基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)

朱荔

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州，310053）

0 引言

太陽能路燈具有節(jié)能環(huán)保、無需鋪設(shè)線纜、免維護(hù)和高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，在城鄉(xiāng)道路照明中得到了廣泛的應(yīng)用。太陽能路燈由光伏電池、蓄電池、控制器、LED燈等幾個(gè)部分組成。控制器性能好壞決定了太陽能路燈的整體性能。本文以AVR單片機(jī)ATMEGA8為核心設(shè)計(jì)了一款智能太陽能路燈控制器，能自動(dòng)識(shí)別并匹配12V和24V兩種規(guī)格的蓄電池，并根據(jù)環(huán)境溫度優(yōu)化充放電管理流程，延長蓄電池使用壽命；LED路燈可以設(shè)置為定時(shí)開關(guān)、光照強(qiáng)度自適應(yīng)開關(guān)等工作模式。控制器具有蓄電池過放過充、負(fù)載短路保護(hù)等功能，從而保證太陽能路燈的可靠運(yùn)行。

1 控制器設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器主要由單片機(jī)系統(tǒng)（包含人機(jī)交互）、充放電控制電路、電壓取樣電路、溫度傳感器和DC/DC寬電壓范圍穩(wěn)壓電源組成，完成蓄電池的充電與保護(hù)、路燈供電等功能。單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)光伏電池電壓，按照一定的規(guī)則判斷出白天還是黑夜。在白天的時(shí)候，斷開LED路燈供電回路，且根據(jù)蓄電池的電量和環(huán)境溫度采取對(duì)應(yīng)的充電方式；在黑夜的時(shí)候，開啟LED路燈供電回路，同時(shí)監(jiān)控蓄電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，防止蓄電池過渡放電。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 充電回路

光伏電池的伏安特性一般是非線性的，負(fù)載阻抗的匹配特性決定了光伏電池的利用效率。如圖2所示電路，由光伏電池B1、壓敏電阻RV1、二極管SBD1、MOS開關(guān)管T1、蓄電池B2等組成并聯(lián)充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)充電。MOS管T1由單片機(jī)“充電”引腳控制其導(dǎo)通和截止；導(dǎo)通則蓄電池停止充電；截止則電路給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到浮充電壓值時(shí)，單片機(jī)控制MOS管T1進(jìn)入PWM調(diào)制狀態(tài)，有效保護(hù)蓄電池，防止過充。在選擇開關(guān)管T1時(shí)，根據(jù)光伏電池和負(fù)載的功率選擇最大導(dǎo)通電流；根據(jù)PWM調(diào)制的頻率選擇開關(guān)速度。為提高M(jìn)OS管T1觸發(fā)的可靠性，單片機(jī)PWM控制信號(hào)經(jīng)過光電耦合實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和模數(shù)隔離。壓敏電阻RV1起到防雷擊浪涌的作用。二極管SBD1為防反充二極管，防止夜晚或者陰雨天條件下蓄電池向光伏電池反向充電，同時(shí)也可防止光伏電池反接對(duì)控制器造成損壞。SBD1選用具有低導(dǎo)通壓降特性的肖特基二極管，能減少發(fā)熱、提高系統(tǒng)效率。

圖2 充放電主電路

■2.2 放電回路

如圖2所示電路，由蓄電池B2、保險(xiǎn)絲F1、二極管D2、MOS管T2和路燈L1等組成。當(dāng)單片機(jī)“路燈”控制引腳輸出低電平，光耦U2導(dǎo)通輸出高電平，觸發(fā)MOS管T2導(dǎo)通，此時(shí)路燈L1點(diǎn)亮；反之，路燈熄滅。蓄電池在充放電過程中出現(xiàn)過載、過流情況時(shí)，保險(xiǎn)絲F1可迅速熔斷，保護(hù)電路不被損壞。保險(xiǎn)絲F1與二極管D2配合還能起到防蓄電池反接保護(hù)的作用。

■2.3 電壓取樣電路

如圖2所示電路，光伏電池電壓由電阻R1、R7串聯(lián)分壓，經(jīng)C1濾波、D3過壓保護(hù)，輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路，計(jì)算太陽光線強(qiáng)弱，作為白天和晚上的標(biāo)志信號(hào)。同樣的過程，蓄電池電壓由R2、R8、C2、D4取樣后，由單片機(jī)識(shí)別后對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理。

