發(fā)布時間:2018/8/27 9:09:12 來源:本站
太陽能作為一種清潔、無污染、可再生能源得到越來越廣泛的應(yīng)用。太陽能路燈是太陽能應(yīng)用之一,無需敷設(shè)管線,安裝靈活,特別適應(yīng)于電網(wǎng)難于到達的地方及偏遠的農(nóng)村、海島等。
太陽能路燈實質(zhì)上就是獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng),它由太陽能板、控制器、閥控式蓄電池、照明燈具四個部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。白天太陽能板給蓄電池充電,夜晚蓄電池為負載提供電源,蓄電池既是負載又是電源。在太陽能路燈控制系統(tǒng)中,蓄電池壽命相對較低,如果沒有一個合理的充放電方式,蓄電池的壽命將大大縮短,從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,因此蓄電池的檢測與保護很關(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,因此控制器是整個路燈系統(tǒng)的核心。本文以路燈控制器為研究對象,設(shè)計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,運用PWM三階段充電法對蓄電池充電,提高充電效率;同時具有過充、過放保護,最大限度延長蓄電池的使用壽命。
圖1 太陽能系統(tǒng)構(gòu)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、鍵盤顯示電路、電壓電流檢測、溫度補償、時鐘電路、保護電路組成。該控制器具有防雷、防反充、蓄電池防反接、負載過流、短路等保護措施,確保控制器能可靠工作。
圖2 太陽能路燈控制器結(jié)構(gòu)
微控制器是整個系統(tǒng)核心,STC12C5A60AD是宏晶公司生產(chǎn)的一款單時鐘、高速、低功耗、超強抗干擾單片機。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)檢測太陽能板電壓、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,由鍵盤選擇適當(dāng)?shù)哪J近c亮照明燈具?刂破髋渲脮r鐘芯片DS1302可實現(xiàn)控制器實時定時控制。
充電電路用于太陽能電池對蓄電池充電。圖3為充電電路圖,電池板、蓄電池、開關(guān)配置成串聯(lián)形式,V1、V2選用場效應(yīng)管IRF3710,場效應(yīng)管具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小特點,充電時線路壓降小,減少控制器發(fā)熱量,提高充電效率。V2僅起到開關(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)動電路能大大減少場效應(yīng)管開通、關(guān)斷時間,降低開關(guān)切換功耗。
圖3 充電電路
蓄電池的充電過程是:開機時關(guān)斷V1、V2,然后通過單片機輸出脈沖信號到V2柵極,不斷檢測蓄電池是否滿足開通條件。一旦判斷出A點電壓為零,此時太陽能電池板電壓高于蓄電池電壓,V1、V2開通,蓄電池充電。正常充電時,單片機輸出脈沖信號到V1柵極,不斷地檢測A點電壓,一旦判斷出A點電壓非零,此時太陽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。
放電及保護電路如圖4所示。場效應(yīng)管控制負載的接入與斷開,負載的過流、短路不僅對負載本身有損害而且對蓄電池也有損傷,縮短蓄電池的使用壽命,本電路有完善的保護措施。放大與比較電路U1選用LM358,采樣電阻R22將負載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號,經(jīng)U1A放大后送入單片機和U1B,當(dāng)放電電流超過1.2倍額定電流30S時過載保護動作。短路時(大于額定電流3倍)單片機發(fā)出關(guān)斷指令,同時電壓比較器翻轉(zhuǎn)關(guān)斷場效應(yīng)管V10,負載斷電得到保護。短路保護采用硬件加軟件的形式,具有反應(yīng)速度快,同時能自動檢測短路狀態(tài),無需手動操作,使負載恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。
圖4 放電及保護電路圖
系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,包括充電管理、放電管理、鍵盤顯示、溫度讀取、時間讀取、A\D轉(zhuǎn)換等模塊程序[4]。
系統(tǒng)軟件的主要程序流程如圖5所示。
充電管理程序控制太陽能板對蓄電池充電。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,而且能延長蓄電池的使用壽命。在每個階段設(shè)置合適的充電閥值,對相應(yīng)的閥值進行溫度補償,并對過充點進行必要的保護。其流程圖如圖6[5]。
放電管理程序控制夜晚路燈開關(guān)時間,總的設(shè)計思路是光控+時控。天黑時點亮,深夜關(guān)閉,天亮前1小時再次點亮。這樣可節(jié)約電能,特別在連續(xù)陰雨天情況下,能夠延長照明天數(shù),減小蓄電池的放電深度,保護蓄電池。放電管理流程圖如圖7。
采用兩塊輸出功率16W,最大輸出電壓22V的太陽能電池板,蓄電池選用12V/7Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池,通過控制器對蓄電池進行充電測試。表1為實測的蓄電池充電電壓。由于充電電流隨著
圖5 主程序流程圖
圖6 蓄電池充電流程圖
光照強度的變化而變化,單位時間內(nèi)電壓上升的幅值也不一樣。圖8為浮充時PWM控制的波形圖。蓄電池充滿后轉(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。
表1 蓄電池充電時實測的端電壓
圖7 蓄電池放電流程圖
圖8 浮充時PWM波形
本文充分利用了單片機的軟硬件資源設(shè)計一款太陽能路燈控制器,實現(xiàn)對蓄電池充、放電的智能化管理。采用PWM充電方式及光控加時控的放電方式,提高了蓄電池的使用壽命。該控制器具有可靠的保護措施,但由于充電采用直充方式,影響充電效率,有待于進一步改善。
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