(整理)太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)

1、太陽(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，白天充電、晚上使用，無(wú)需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線，可任意調(diào)整燈 具的布局，安全節(jié)能無(wú)污染，充電及開/關(guān)過程采用光控自動(dòng)控制，無(wú)需人工操作，工作穩(wěn)定可靠 節(jié)省電費(fèi)，免維護(hù)，太陽(yáng)能路燈的實(shí)用性已充分得到人們的認(rèn)可。本文介紹的基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)12V和24V蓄電池可以自動(dòng)識(shí)別，能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的科學(xué)管理 ，能 指示蓄電池過壓、欠壓等運(yùn)行狀態(tài)，具有兩路負(fù)載輸出，每路負(fù)載額定電流可以達(dá)到5A,兩路負(fù)載可以隨意設(shè)置為同時(shí)點(diǎn)亮、分時(shí)點(diǎn)亮，單獨(dú)定時(shí)等工作模式，同時(shí)對(duì)負(fù)載的過流、短路具有保護(hù)功能；具有較高的自動(dòng)化和智能化程度。硬件電路組成及工作原理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖太陽(yáng)能路

2、燈智能控制器以STC12C5410AD 單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路、 LED顯示電路及鍵盤電路等幾部分組成的，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電壓采集電路包括：太陽(yáng)能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的識(shí)別以及蓄電池電壓的獲取。單片機(jī)的P3口的兩位作為鍵盤輸入口 ，用于工作模式等參數(shù)的設(shè)置。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)中 STC12C5410AD、電壓采集與電池管理、負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電 路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。ffll系集3科位屈STC12C5410AD 單片機(jī)STC12C5410AD 是STC12系列的單片機(jī)，采用RISC型CPU 內(nèi)核，兼容普通8051指令集，而且還有新的特點(diǎn)

3、：片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器10k,Data Flash 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2k,RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器512字節(jié)，同時(shí)內(nèi)部還有看門狗（WDT）;片內(nèi)集成MAX810 專用復(fù)位電路，集成了 8通道10位分辨率的ADC以及4通道的PWM;具有可編程的8級(jí)中 斷源4種優(yōu)先級(jí)，具有系統(tǒng)可編程（ISP）和應(yīng)用可編程（IAP）等特點(diǎn)，片內(nèi)資源豐富、集成度高、 使用方便。STC12C5410AD對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、對(duì)蓄電 池及負(fù)載進(jìn)行管理，工作狀態(tài)的指示等。為充分使用片內(nèi)資源，本文所設(shè)置的參數(shù)寫入DataFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。鍵盤電路P3.4（T0）接F1鍵,該鍵用于設(shè)置狀態(tài)的識(shí)別及參

4、數(shù)設(shè)置；P3.5（T1）接F2鍵,該鍵用于自檢及 加1”功能，根據(jù)程序流程,分別實(shí)現(xiàn)不同功能。電壓采集與電池管理太陽(yáng)能電池板電壓采集，用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識(shí)別信號(hào)。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽(yáng)能板反接、反充保護(hù)。蓄電池電壓采集，用于蓄電池工作電壓的識(shí)別。利用微控制器的PWM功能，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。蓄電池開路保護(hù)：萬(wàn)一蓄電池開路，若在太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)，控制器將關(guān)斷負(fù)載,以保證負(fù)載不被損傷，若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)，控制器由于自身得不到電力，不會(huì)有任何動(dòng)作。過充保護(hù)：充電電壓高于保護(hù)電壓（15V）時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電；此后當(dāng)電壓掉至維 護(hù)電壓（13.2V）時(shí),蓄

5、電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（13.2V）后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。 當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓 （11V）時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路（智能三階段充電，可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過充、過放。負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，每路的輸出均有獨(dú)立的控制和檢測(cè)，具有完善的過流、短路保護(hù)措施。負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路如圖2所示。負(fù)載過流及短路保護(hù)：設(shè)計(jì)了兩級(jí)保護(hù)。第一級(jí)采用了R7（0.01 Q康銅絲）以及運(yùn)放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測(cè)電路配合單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來(lái)

6、實(shí)現(xiàn)，這里使用了硬件+軟件的方式，LM358的輸出送P1.7（A/D轉(zhuǎn)換）口，用作過流信 號(hào)識(shí)別，當(dāng)電流超過額定電流 20%并維持30s以上時(shí)，確認(rèn)為過流；短路電流整定為10A,響應(yīng) 時(shí)間為毫秒數(shù)量級(jí)。第二級(jí)采用了電子保險(xiǎn)絲保護(hù)，當(dāng)流經(jīng)電子保險(xiǎn)絲的電流驟然增加時(shí)，溫度隨之上升，其電阻大大增加，工作電流大幅降低，達(dá)到保護(hù)電路目的，響應(yīng)時(shí)間為秒數(shù)量級(jí)，過 流撤消或短路恢復(fù)后電子保險(xiǎn)絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體，無(wú)須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級(jí)保護(hù)措施后，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)時(shí)間負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)后，控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了 用傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲只能對(duì)電路進(jìn)行一次性保護(hù)，一旦燒毀必須人為更換的問題，同短路后需手動(dòng)復(fù)

