基于STC12C5A16AD的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)型路燈控制器設(shè)計(jì)

周福斌，何 沅，龐有超

（中國(guó)人民解放軍66389部隊(duì)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

城市照明系統(tǒng)在營(yíng)造城市宜居環(huán)境，為人們提供生活便利的同時(shí)，也消耗著大量的電力資源。有關(guān)資料顯示，路燈照明耗電量約占全國(guó)照明總耗電量的30%，而且能耗還在不斷增長(zhǎng)。太陽(yáng)能照明系統(tǒng)利用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能供電，較好地緩解了城市照明能耗壓力[1]。但是傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)控制系統(tǒng)智能化的要求，不當(dāng)?shù)某潆姺绞揭子绊懶铍姵氐氖褂脡勖B續(xù)的陰雨天也會(huì)使系統(tǒng)由于蓄電池儲(chǔ)能不足而停止工作[2]。本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)型路燈控制器能有效解決上述問(wèn)題，同時(shí)可適當(dāng)減小太陽(yáng)能電池和蓄電池的容量，降低開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的技術(shù)成本，使得系統(tǒng)更具可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 控制器總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以微控制器為核心，控制器各個(gè)部分的功能全部由微控制器來(lái)控制完成。利用微控制器自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池和蓄電池兩端的電壓值，在微控制器內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算與分析。根據(jù)蓄電池兩端的電壓值，自動(dòng)識(shí)別12 V/24 V系統(tǒng)，進(jìn)入相應(yīng)的系統(tǒng)工作。進(jìn)入系統(tǒng)后，根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端的電壓判定是白天還是夜晚，并進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。白天，根據(jù)蓄電池兩端的電壓值計(jì)算脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比，由單片機(jī)的PWM端口作相應(yīng)的輸出，驅(qū)動(dòng)MOS管驅(qū)動(dòng)電路控制MOS管的閉合與關(guān)斷，從而控制太陽(yáng)能電池高效穩(wěn)定地對(duì)蓄電池充電，并且自動(dòng)進(jìn)行過(guò)充保護(hù)。PWM充電方式符合蓄電池對(duì)于充電過(guò)程的要求，使蓄電池有較為充分的反應(yīng)時(shí)間，能有效消除極化，減少析氣量，提高蓄電池的充電效率并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命[3]。夜晚，根據(jù)蓄電池兩端的電壓判定蓄電池荷電狀態(tài)，確定蓄電池或者市電向LED負(fù)載供電。根據(jù)設(shè)定的工作模式，由單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)MOS管驅(qū)動(dòng)電路控制MOS管的閉合與關(guān)斷，控制其向負(fù)載有條不紊的供電[4]。

為了提高太陽(yáng)能照明系統(tǒng)工作的可靠性，供電的同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流。由單片機(jī)判斷是否過(guò)流過(guò)載，通過(guò)軟硬件相結(jié)合的方式相應(yīng)地對(duì)其進(jìn)行過(guò)載和短路保護(hù)。在充放電的過(guò)程中進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償，以更好地吻合蓄電池的充放電特性，從而保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其使用壽命。另外，當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過(guò)放狀態(tài)、負(fù)載出現(xiàn)短路或過(guò)載狀況時(shí)，I/O口會(huì)控制蜂鳴器發(fā)聲示警并自動(dòng)采取相應(yīng)的控制。太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)型照明控制器原理如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)型路燈控制器原理

