發(fā)布時間:2018/9/5 8:47:53 來源:本站
目前的太陽能路燈控制系統(tǒng)都是獨立光伏控制系統(tǒng),主要由六個部分組成:太陽能電池、蓄電池、LED路燈、控制器、充電電路、放電/負載驅(qū)動電路。主機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。太陽能電池板輸出經(jīng)CUK電路調(diào)節(jié)后直接與蓄電池連接,系統(tǒng)主控芯片采用DSPIC30F3011單片機,實現(xiàn)太陽能板電壓采集、蓄電池電壓采集、控制CUK電路、控制LED燈頭、主從機間485通信、主機與監(jiān)控中心或工作人員間的連接等功能。
圖1 主機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光伏電源系統(tǒng)由于受日照強度及環(huán)境溫度變化的影響,其電壓(電流)變化很大。為了在負載電阻變化較大時系統(tǒng)有較大的靈活性和較高的轉(zhuǎn)換效率,該系統(tǒng)的主電路選用 CUK電路,原理為 Boost-Buck電路,一級電路實現(xiàn)兩級調(diào)壓。該系統(tǒng)采用CCM工作模式,該工作模式的特性非常接近于一個匝數(shù)比可調(diào)的DC-DC變壓器。能量的儲存和傳遞同時在兩次開關(guān)動作期間和兩個回路中進行,變換器效率很高。CUK電路中開關(guān)管導(dǎo)通的占空比的改變,對光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化,輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對應(yīng)一個輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT技術(shù)即是通過調(diào)節(jié)CUK電路的占空比而改變光伏陣列的輸出阻抗,從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。
控制電路的主控芯片采用DSPIC30F3011單片機,主要控制功能包括:太陽能板電壓采集;CUK電路選通控制;蓄電池電壓采集;卸荷電路控制;LED燈頭控制;RS485通信;GSM模塊發(fā)送短信控制;路燈開關(guān)控制;工作模式控制等。主機原理圖如圖 2、圖 3和圖 4所示,其中圖 2為主控芯片DSPIC30F3011的原理圖。圖3所示為電壓采樣電路和CUK電路,由于太陽能板電壓和電池電壓都在 0~35 V變化,而單片機的A/D輸入電壓范圍為0~5 V,所以對采樣電壓進行分壓處理后傳送給單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道,CUK電路用于調(diào)節(jié)太陽能板的最大輸出功率點,其選通開關(guān)通過單片機PWM3輸出控制。
圖2 DSPIC30F3011原理
圖3 電壓采樣電路和CUK電路
圖4為LED燈頭控制電路和卸荷電路,單片機通過對太陽能板和蓄電池電壓監(jiān)測來控制LED燈頭,通過PWM0和PWM1分別來調(diào)節(jié) LED燈的開關(guān)及亮度。當(dāng)蓄電池電壓高壓 30 V時,單片機通過對 PWM2腳的控制啟動卸荷,實現(xiàn)對蓄電池的放電。
圖4 LED燈頭控制電路和卸荷電路
太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體通信連接圖如圖 5所示,DSPIC30F3011單片機具有雙串口,主機中的一路串口與從機進行RS-485通信,另一路串口用于控制GSM模塊,即與 MC39i模塊進行通信連接,控制 MC39i發(fā)送短信給監(jiān)控中心。
圖5 總體通信連接
由于太陽能路燈間距為幾十米,所以該系統(tǒng)中主從機間通過RS-485通信連接,RS-485的通信距離可以達到幾百米甚至上千米,最大傳輸速率為 10 Mb/s,而且還可以實現(xiàn)多點通信方式,從而可以建立起一個小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)。圖6為 DSPIC30F3011單片機與 MAX485連接的硬件連接圖,DSPIC30F3011與MAX485之間通過6N136進行隔離,以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。主、從機均留出串口與 MAX485連接,各個MAX485芯片的A、B和GND管腳相互連接。主、從機不斷地對太陽能板電壓和蓄電池電壓進行檢測,發(fā)生低電時從機將及時向主機傳送信息。
基于 GSM通信技術(shù)的無線測控系統(tǒng)具有通用性好、地理覆蓋面廣、免調(diào)試維護、運營費用低和控制方式靈活等特點,因此主機和監(jiān)控中心間采用 GSM通信模塊進行信息傳輸。DSPIC30F3011單片機對太陽能板電壓和蓄電池電壓進行采樣比較,當(dāng)采樣值低于設(shè)定值時發(fā)送短信“太陽能板電壓不足”或“蓄電池電壓不足”給監(jiān)控中心,單片機還可以對路燈工作狀態(tài)進行監(jiān)控,出現(xiàn)異常時,以短信形式傳送給監(jiān)控中心。
圖6 DSPIC30F3011與MAX485接線
GSM模塊采用MC39i,MC39i是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊,可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號,通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。MC39i的數(shù)據(jù)接口通過 AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),可選波特率范圍為300 b/s~115 kb/s,支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service,短消息),可通過 AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。
