太陽能路燈控制器最重要的控制功能表現(xiàn)在如下三個(gè)方面:(1)控制太陽能電池向蓄電池充電;(2)控制蓄電池向負(fù)載系統(tǒng)供電;(3)控制整個(gè)路燈系統(tǒng)的其他部件穩(wěn)定地運(yùn)行。
我們?cè)O(shè)計(jì)的控制器基于AT89C52單片機(jī),通過對(duì)太陽能電池板和蓄電池電量進(jìn)行檢測,防止蓄電池過充與過放,延長了蓄電池的使用壽命,通過系統(tǒng)時(shí)鐘確定
路燈負(fù)載情況,使路燈工作更加人性化,從而延長系統(tǒng)的使用壽命,節(jié)約能源,具有較高的實(shí)用價(jià)值。
1 太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)原理
太陽能路燈系統(tǒng)必備組件包括:太陽能電池板、蓄電池、控制器和負(fù)載。其中,以AT89C52為核心的控制器控制著蓄電池的充放電。
1.1 太陽能電池板
太陽能電池板是將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。太陽能電池端口具有電壓檢測裝置,可以防止蓄電池的過電壓充電,而且能有效地判斷是否天黑,起到了光控原件的作用。
1.2 鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池充放電管理方式表述為:根據(jù)蓄電池剩余容量的數(shù)學(xué)模型和蓄電池的端口電壓來確定其剩余電量,然后再自動(dòng)地調(diào)整蓄電池的充電方式或者負(fù)載使用時(shí)間和工作強(qiáng)度,使負(fù)載始終與鉛酸蓄電池剩余電量相匹配,以確保蓄電池不會(huì)過放電,從而延長鉛酸蓄電池的壽命。
1.3 LED燈具的工作特性
LED具有對(duì)電壓敏感的特性。當(dāng)正向電壓達(dá)到3.4V以后,只要稍微改變電壓,正向電流呈指數(shù)形式變化。因此,LED采用的驅(qū)動(dòng)方式為電流驅(qū)動(dòng)。
2 太陽能路燈控制器硬件設(shè)計(jì)
太陽能路燈控制器各個(gè)模塊:
(1)主控芯片的選擇。微處理器是整個(gè)控制器的智能核心?紤]到成本和性能,本系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)。AT89C52是一個(gè)低電壓,高性能8位單片機(jī),片內(nèi)含8K B的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。器件采用ATMEL~司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和F1ash存儲(chǔ)單元,在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
(2)電壓采樣模塊的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中,所需要采樣的電壓主要是蓄電池的端口電壓和太陽能電池的端口電壓。本系統(tǒng)選用LM331作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。
(3)系統(tǒng)時(shí)鐘模塊。本控制器可以根據(jù)季節(jié)的變化和晝夜的變化來調(diào)整負(fù)載的工作情況。采用DSl2C887作為系統(tǒng)時(shí)鐘芯片,其能自動(dòng)產(chǎn)生世紀(jì)、年、月、日、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息。DS12C887時(shí)鐘芯片帶有128B的RAM,其中11B用來存儲(chǔ)時(shí)間信息,4B的RAM用來存儲(chǔ)控制信息,剩下113B通用RAM供給用戶使用。
(4)蓄電池溫度采樣模塊的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用的溫度傳感器為DS18820。它采用單總線協(xié)議,以數(shù)字碼方式串行輸出,大大簡化了傳感器與溫度處理器的接口。
3 太陽能路燈控制器軟件設(shè)計(jì)方案
根據(jù)控制器系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,系統(tǒng)軟件主要設(shè)計(jì)思路如下:首先由系統(tǒng)時(shí)鐘芯片判斷此時(shí)的季節(jié),裝載相應(yīng)的季節(jié)參數(shù)。然后,再由系統(tǒng)的時(shí)鐘芯片判斷此刻的時(shí)間,按照時(shí)間裝載相應(yīng)的時(shí)間參數(shù)。接著,進(jìn)行太陽能電池板的電壓檢測和蓄電池端口電壓的溫度檢測和蓄電池環(huán)境溫度檢測,判斷是否可以充電,進(jìn)入充電控制子程序。最后,再次檢測蓄電池的端口電壓,進(jìn)入到放電控制子程序中,控制蓄電池對(duì)負(fù)載的放電。對(duì)太陽能電池、蓄電池電壓采樣和蓄電池環(huán)境溫度的采樣方案:采樣周期10s,采樣30次,共計(jì)5分鐘。判斷所采的電壓值是否達(dá)到相應(yīng)的臨界值,若達(dá)到則進(jìn)行相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。主要子程序設(shè)計(jì)思路:
時(shí)間判定子程序:由于日照時(shí)間長短與季節(jié)的變化有關(guān)。系統(tǒng)首先根據(jù)時(shí)鐘芯片判斷時(shí)間,設(shè)定相應(yīng)的負(fù)載工作模式。若無特殊情況,白天不開燈,太陽能電池給蓄電池充電,在傍晚,路人較多,采用雙燈負(fù)載供給照明;在深夜,路人較少,采用單燈負(fù)載。此種負(fù)載工作方式考慮了人們的生活習(xí)慣,既滿足照明需要,又達(dá)到了節(jié)約能源的目的。
充電控制子程序:為了使蓄電池達(dá)到最大充電效果,本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的充電方式。通過單片機(jī)控制固態(tài)繼電器在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷,從而達(dá)到脈寬調(diào)制充電的目的。系統(tǒng)首先進(jìn)行太陽能電池板、蓄電池端口電壓和環(huán)境溫度的檢測,然后根據(jù)蓄電池的荷電狀態(tài)來確定太陽能電池給蓄電池的充電方式。具體實(shí)現(xiàn)方案是:檢測蓄電池端口電壓和周圍環(huán)境溫度,然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理,當(dāng)蓄電池的剩余容量SOC<80%時(shí),采用充電方式1;當(dāng)蓄電池的剩余容量SOC>80%時(shí),采用充電方式2;蓄電池的剩余容量SOC>95%時(shí),停止充電。
放電控制子程序:通過單片機(jī)與負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的配合控制負(fù)載的工作狀態(tài)。系統(tǒng)通過檢測太陽能電池板電壓來判斷是否天黑,然后判斷時(shí)間,裝載相應(yīng)的季節(jié)參數(shù)后進(jìn)行蓄電池端口電壓檢測,再進(jìn)行蓄電池荷電狀態(tài)計(jì)算,根據(jù)負(fù)載狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。此種放電方式優(yōu)點(diǎn)在于保證蓄電池不會(huì)過放電,并且最大程度節(jié)約了能源。太陽能電池和蓄電池電壓的檢測方法:采用定時(shí)的方式,通過定時(shí)器1和2進(jìn)行定時(shí),太陽能電池電壓每10s進(jìn)行一次采樣,然后判斷太陽能電池電壓是否達(dá)到臨界電壓。
4 結(jié)論
我們完成了基于AT89c52單片機(jī)的太陽能LED照明控制器的設(shè)計(jì)。解決了現(xiàn)階段太陽能
路燈照明系統(tǒng)中普遍存在的蓄電池壽命較短、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性不足和系統(tǒng)能源效率不高的問題。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽能路燈控制器同樣可以用干獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,若稍加改進(jìn)還可以實(shí)現(xiàn)與市電的并網(wǎng)。