2 控制器主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器的選擇

本設(shè)計(jì)以STC12C5A16AD單片機(jī)為核心，該單片機(jī)具有高速、低功耗以及超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，內(nèi)部自帶兩路8位PWM和8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓為3.5～5.5 V，工作頻率為0～35 MHz，內(nèi)部集成1 280字節(jié)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）。設(shè)計(jì)中利用其自帶的PWM輸出功能實(shí)現(xiàn)直流斬波電路的控制，以實(shí)現(xiàn)PWM充電。利用通用I/O口控制MOS管的通斷實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與市電的切換供電，利用內(nèi)部自帶的8路10位A/D轉(zhuǎn)換器完成系統(tǒng)控制過(guò)程中電壓與電流等參數(shù)的檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路主要檢測(cè)的內(nèi)容有太陽(yáng)能電池和蓄電池兩端電壓、負(fù)載工作電流以及蓄電池溫度。電壓檢測(cè)采用分壓電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，電流檢測(cè)首先采樣串聯(lián)電阻兩端電壓，其次經(jīng)放大器放大，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)[5,6]。本設(shè)計(jì)中，采樣電阻選用阻值為0.01 Ω，功率為3 W，精度為1%的精密電阻，運(yùn)算放大器選用雙運(yùn)放芯片LM258。設(shè)計(jì)中，為提高信號(hào)檢測(cè)的精度，外接基準(zhǔn)電壓源TLV431，采樣過(guò)程中，電壓和電流采樣取100次的平均值作為結(jié)果。

溫度檢測(cè)采用半導(dǎo)體溫度傳感器DS18B20，每2 V的溫度補(bǔ)償為-5 mV/℃。DS18B20將地址線、數(shù)據(jù)線以及控制線合為一根雙向串行傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)線，單片機(jī)只需一個(gè)端口就能實(shí)現(xiàn)DS18B20的通信。它能直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，測(cè)量范圍為-55～125 ℃，精度可達(dá)0.062 5 ℃。此外，本設(shè)計(jì)選擇9位分辨率，溫度測(cè)量精度為0.5 ℃，轉(zhuǎn)換周期為93.7 ms,同時(shí)為了提高采樣進(jìn)度，取5次平均值作為結(jié)果。

2.3 充電電路設(shè)計(jì)

充電電路中的開(kāi)關(guān)元件選用PMOS IRF4905，它是高效可靠且應(yīng)用范圍很廣的器件，采用堅(jiān)固耐用著稱(chēng)的HEXFET設(shè)計(jì)。先進(jìn)的工藝技術(shù)制造使得其具有極低的導(dǎo)通阻抗，約為0.02 Ω，而且開(kāi)關(guān)速度高。最大通態(tài)電流ID=74 A，條件溫度為25 ℃，MOS管柵極-源極電壓值UGS=-10 V[7]。同時(shí)，P溝道MOS管設(shè)計(jì)時(shí)能把太陽(yáng)能電池和蓄電池電壓采樣電路的基準(zhǔn)點(diǎn)選在同一個(gè)點(diǎn)上，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)電壓采樣的基準(zhǔn)點(diǎn)選在蓄電池的負(fù)端，充電電路如圖2所示。

圖2 充電電路原理

圖2中，D6（MBR2050）是肖特基二極管，其正向?qū)妷簽?.3 V，最大導(dǎo)通電流可達(dá)20 A。在此處的作用是當(dāng)蓄電池兩端電壓高于太陽(yáng)能電池兩端電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，以防止蓄電池向太陽(yáng)能電池反向充電，損壞太陽(yáng)能電池。D7是保護(hù)二極管，作用是防止蓄電池正負(fù)極反接。圖2中包含一個(gè)PMOS驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)P1.3為高電平時(shí)，D18導(dǎo)通，從而D20導(dǎo)通，此時(shí)太陽(yáng)能正端經(jīng)過(guò)R16、R11、D20和太陽(yáng)能負(fù)端連成回路，從而PMOS管Q1的柵極-源極電壓為：

當(dāng)太陽(yáng)能電池兩端電壓USUN＞10 V時(shí)，UGS＜-8 V，此時(shí)Q1徹底導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池板向蓄電池充電。D12是15 V穩(wěn)壓二極管，此處的作用是把Q1的UGS鉗位在-15 V，保護(hù)PMOS不被擊穿而燒毀。C28是濾波電容，在此處的作用是提高太陽(yáng)能電池向蓄電池充電的穩(wěn)定性。當(dāng)P1.3為低電平時(shí)，Q1斷開(kāi)，太陽(yáng)能電池板停止向蓄電池充電。

2.4 放電電路設(shè)計(jì)