7、位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比，也具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了維護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全性能。硬件設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)，保護(hù)電路周圍4mm內(nèi)不要布置（1）感應(yīng)雷保護(hù)電路應(yīng)設(shè)計(jì)在太陽(yáng)能電池板引線入口處其他器件。(2)防止太陽(yáng)能電池板反接用的二極管必須采用快恢復(fù)二極管，這種管子導(dǎo)通內(nèi)阻小，充電時(shí)發(fā)熱量小，不用散熱器也可以連續(xù)充電，充電效果好。(3)充電、負(fù)載放電電路的印刷線路寬度至少要45mm,線路上用搪錫處理以增加過電流能力，大電流導(dǎo)線在一層過渡到另一層時(shí)，要放置35個(gè)過孔。(4)過流、短路保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個(gè)因 素。電阻增大則電路效率下降，本系統(tǒng)選用電阻為 0.01 過電

8、流能力在10A以上的康銅絲作 為電流取樣電阻，來(lái)產(chǎn)生取樣電壓，取樣電壓最多不超過 0.2V,故采用運(yùn)放LM358對(duì)它進(jìn)行放 大。(5)器件的布局和PCB圖的布線采用模塊化，大電流信號(hào)與小電流信號(hào)要分離，對(duì)放大電路的線路猶其要精心布置。數(shù)字地和模擬地分開，注意電源線和地線的布局。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與本設(shè)計(jì)方案的硬件電路對(duì)應(yīng)的軟件程序包括：主程序、定時(shí)中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負(fù)載管理子程序。單片機(jī)的軟件編程上，以KeilC編譯器的 Windows集成開發(fā)環(huán)境 科vision2作為軟件開發(fā)平臺(tái)，采用C51高 級(jí)語(yǔ)言編寫。按鍵處理流程如圖3所示，電壓檢測(cè)子

9、程序如圖 4所示。太陽(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，白天充電、晚上使用，無(wú)需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線，可任意調(diào) 整燈具的布局，安全節(jié)能無(wú)污染，充電及開/關(guān)過程采用光控自動(dòng)控制，無(wú)需人工操作，工作穩(wěn)定 可靠,節(jié)省電費(fèi)，免維護(hù)，太陽(yáng)能路燈的 單片機(jī)軟件編程注意點(diǎn)(1)本系統(tǒng)用較少的按鍵實(shí)現(xiàn)了諸多功能 ，如負(fù)載工作模式的設(shè)置，雙燈同時(shí)工作還是分 時(shí)工作、負(fù)載工作時(shí)間的設(shè)定 ，還有自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實(shí) 際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復(fù)雜白人機(jī)對(duì)話的設(shè)計(jì) ，其思路可參見按鍵處 理流程圖。(2)鍵盤在定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取 ，用中斷間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤的去抖動(dòng) ，不必編寫另外 的延

10、時(shí)程序，提高了 CPU的利用效率。鍵盤值存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū) ，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的 內(nèi)容，執(zhí)行鍵盤功能散轉(zhuǎn)子程序。(3)環(huán)境光線(閃電、禮花燃放)對(duì)太陽(yáng)能電池板的采樣電壓有明顯影響，故在白天、黃昏的識(shí)別時(shí)，要進(jìn)行軟件延時(shí)，一般控制在23分鐘。(4)外部中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過流、短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮到負(fù)載啟動(dòng)瞬間時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，沖擊電流維持時(shí)間在 35ms左右，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路與負(fù)載開啟的誤判。確定負(fù)載過流、短路后，切斷負(fù)載輸出。負(fù)載切斷后,每隔一段時(shí)間，如20s,應(yīng)試接通負(fù)載開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號(hào)已消除 ，則恢復(fù)負(fù)載的輸 出,否則負(fù)載開關(guān)仍

