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太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能燈控制系統(tǒng)例如,路燈作為一種清潔、無(wú)害、可替代的能源,而廣泛應(yīng)用于可支配能源中。太陽(yáng)能路燈是太陽(yáng)能應(yīng)用之一,無(wú)需敷設(shè)管線(xiàn),安裝靈活,特別適應(yīng)于電網(wǎng)難于到達(dá)的地方及偏遠(yuǎn)的農(nóng)村、海島等。太陽(yáng)能路燈實(shí)質(zhì)上就是獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng),它由太陽(yáng)能板、控制器、閥控式蓄電池、照明燈具四個(gè)部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。白天太陽(yáng)能板給蓄電池充電,夜晚蓄電池為負(fù)載提供電源,蓄電池既是負(fù)載又是電源。在太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)中,蓄電池壽命相對(duì)較低,如果沒(méi)有一個(gè)合理的充放電方式,蓄電池的壽命將大大縮短,從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,因此蓄電池的檢測(cè)與保護(hù)很關(guān)鍵。而蓄電池充電、放電都是在控制器的控制下完成的,它控制著蓄電池充放電方式,因此控制器是整個(gè)路燈系統(tǒng)的核心。本文以路燈控制器為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)一款以微控制器為核心的智能路燈控制器,控制器按照蓄電池的充電規(guī)律,運(yùn)用PWM三階段充電法對(duì)蓄電池充電,提高充電效率;同時(shí)具有過(guò)充、過(guò)放保護(hù),最大限度延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。1盤(pán)問(wèn)電路組成路燈控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,它由微控制器、電源電路、充電電路、放電電路、鍵盤(pán)顯示電路、電壓電流檢測(cè)、溫度補(bǔ)償、時(shí)鐘電路、保護(hù)電路組成。該控制器具有防雷、防反充、蓄電池防反接、負(fù)載過(guò)流、短路等保護(hù)措施,確??刂破髂芸煽抗ぷ?。1.1超抗側(cè)片微控制器是整個(gè)系統(tǒng)核心,STC12C5A60AD是宏晶公司生產(chǎn)的一款單時(shí)鐘、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾單片機(jī)。片上資源豐富,內(nèi)置1280字節(jié)RAM,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。微控制器根據(jù)檢測(cè)太陽(yáng)能板電壓、蓄電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù),選擇合適的充電方式;放電時(shí),由鍵盤(pán)選擇適當(dāng)?shù)哪J近c(diǎn)亮照明燈具。控制器配置時(shí)鐘芯片DS1302可實(shí)現(xiàn)控制器實(shí)時(shí)定時(shí)控制。1.2dm驅(qū)動(dòng)電路增加充電效率充電電路用于太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電。圖3為充電電路圖,電池板、蓄電池、開(kāi)關(guān)配置成串聯(lián)形式,V1、V2選用場(chǎng)效應(yīng)管IRF3710,場(chǎng)效應(yīng)管具有開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小特點(diǎn),充電時(shí)線(xiàn)路壓降小,減少控制器發(fā)熱量,提高充電效率。V2僅起到開(kāi)關(guān)作用,V1承擔(dān)充電方式的選擇。圖中由V3、V4、V5、V6、V8等組成的PWM驅(qū)動(dòng)電路能大大減少場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間,降低開(kāi)關(guān)切換功耗。蓄電池的充電過(guò)程是:開(kāi)機(jī)時(shí)關(guān)斷V1、V2,然后通過(guò)單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)到V2柵極,不斷檢測(cè)蓄電池是否滿(mǎn)足開(kāi)通條件。一旦判斷出A點(diǎn)電壓為零,此時(shí)太陽(yáng)能電池板電壓高于蓄電池電壓,V1、V2開(kāi)通,蓄電池充電。正常充電時(shí),單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)到V1柵極,不斷地檢測(cè)A點(diǎn)電壓,一旦判斷出A點(diǎn)電壓非零,此時(shí)太陽(yáng)能電池板電壓低于蓄電池電壓,V1、V2關(guān)斷,蓄電池停止充電。1.3放大與比較電路放電及保護(hù)電路如圖4所示。場(chǎng)效應(yīng)管控制負(fù)載的接入與斷開(kāi),負(fù)載的過(guò)流、短路不僅對(duì)負(fù)載本身有損害而且對(duì)蓄電池也有損傷,縮短蓄電池的使用壽命,本電路有完善的保護(hù)措施。放大與比較電路U1選用LM358,采樣電阻R22將負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),經(jīng)U1A放大后送入單片機(jī)和U1B,當(dāng)放電電流超過(guò)1.2倍額定電流30S時(shí)過(guò)載保護(hù)動(dòng)作。短路時(shí)(大于額定電流3倍)單片機(jī)發(fā)出關(guān)斷指令,同時(shí)電壓比較器翻轉(zhuǎn)關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管V10,負(fù)載斷電得到保護(hù)。短路保護(hù)采用硬件加軟件的形式,具有反應(yīng)速度快,同時(shí)能自動(dòng)檢測(cè)短路狀態(tài),無(wú)需手動(dòng)操作,使負(fù)載恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。2軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),包括充電管理、放電管理、鍵盤(pán)顯示、溫度讀取、時(shí)間讀取、A\D轉(zhuǎn)換等模塊程序。2.1主程序流程系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖5所示。2.2放電管理的程序充電管理程序控制太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池充電。系統(tǒng)選用閥控式鉛酸蓄電池,根據(jù)閥控式鉛酸蓄電池充電特性,選擇智能三階段充電方式。不僅提高充電效率,而且能延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。在每個(gè)階段設(shè)置合適的充電閥值,對(duì)相應(yīng)的閥值進(jìn)行溫度補(bǔ)償,并對(duì)過(guò)充點(diǎn)進(jìn)行必要的保護(hù)。其流程圖如圖6。放電管理程序控制夜晚路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間,總的設(shè)計(jì)思路是光控+時(shí)控。天黑時(shí)點(diǎn)亮,深夜關(guān)閉,天亮前1小時(shí)再次點(diǎn)亮。這樣可節(jié)約電能,特別在連續(xù)陰雨天情況下,能夠延長(zhǎng)照明天數(shù),減小蓄電池的放電深度,保護(hù)蓄電池。放電管理流程圖如圖7。3蓄電池充電測(cè)試采用兩塊輸出功率16W,最大輸出電壓22V的太陽(yáng)能電池板,蓄電池選用12V/7Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池,通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電測(cè)試。表1為實(shí)測(cè)的蓄電池充電電壓。由于充電電流隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,單位時(shí)間內(nèi)電壓上升的幅值也不一樣。圖8為浮充時(shí)PWM控制的波形圖。蓄電池充滿(mǎn)后轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài),調(diào)節(jié)PWM占空比,控制充電電流,使蓄電池電壓穩(wěn)定在浮充電壓上。4智能放電,充電使用壽命本文充分利用了單片機(jī)的軟硬件資源設(shè)計(jì)一款

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