蓄電池和市電電源并聯(lián)向負(fù)載供電，放電電路如圖3所示，供電電路如圖4所示。

圖3 蓄電池放電電路原理

圖4 市電供電原理

單片機(jī)通過(guò)P3.6和P3.7控制MOS管Q2和Q3的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池和市電供電的切換，由軟件控制，一路接通，另一路立刻切斷。當(dāng)P3.7為低電平時(shí)，D13斷開(kāi)，而D21導(dǎo)通，此時(shí)蓄電池正端經(jīng)過(guò)R17、R19、D21以及蓄電池負(fù)端連成回路，PMOS管Q2的柵極-源極電壓為：

當(dāng)蓄電池兩端電壓UBAT＞10 V時(shí)，UGS＜-8 V，Q2導(dǎo)通，蓄電池向負(fù)載供電。由于市電電源和蓄電池并聯(lián)向負(fù)載互補(bǔ)供電，須在Q2和Q3的D極中間接入D14，其作用是當(dāng)市電向負(fù)載供電時(shí)，D14反向截止，防止因?yàn)镼3的導(dǎo)通使得Q2的D極電壓等于Q3的D極電壓而使Q2導(dǎo)通，導(dǎo)致供電異常。通過(guò)該設(shè)計(jì)，能夠保證在蓄電池電量充足時(shí)，由蓄電池中儲(chǔ)存的太陽(yáng)能給負(fù)載供電，而當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，由市電給負(fù)載供電。在保證能源供應(yīng)不間斷的同時(shí)，減少市電消耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的[8]。此外，R51是阻值為0.01 Ω，功率為3 W，精度為1%的精密電阻，作為負(fù)載電流的采樣電阻使用。

2.5 負(fù)載保護(hù)電路設(shè)計(jì)

負(fù)載保護(hù)電路的作用是防止蓄電池過(guò)放電、負(fù)載短路以及過(guò)載。短路保護(hù)通過(guò)自鎖電路實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示。

圖5 負(fù)載保護(hù)電路原理

采樣R51兩端的電壓后送至LM258的3腳，經(jīng)過(guò)內(nèi)部一個(gè)運(yùn)算放大器放大后，由1腳輸出電壓并送至單片機(jī)的P1.0口。假設(shè)采樣R51得到電壓值為UC_Fuzai，則LM258的1腳輸出電壓值為：

當(dāng)負(fù)載電流I=5 A時(shí)，R51兩端的電壓值為：

當(dāng)負(fù)載電流為I=10 A時(shí)，UCout=2.1 V，不超過(guò)VCC，所以滿(mǎn)足要求。

當(dāng)I＞10 A時(shí)，則LM258的I腳輸出電壓UCout＞2.1 V，A點(diǎn)的電壓是由UCout分壓得到，即：

B點(diǎn)電壓是由UVCC經(jīng)過(guò)分壓得到的，是個(gè)恒定值，即：

LM258的另一個(gè)運(yùn)算放大器用作比較器，當(dāng)I＞10 A時(shí)，UA＞UB，此時(shí)LM258的U2out（7腳）通過(guò)比較輸出高電平。由于U2out經(jīng)過(guò)D8和R65后與A點(diǎn)相連，此時(shí)UA被鎖住高電平不變，即U2out始終為高電平，那么D13和D17的2腳輸入始終為高電平，從而Q2和Q3將一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)硬件自保護(hù)。UNLOCK（P2.4）為解鎖端，當(dāng)P2.4端置高時(shí)即解鎖，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

3 太陽(yáng)能充電控制器軟件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)完成后，軟件的配合必不可少。本設(shè)計(jì)首先根據(jù)檢測(cè)到的蓄電池電壓大小判定12 V/24 V系統(tǒng)，當(dāng)蓄電池電壓UBAT＞18 V時(shí)，判定為24 V系統(tǒng)，否則為12 V系統(tǒng)。其次根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端的電壓判定白天和黑夜，USUN＞3 V，判定為白天，否則為黑夜。最后進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，白天主要是充電控制，黑夜主要是放電控制。