MC39i模塊有40個引腳,通過一個ZIF(Zero Insertion Force,零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類,即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。MC39i的第1~5引腳是正電源輸入腳,第6~10引腳是電源地,15腳是啟動腳IGT,系統(tǒng)加電后為使MC39i進入工作狀態(tài),必須給IGT加一個大于100 ms的低脈沖,電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms。18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通訊腳,需要和單片機或者PC通訊。MC39i使用外接式SIM卡,24~29為SIM卡引腳,MC39i的第32腳SYNC引腳為控制腳,有兩種工作模式,一種是指示發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況,另一種是指示MC39i的工作狀態(tài),可用AT命令A(yù)T+SYNC進行切換,35~38為語音接口。
MC39i的電源輸入采用開關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941S。啟動腳IGT可以通過單片機軟件控制,也可通過按鍵控制其電位高低變化的控制,18腳RXD、19腳TXD直接與DSPIC30F3011單片機的異步串口RXD2和TXD2進行連接,實現(xiàn)單片機對MC39i發(fā)送和接收指令的控制,24~29引腳直接與SIM卡的對應(yīng)引腳進行連接,便于檢測SIM卡是否插好,以及完成短信發(fā)送的功能,SYNC腳可外接發(fā)光二極管用于檢測模塊是否處于工作狀態(tài)。
該系統(tǒng)采用DSPIC30F3011單片機進行監(jiān)控處理,單片機對太陽能板電壓和蓄電池電壓實時監(jiān)控。若太陽能板電壓大于設(shè)定值,說明光照強度足夠大,單片機關(guān)斷LED燈頭供電,太陽能板對蓄電池充電;若太陽能板電壓小于設(shè)定值,則由蓄電池對LED燈頭供電,首先檢測蓄電池電壓,若足夠大,則由蓄電池對LED燈頭供電,若小于下限值,單片機控制 MC39i模塊發(fā)送短信“蓄電池低電”,若蓄電池電壓高于上限值,則要啟動卸荷電路,以免蓄電池過充電。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)流程
可以采用AT指令對MC39i模塊進行控制。單片機通過AT指令對MC39i模塊進行初始化和短消息的接收發(fā)送。對短消息的控制有兩種模式:PDU模式和Text模式,但Text模式不支持正文,設(shè)計采用PDU模式。通過單片機異步串口發(fā)送AT指令“AT CRLF”給MC39i模塊(其中CR表示回車;LF換行),如果 MC39i模塊發(fā)送“CRLFOKCRLF”給單片機,則表明 MC39i模塊連接正常;然后單片機發(fā)送“AT+CMGF=0 CRLF”給MC39i模塊,設(shè)置短信模式為PDU格式,如果MC39i模塊回復(fù)“CRLFOKCRLF”表明設(shè)置成功;然后單片機發(fā)送“AT+CMGS=26 CRLF”給 MC39i模塊,設(shè)置短信總字節(jié)長度為26個,如果接收到“CRLF>26”表明設(shè)置成功,最后單片機給MC39i模塊發(fā)送具體的短信信息,例如發(fā)送短信“太陽能板低電”給監(jiān)控中心,監(jiān)控中心的 SIM卡對應(yīng)號碼為1364217302X,其對應(yīng)的PDU數(shù)據(jù)為:0891683108200205F011 000B813146123720 FX0008A712592A963380FD677F4F4E75351 A。其中:08:短信中心地址長度;91:短信中心號碼類型;68:中國代碼(經(jīng)過對調(diào));3108200205F0:天津短信中心號碼(末尾填F后,每兩位對調(diào),實際號碼為“13800220500”);11:文件的頭字節(jié),默認(rèn)為11;00:信息類型,默認(rèn)為00;0B:被叫號碼長度;81:被叫號碼類型;3146123720FX:被叫號碼(經(jīng)過對調(diào),實際為 1364217302X);0008:00標(biāo)志協(xié)議 08表示使用Unicode編碼;A7:有效天數(shù)=A7-A6;12:短信內(nèi)容長度;592A太;9633陽;80FD能;677F板;4F4E低;7535電;最后短信內(nèi)容以1A結(jié)尾,1A為發(fā)送結(jié)束標(biāo)志。
這里系統(tǒng)對現(xiàn)有的太陽能路燈控制器進行改造,將光伏電源最大功率點設(shè)置集成到太陽能控制器中,借助于串口通信技術(shù)實現(xiàn)了主從機的通信連接,借助GSM技術(shù)實現(xiàn)了主機與監(jiān)控中心之間的通信連接,最終實現(xiàn)了太陽能路燈控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。因此該系統(tǒng)不僅提高了太陽能的利用效率,還實現(xiàn)了太陽能控制器間的無線數(shù)據(jù)傳輸,提高了現(xiàn)有太陽能路燈控制器的使用價值。
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