■2.4 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)電路是太陽能路燈控制器實(shí)現(xiàn)智能控制的核心，電路如圖3所示。單片機(jī)選用AVR系列ATMEGA8低功耗單片機(jī)，內(nèi)含RC時(shí)鐘電路、BOD上電復(fù)位電路，只需連接電源引腳即可構(gòu)成最小系統(tǒng)；內(nèi)部有硬件PWM模塊，讓蓄電池充電控制程序編寫更簡(jiǎn)單。單片機(jī)芯片內(nèi)部的EEPROM數(shù)據(jù)掉電存儲(chǔ)單元，讓用戶數(shù)據(jù)保存更方便；內(nèi)部有6通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以方便讀取電池電壓，及時(shí)獲取充放電狀態(tài)。

圖3 單片機(jī)控制電路

四個(gè)LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示與兩個(gè)輕觸按鍵共同組成了系統(tǒng)的人機(jī)交互電路，信息讀取直觀方便。可以巡回顯示光伏電池電壓、蓄電池電壓、控制器工作狀態(tài)，也可以菜單式修改控制器各項(xiàng)參數(shù)。為了減少蓄電池電能消耗，在無按鍵操作20秒后，數(shù)碼管進(jìn)入休眠熄滅狀態(tài)；有按鍵操作后再次點(diǎn)亮顯示。

鉛酸蓄電池的過充電壓、過放電壓均隨溫度的變化而變化。在實(shí)際應(yīng)用中不能使用固定電壓值來判斷蓄電池工作狀態(tài)，必須采取溫度補(bǔ)償措施對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。圖3中，精密電阻R15與NTC熱敏電阻R16組成測(cè)溫電路，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，單片機(jī)通過A/D采樣獲取電壓值，得到對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度參數(shù)，對(duì)蓄電池的過充、過放點(diǎn)電壓值進(jìn)行校正和補(bǔ)償，從而保護(hù)蓄電池。

■2.5 穩(wěn)壓電源

基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器的工作電源是蓄電池直接供電。考慮到控制器自適應(yīng)12V/24V蓄電池，本文設(shè)計(jì)了由DC/DC芯片LM2596組成的寬電壓穩(wěn)壓電路，得到穩(wěn)定、純凈的+5V直流電源；克服了普通三端線性穩(wěn)壓電源效率不高、發(fā)熱量大的缺點(diǎn)。電路如圖4所示。在實(shí)際制作時(shí)，電容C1、C2盡量靠近芯片引腳，以防電路產(chǎn)生振蕩。

圖4 DC/DC穩(wěn)壓電源原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是智能太陽能路燈控制器的靈魂，其設(shè)計(jì)在一定程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和光伏電量使用效率。軟件設(shè)計(jì)以AVR-GCC開源編譯器的Windows 集成開發(fā)環(huán)境WinAVR為平臺(tái)，用C語言編寫。控制器的程序主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描程序、定時(shí)中斷程序、EEPROM讀寫程序和充放電管理程序等。主程序流程圖如圖5所示，單片機(jī)啟動(dòng)后通過電壓識(shí)別蓄電池12V/24V規(guī)格，從EEPROM存儲(chǔ)區(qū)載入對(duì)應(yīng)工作參數(shù)，循環(huán)檢測(cè)太陽能電池輸出電壓，相應(yīng)進(jìn)入白天、夜晚工作模式。在白天、夜晚模式識(shí)別時(shí)，要考慮環(huán)境光線的影響；本設(shè)計(jì)中主要是采取軟件延時(shí)和電壓回差法等數(shù)字濾波技術(shù)來濾除干擾。白天工作模式時(shí)，循環(huán)檢測(cè)蓄電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，選擇合適占空比的PWM脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)蓄電池不同幅值的恒壓充電及各保護(hù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作。同樣，夜晚工作模式時(shí)，循環(huán)檢測(cè)蓄電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)，在蓄電池不過放的情況下，點(diǎn)亮LED路燈。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文以單片機(jī)ATMEGA8為核心設(shè)計(jì)的太陽能路燈控制器能根據(jù)環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度優(yōu)化充放電管理流程，延長蓄電池使用壽命，自動(dòng)適應(yīng)季節(jié)變換，發(fā)熱量小、效率高、成本低。所設(shè)計(jì)的控制器已經(jīng)成功投產(chǎn)并應(yīng)用于實(shí)際，工作性能穩(wěn)定、可靠，有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值和技術(shù)借鑒價(jià)值。