發(fā)布時間:2018/9/6 8:49:51 來源:本站
太陽能作為一種新型能源,以其資源豐富、清潔環(huán)保、受地域限制小等優(yōu)點,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。太陽能路燈就是典型的太陽能產(chǎn)品,具有白天充電、晚上使用,無需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線,可任意調(diào)整燈具的布局,安全節(jié)能無污染等優(yōu)點。在使用這種新型能源路燈系統(tǒng)的同時,人們也在考慮如何更高效地利用這些能源,提高充電效率,延長太陽能系統(tǒng)的使用壽命等問題,而這主要受到太陽能控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分,主要完成對蓄電池的充、放電和路燈的開、關(guān)控制,以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進行及時和有效地保護。
太陽能路燈控制器的主要作用是對蓄電池的充、放電以及負載輸出進行控制,當(dāng)達到過充點時,切斷太陽能電池板與蓄電池的連接;達到過放點時,切斷蓄電池與負載的連接,從而達到對蓄電池的保護作用。充、放電及負載開、關(guān)過程采用光控自動開關(guān),無需人工操作,工作穩(wěn)定可靠,節(jié)省電力資源,免維護,太陽能路燈的實用性已經(jīng)得到人們的充分認可,只需將控制器接入系統(tǒng)即可完成所有操作,完全由單片機進行智能控制;赑89LPC915單片機的太陽能路燈控制器的設(shè)計對12V和24V蓄電池和太陽能光電板可自動識別,可實現(xiàn)對蓄電池的科學(xué)管理,可通過相應(yīng)指示燈隨時監(jiān)測蓄電池過充、欠壓等運行狀態(tài),具有兩路負載輸出,可以隨意設(shè)置為同時點亮,分時點亮以及單獨定時等工作模式,同時具有負載過流,短路保護功能,具有較高的自動化和智能化水平。
控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)以飛利浦公司的P89LPC915單片機為核心。外圍電路主要由單片機工作基準電壓供給電路、電壓采集電路、充電控制電路和負載輸出控制與檢測電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集,用于對12V和24V蓄電池和太陽能光電板的自動識別、太陽光線強弱的識別以及蓄電池電壓的獲取。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
控制器的核心控制芯片采用飛利浦公司的P89LPC915單片機。P89LPC915是一款低成本的14腳單片微控制器。它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期。6倍于標準80C51器件。P89LPC915集成了許多系統(tǒng)級的功能,這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積并降低系統(tǒng)的成本。
該芯片的主要特性有:2kB字節(jié)可擦除的Flash程序存儲器,具有256字節(jié)的扇區(qū)和16字節(jié)的頁;單字節(jié)擦除功能使得任何字節(jié)可用作非易失性數(shù)據(jù)存儲器;256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器;2個16位定時/計數(shù)器,定時器0可設(shè)置為溢出時觸發(fā)相應(yīng)端口輸出或作為PWM輸出;23位的系統(tǒng)定時器,可用作實時時鐘;4輸入8位A/D轉(zhuǎn)換器,1個DAC輸出;2個模擬比較器,可選擇參考源;增強型UART;具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能;選擇高精度的內(nèi)部RC振蕩器時不需要外接振蕩器件;可選擇RC振蕩器選項并且其頻率可進行很好的調(diào)節(jié);VDD操作電壓范圍為2.4~3.6V; I/O 口可承受 5V (可上拉或驅(qū)動到 5.5V)。
選用該芯片的主要原因之一是由于其內(nèi)部有4輸入8位A/D轉(zhuǎn)換器,可直接對模擬量進行采集,不需再外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片,可以節(jié)省成本并簡化電路。
圖2 單片機工作基準電壓供給電路
如圖2所示,電路系統(tǒng)采用三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器LM317T為單片機提供基準工作電壓,輸出端OUT端的電壓計算公式為: Vout=1.25× (1+R2/R1)。 根據(jù)此公式由電路給出的電阻參數(shù)計算得出的基準電壓值VCC=3.125V,符合 2.4~3.6V 的 VDD 操作電壓范圍。
