電控制電路

3.4光耦驅動電路

光耦驅動電路能夠在單片機控制和充放電電路之間起到隔離作用，從而增強系統的可靠性。光耦驅動電路如圖5所示，MOS管Q2起到控制充電電路“開”和“關”的作用。光耦內部有一個發光二極管，當PWM的輸出為低電平時，二極管和右側三極管都不導通，且三極管兩管腳間的電阻相當大，等同于開關“斷開”。穩壓管D7使電阻R13右側電壓保持在10V左右。此時MOSEFT的電壓大于零，MOS管Q2啟動使充電電路開啟；當PWM的輸出為高電平時，發光二極管和右側三極管導通，且三極管兩管腳間的電阻減小，等同于開關“接通”。這時輸入的電壓經光耦流向接地端，MOSEFT的電壓小于零，Q2截止且充電電路關閉。

圖5 光耦驅動電路

3.5E2PROM數據存儲電路

本系統采用AT24C02芯片記錄并存儲電路異常時蓄電池的電壓。普通存儲器在硬件上需要增加掉電檢測電路，并需要備用電池提電。這會使單片機接口占用過多，導致電路復雜，同時電池的不可靠性也給電路帶來了潛在的風險。AT24C02芯片是一個具有I2C總線接口內含256字節的串行存儲器。該存儲器可將數據保存百年之久，并可反復擦寫十萬次以上。I2C串行總線有兩根信號線：SDA(雙向數據線)和SCL(串行時鐘線)。與總線相連的所有設備的SDA都與總線的SDA相連；與總線相連的所有設備的SCL都與總線的SCL相連。E2PROM數據存儲電路如圖6所示。

圖6 E2PROM數據存儲電路

3.6電壓采集電路

電壓采集電路如圖7所示。將兩個阻值比為3∶1的電阻串聯之后并聯到蓄電池或太陽能電池板的兩端。AD2為電壓采集點，它位于兩個電阻的中間。由分壓公式可計算出采集到的電壓值等于實際電壓的三分之一。當蓄電池充滿時，采集到的電壓值為5V左右，符合A/D轉換芯片PCF8591對數值的輸入要求[3]。

圖7 電壓采集電路

3.7電壓顯示電路

本設計用液晶1602芯片來實時顯示蓄電池和太陽能電池板的電壓值。電壓顯示電路如圖8所示。圖中引腳WR為讀/寫信號，它與單片機P2.6引腳連接實現讀寫控制；引腳RS為寄存器選擇信號，它與單片機P2.5引腳連接實現數據和命令選擇；引腳E為使能端與單片機P2.7引腳連接實現片選；液晶VO端通過連接電位器接地來調節顯示對比度，以防5V電壓過大燒壞背景燈；數據輸入端DB0～DB7接單片機的P0口來傳送電壓數據。

圖8 電壓顯示電路

3.8A/D轉換電路

PCF8591構成的典型A/D轉換電路如圖9所示，圖中引腳A1、A2和VSS一起接地；基準電源端VREF和VDD一起接電源；模擬信號AGND和內部、外部時鐘選擇線EXT一起接地；SDA、SCL為I2C總線的數據線、時鐘線，分別接單片機的P3.7、P3.6口；AIN0和AIN1分別是蓄電池和太陽能電池板的電壓采集信號輸入。采集電壓信號內部轉換后從I2C總線的數據線SDA接單片機P3.7口，蓄電池電壓和太陽能電池板電壓就可以被在線監測。

4 系統軟件設計

主程序采用模塊化設計思想，主要完成光強度檢測、電機轉動、蓄電池電壓和電池板電壓的采集轉換和LCD顯示、 PWM脈寬充電控制、電壓數據存儲及異常報警等，其流程如圖10所示。系統啟動之后首先初始化，主要包括對LED燈、蜂鳴器、A/D轉換模塊、液晶顯示模塊和數據存儲模塊的初始化。之后對蓄電池電壓和電池板電壓進行采集和判斷，如果蓄電池電壓小于0V，說明電池接反了，必須立即停止；如果蓄電池電壓高于14.5V，說明蓄電池電壓過高，應立即關斷負載；如果蓄電池電壓大于12.0V并小于太陽能電池板電壓，采用PWM方式充電[4]。

圖9 PCF8591構成的典型A/D轉換電路

5 系統測試

為了測試本系統的性能，對具有自跟蹤功能和不具有自跟蹤功能的系統工作效率進行了比較。采用兩個尺寸都為153mm×76mm×9mm的單晶硅太陽能板，在同一時間置于室外對20 000mAh的蓄電池進行充電，結果為可自動跟蹤的太陽板的充電時間為8.5h，位置固定的太陽板的充電時間為10.0h。可自動跟蹤的系統比太陽能板固定的系統充電時間短了1.5h?？梢姽P者設計的系統具有實用性，能更有效地利用太陽光，充電效率更高，具有一定的經濟價值。

6 結束語

完成了能自動跟蹤太陽光的充放電控制系統的硬件電路設計和軟件設計.該系統能夠自動跟蹤太陽光源，在軟件程序的控制下，能夠通過輸出PWM 信號控制開關MOS管的通斷，實現對蓄電池分階段采用不同方式進行充放電的目的。經實驗和測試表明，本系統具有環保、高效、安全及使用壽命長等優點。

圖10 主程序流程

[1] 沈麗.太陽能光伏儲存技術研究[J].信息通信,2016,(7):25～26.

[2] 趙水英,孫旭霞,李生民.基于PWM與STC89C52的太陽能應用控制系統設計[J].河北北方學院學報(自然科學版),2014,30(6):9～14.

[3] 張燕紅,鄭仲橋.基于單片機AT89C52的數據采集系統[J].化工自動化及儀表，2010,37(3):110～112.

[4] 盧琳，殳國華，張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統研究[J].電力電子技術,2007，41(2)：96～98.

DesignofSolarChargingandDischargingControlSystemwithAutomatic-trackingFunctionBasedonSingleChipMicrocomputer

LIU Yu-min, GAO Song-yan, YU Di, QIAN Kun

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

The STC89C52 SCM-cored solar charging and discharging control system was designed to track sunlight automatically and adopt PWM to control charge and discharge modes simultaneously. In addition, the system’s control strategy was analyzed and design plan of the main hardware was presented, including ideas relating to software design. Through on-line debugging of the hardware and software, the functions like the auto-tracking, the real-time monitoring of the condition of battery and solar panel and the optimization of charging-discharging frequency can be realized so that purposes of enhancing absorption efficiency of the solar panel and protecting the storage battery can be reached.

auto-tracking, charge and discharge controller, solar energy, PWM

國家青年科學基金項目(51404074)。

劉玉敏(1978-)，副教授，從事智能控制理論的研究，liuyumin330@163.com。

TH865

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1000-3932(2017)11-1023-05

2017-07-17)