3.1 白天工作模式

進(jìn)入白天工作模式后，控制器立即斷開(kāi)蓄電池和市電供電回路，以采集到的蓄電池兩端電壓作為條件進(jìn)行具體操作。當(dāng)蓄電池電壓低于充電切換點(diǎn)電壓13.1 V時(shí)，始終閉合充電開(kāi)關(guān)，盡可能快地給蓄電池充電，補(bǔ)充電量，即PWM占空比為100。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到充電切換點(diǎn)電壓13.1 V，又低于充電截止電壓14.1 V時(shí)，根據(jù)蓄電池兩端的電壓值，均勻調(diào)整PWM的占空比（從100%～0%）。當(dāng)蓄電池電壓增加至14.1 V時(shí)，PWM占空比減為0%，蓄電池電壓降低后再進(jìn)行充電。在充電后期進(jìn)行的是浮充充電，以補(bǔ)充蓄電池自放電的電量。這樣的自動(dòng)控制方式，目的是能使蓄電池達(dá)到較好的充電效果并盡可能保持或延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命[9]。以上是12 V系統(tǒng)工作流程，24 V系統(tǒng)的充電切換點(diǎn)電壓為26.2 V，充電截止電壓為28.2 V。

STC12C5A16AD單片機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)器T0的溢出率實(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率的PWM輸出，本設(shè)計(jì)設(shè)定PWM周期T=256 ms，即頻率f=3.90 Hz。充電控制流程如圖6所示。

白天工作程序代碼如下，以12 V系統(tǒng)為例，battery_vb是UBAT進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的電壓值。

3.2 黑夜工作模式

進(jìn)入黑夜工作模式后，先斷開(kāi)充電回路，采集蓄電池兩端電壓，以蓄電池兩端電壓值作為下一步操作的條件。

當(dāng)蓄電池兩端電壓UBAT＞11.2 V時(shí)，則由蓄電池向負(fù)載供電。檢測(cè)負(fù)載電流，如果負(fù)載電流在額定工作電流之內(nèi)，則根據(jù)用戶(hù)選擇的工作模式進(jìn)行相應(yīng)的工作。若負(fù)載電流在1～1.5倍額定電流之內(nèi)，則讓負(fù)載繼續(xù)工作60 s，之后斷開(kāi)負(fù)載，同時(shí)程序延時(shí)1 h，再進(jìn)入原循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)行。若負(fù)載電流在1.5～2倍額定電流內(nèi)，則負(fù)載繼續(xù)工作5 s，蜂鳴器報(bào)警以警示負(fù)載過(guò)流，同時(shí)程序延遲3 h后進(jìn)入原循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)運(yùn)行。若負(fù)載電流大于兩倍額定電流，則由自鎖保護(hù)電路硬件自鎖，斷開(kāi)負(fù)載。這樣能保證蓄電池不過(guò)放，不過(guò)流，達(dá)到穩(wěn)定可靠運(yùn)行的目的[10]。

當(dāng)蓄電池兩端電壓UBAT＜11.2 V時(shí)，則斷開(kāi)蓄電池供電回路，接通市電供電回路，由市電向負(fù)載供電。同樣檢測(cè)負(fù)載電流，根據(jù)負(fù)載電流大小進(jìn)入相應(yīng)的工作流程。具體的工作流程如圖7所示，以12 V系統(tǒng)為例。

圖7 負(fù)載流程

黑夜工作程序代碼如下，以12 V系統(tǒng)為例，battery_vb是UBAT進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的電壓值。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于STC單片機(jī)的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)型路燈控制器，實(shí)現(xiàn)了蓄電池高效穩(wěn)定充放電，并提高了蓄電池的使用壽命。蓄電池和市電互補(bǔ)向負(fù)載供電，避免了連續(xù)陰雨天導(dǎo)致蓄電池儲(chǔ)能不足而停止工作的情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)各部分電路工作穩(wěn)定，參數(shù)采集和控制準(zhǔn)確，在實(shí)際應(yīng)用中能有效降低城市照明能耗壓力，應(yīng)用前景廣闊。