11、然保持?jǐn)嚅_。(5)為保護(hù)負(fù)載(燈具)，蓄電池過放保護(hù)恢復(fù)時(shí)，應(yīng)用軟件設(shè)置一個(gè)回差電壓，這樣負(fù)載開 關(guān)不會(huì)出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，有利于延長(zhǎng)燈具的使用壽命。(6)根據(jù)STC12C5410AD 的Data Flash的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入時(shí)必須啟動(dòng) ISP/IAP命令,CPU 等待IAP動(dòng)作定時(shí)后，才繼續(xù)執(zhí)行程序，要先關(guān)斷中斷(EA)。還應(yīng)注意數(shù)據(jù)寫入 Data Flash 存儲(chǔ)器，不能跨越扇區(qū)。部分軟件編程ADC子程序INT8U ADC (INT8U number)using 2number=number&0x07;/通道號(hào)不超過 7ADC_CONTR= ADC_CONTR&0xe0;清 ADC

12、_FLAG、AD 不啟動(dòng)ADC_CONTR=ADC_CONTR|number;選擇通道ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x08;啟動(dòng) ADwhile (ADC_CONTR&0x10)!=0x10);等待 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束return (ADC_DATA); 結(jié)果返回外部0中斷響應(yīng)子程序void Service_INT0 ()interrupt 0 using 1 if(P3_2)高電平，認(rèn)為是干擾信號(hào)觸發(fā)中斷return;delay1(5000);10ms延時(shí) if(P3_2=0)load_switch_1=LSTOP;/負(fù)載開關(guān) 1 關(guān)LOOP1_DL=1;/置負(fù)載短路標(biāo)志一片

13、妙骷虹星配出，射亦 ra i-ng本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈控制器，可適用12V或24V工作的光伏系統(tǒng)，可以直接驅(qū)動(dòng)直流節(jié)能燈或通過逆變器驅(qū)動(dòng)無(wú)極燈等燈具作為照明光源使用，也可以驅(qū)動(dòng)一些直流低壓負(fù)載供城市亮化使用?？刂破鞯膬陕坟?fù)載輸出，可以用于機(jī)動(dòng)車道和人行道的照明，照明時(shí)間和工作模式可以靈活設(shè)置。著重解決了如何對(duì)蓄電池及負(fù)載進(jìn)行有效管理的問題，既提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率，又延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，防止了工程上因線路問題而造成意外事 件的發(fā)生。本文所設(shè)計(jì)的控制器已在江蘇S238省道得到應(yīng)用，具有設(shè)計(jì)可靠、成本低廉的特點(diǎn),具有較大的實(shí)用價(jià)值。太陽(yáng)能路燈控制器電路圖幫用用者K I! I討力*,*：

14、廠* g軸工用潴加觥博口？崢州,足*時(shí)鼻:-二rwi"中7否，軍史,電路原理見圖1所示。該電路由以U5為核心組成的蓄電池過充電控制電路、以U 4AU4D為核心組成的蓄電池電壓指示電路及顯示電壓按鈕開關(guān)KS1電路、以U1B組成的蓄電池過放電控制電路、以U1A組成的開燈檢測(cè)控制電路、以 U2組成的開燈及延時(shí)熄燈及二次開燈定時(shí)控制電路，以及以控制三極管 Q2驅(qū)動(dòng)繼電器組成的輸出控制電路等組成。現(xiàn)分別介紹如下。(1)過充電、過放電檢測(cè)保護(hù)部分太陽(yáng)能電池組件板或陣列由插口CZ1的腳輸入，加至防反充電二極管 D2的正極.D2的負(fù)極接12V蓄電池的正極，即CZ1的腳?？刂破髟诔跏忌想姇r(shí)，由于 C4

15、的作用 使U5腳為低電平，腳輸出高電平， Q7導(dǎo)通；Q8截止，允許太陽(yáng) 能電池給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池所充的電壓小于 14 . 4V時(shí)，由R13、 (R38十R39)組成的串聯(lián)分壓電路送至 U5、電壓低于2 / 3 U5 的供電電壓時(shí)，即小于6V,電路維持充電狀態(tài)；隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)， 蓄電池電壓逐漸升高，當(dāng) U5、的電壓高于2 / 3 U5供電電壓 時(shí)，U5腳輸出低電平，Q7截止、Q8導(dǎo)通，給太陽(yáng)能電池板泄放電 流，停止對(duì)蓄電池充電。在 U巡腳輸出低電平的狀態(tài)下，其腳導(dǎo)通， 相當(dāng)于將1140并入電路中。此時(shí)電路的分壓比為：R38+ R39 / R40 /IRl3+(R38+R39) / R40

16、 ,不難算出，當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定值 13V時(shí).電路狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，U5腳輸出高電平，允許蓄電池充電。(2)開燈檢測(cè)方法與控制太陽(yáng)能電池板是一個(gè)很好的光敏元件，其輸出電流、電壓能隨著接受光的強(qiáng)度和照度變化而變化，本控制器就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)開、關(guān) 燈控制的。太陽(yáng)能電池板 PVin輸入電壓經(jīng)R5、R6串聯(lián)分壓后；加 至運(yùn)放U 1A腳，其腳接于R9、R8+VR1 勺分壓點(diǎn)上。在白天，太 陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光的照射下輸出電壓很高，其經(jīng) R5、R6分壓后使運(yùn) 放U 1A腳電壓高于腳，U 1A腳輸出低電平，Q1截止，U2無(wú) 供電電壓不工作，Q2截止，繼電器不吸合，系統(tǒng)無(wú)輸出電壓，路燈不工作。隨著天色漸黑，太陽(yáng)