如圖3,電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集,用于太陽光線強弱的識別 (暨提供控制器對負載實現(xiàn)自動開關(guān)功能)以及蓄電池電壓的獲取。太陽能電池板有兩個作用:一是給蓄電池充電;二是作為光敏元件,可以判斷天黑還是天亮,能使太陽能路燈具備天黑時燈自動點亮和天亮?xí)r燈自動熄滅的功能。充電控制電路的作用是對蓄電池的充、放電進行控制,當(dāng)達到過充點時,切斷太陽能電池板與蓄電池的連接;達到過放點時,切斷蓄電池與負載的連接,從而達到對蓄電池的保護作用?刂破鞑捎昧斯怆婑詈戏绞綄π铍姵氐某、放電進行控制。
圖3 電壓采集、充電控制電路
單片機包含一個8位、4路逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器,這樣可以不用再外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器,直接利用芯片的P0.2、P0.3口就可以對電壓模擬量進行采樣,控制器正是利用了此芯片的這種特性,大大簡化了外圍電路并且節(jié)省了成本。圖3中J1、J3分別接太陽能電池板和蓄電池的正極,當(dāng)P0.3口檢測到太陽能電池板的電壓大于14V并且P0.2口檢測到蓄電池的電壓小于13.4V時,便讓P1.4口控制光電耦合器使得光耦導(dǎo)通,對蓄電池進行充電,否則光耦關(guān)斷。在充電過程當(dāng)中,為了保證充電效率,當(dāng)P0.3口檢測到太陽能光電板的電壓小于14V時,便會自動切斷充電口,當(dāng)滿足要求后再自動接通充電。控制器有蓄電池充滿自動停止充電功能,當(dāng)P0.2口檢測到蓄電池電壓大于14.8V時,便會切斷光電耦合器,使得太陽能光電板跟蓄電池分離,停止充電。有效地保護了蓄電池,延長了蓄電池的使用壽命。
圖4 雙路負載輸出驅(qū)動電路
蓄電池為外接負載提供電源,控制器系雙路負載輸出。圖4為雙路負載輸出驅(qū)動電路,驅(qū)動電路的開和關(guān)由單片機的P0.4口和P0.5口控制。當(dāng)檢測電路檢測到蓄電池的電壓大于12.4V時,即可驅(qū)動P0.4口、P0.5口為負載供電,為了有效地保護蓄電池,當(dāng)檢測到蓄電池的電壓小于 10.8V時, 單片機就要立刻控制 P0.4口跟 P0.5口停止給負載供電。
如圖3所示,為了便于監(jiān)測和檢修太陽能路燈充放電控制系統(tǒng),設(shè)計了工作狀態(tài)指示電路。
(1)LED2過充過放,蓄電池過放時該發(fā)光二極管閃亮、過充時則長亮。
(2)LED3運行充電,當(dāng)蓄電池接入系統(tǒng)后即開始工作,此時該發(fā)光二極管閃亮,當(dāng)系統(tǒng)進入正常充電狀態(tài)時,則長亮。
(3)LED1負載輸出,當(dāng)負載有輸出時,則該燈長亮。
(1)在單片機工作基準電壓供給電路中,應(yīng)采用快恢復(fù)二極管來防止太陽能電池板反接,系統(tǒng)采用超快速整流二極管MUR1660,這種二極管具有大電流承受能力、導(dǎo)通內(nèi)阻小、正向壓降低等特點,充電時發(fā)熱量小,不用散熱器也可以連續(xù)充電,充電效果好。
(2)采用雙層PCB板布線方式,尤其對放大電路要精心布置,數(shù)字地和模擬地分開。
(3)在進行試驗時,要按照先接蓄電池、再接負載,最后接太陽能光電板的順序把各部件接入控制器。
(1)系統(tǒng)采用較少的子程序?qū)崿F(xiàn)了諸多功能,如12V、24V蓄電池和太陽能光電板自動識別,充、放電自動檢測,過充、過放自動保護等。
(2)環(huán)境光線 (閃電、 禮花燃放等)對太陽能電池板的采樣電壓有較大影響,故在黎明、黃昏的識別時,要用程序控制進行延時。
與硬件電路設(shè)計對應(yīng)的軟件程序包括:主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、充電管理子程序、負載管理子程序、工作狀態(tài)顯示子程序。單片機的軟件編程以Keil編譯器的Windows集成開發(fā)環(huán)境Uvision2作為開發(fā)平臺,采用C51高級語言編寫。Uvision2是Keil公司關(guān)于8051系列MCU的開發(fā)工具,可以用來編譯C源碼、匯編源程序、連接和重定位目標文件和庫文件、創(chuàng)建HEX文件、調(diào)試目標程序等。圖5給出了系統(tǒng)自動檢測蓄電池、太陽能光電板電壓和自動充、放電過程子程序流程圖。
圖5 流程圖
太陽能控制器是太陽能光伏路燈系統(tǒng)中最重要的組成部分,其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率,因此,對其硬件電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計和軟件的編制顯得尤為重要。設(shè)計主要針對小功率離網(wǎng)光伏系統(tǒng),吸收了許多重要的理論,在總結(jié)大量的實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上設(shè)計出了一種性能優(yōu)良、工作可靠、體積小巧的智能型控制器,實現(xiàn)了真正的全自動化智能控制,只需將控制器接入太陽能路燈系統(tǒng),整個系統(tǒng)便能自動工作,無需任何人工操作和維護。設(shè)計的太陽能路燈控制器適用于12V或24V的太陽能光伏系統(tǒng),著重解決了如何對蓄電池及負載進行有效、安全管理的問題,提高了太陽能電池板的使用效率,延長了蓄電池的使用壽命。
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