17、能電池板輸出電壓降低。UlA腳的電壓也同步降低，當(dāng)U1A腳電壓低于腳時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，U 1A腳輸出高電平，Q1導(dǎo)通，定時(shí)電路U2得電工作，Q2導(dǎo)通、JDQ1吸合點(diǎn)亮 路燈。圖中VR1為路燈開燈時(shí)刻設(shè)置調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié) VRl可設(shè)置不 同時(shí)刻點(diǎn)亮路燈。DW健鉗位二極管，作用是避免白天太陽(yáng)能電池板接 受的電壓過高導(dǎo)致U 1A腳輸入電壓過高而損壞。C1為儲(chǔ)能電容，作用是防止U1A腳電壓瞬時(shí)突變誤點(diǎn)亮路燈。R14為反饋電阻.其作用是使U 1A成為一個(gè)遲滯比較器.防止和避免U1A在開燈點(diǎn)附近振 蕩而反復(fù)開、關(guān)路燈。(3)路燈延時(shí)電路點(diǎn)亮、熄滅控制電路延時(shí)控制電路選用 CD4541BE可編程定時(shí)控制芯片，

18、它功耗低、內(nèi) 置可編程分頻器電路，最大分頻級(jí)數(shù)為 65536級(jí)。本控制器設(shè)計(jì)定時(shí)開燈和定時(shí)關(guān)燈時(shí)間調(diào)節(jié)范圍是： 2 . 093小 時(shí)-11 . 93小時(shí).分別由V : R2和VR3控制調(diào)節(jié)。(4)蓄電池停止放電優(yōu)先控制電路若在路燈欲點(diǎn)亮或已點(diǎn)亮?xí)r， 蓄電池電壓已經(jīng)低于其允許終止放電 值時(shí)，Q4導(dǎo)通.此時(shí)無(wú)論U 1A輸出高電平與否，均會(huì)使 Q1截止， 從而保護(hù)蓄電池避免過放電損壞。(5)電池電壓指示電路為了讓現(xiàn)場(chǎng)看管、維護(hù)人員及時(shí)了解、掌握蓄電池的狀態(tài)，本控制 器設(shè)有LED電池電壓指示裝置，通過LLED點(diǎn)亮的數(shù)量指示蓄電池電壓 的高低。2 .電路調(diào)試制作中發(fā)現(xiàn)。NE555時(shí)基電路的實(shí)際狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)

19、，即 1 / 3V(: C與2 /3VCC犬態(tài)的翻轉(zhuǎn)跳變點(diǎn)并不是嚴(yán)格遵循理論值。通過調(diào)節(jié)電 阻R13可實(shí)現(xiàn)14 . 4V的過充電控制。將 R13由設(shè)計(jì)的100kQ換 為120k Q即可達(dá)到實(shí)際要求。同理，通過調(diào)節(jié) VR4可校準(zhǔn)蓄電池指 示電壓。二、用PIC 12F 675 單片機(jī)制作的太陽(yáng)能路燈控制器圖2是用：PIC12F675單片機(jī)制作的太陽(yáng)能路燈控制器電路。PIC12F 675是8引腳單片機(jī)，具有6個(gè)I / 0 口，自帶內(nèi)部RC振蕩 器（振蕩頻率為4MHz）、4路10位A /D轉(zhuǎn)換器、一路比較器， 該控制器性能穩(wěn)定、可靠，耗電低。1 .工作原理PIC 12F675控制蓄電池的過充電、過放電，開、關(guān)路燈功能，定時(shí) 點(diǎn)亮、天黑自動(dòng)點(diǎn)亮、延時(shí)點(diǎn)亮、自動(dòng)跟蹤點(diǎn)亮等功能，路燈點(diǎn)亮測(cè)試 控制功能，le»旨示功能等。由蓄電池BTl 、蓄電池過充電控制執(zhí)行場(chǎng)效應(yīng)管01、三端穩(wěn)壓器U1組成電源供電系統(tǒng)；Q2、Q4.組成放電控制；K1手動(dòng)，R_GM1 光控自動(dòng)開燈系統(tǒng)，蓄電池分壓電阻，發(fā)光指示二極管等部分組成。太陽(yáng)能電池板電壓由接口 J3輸入.經(jīng)防反充二極管