常見問題

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源問題是一個(gè)國家至關(guān)重要的問題。隨著科學(xué)技術(shù)和全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對能源的需求也日趨增長。而化石燃料儲量有限，且化石能源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的污染破壞及大量二氧化碳的排放引起溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖，自然災(zāi)害頻繁。常規(guī)能源在給人類社會帶來飛速發(fā)展的同時(shí)，也在很大程度上使人類社會面臨著前所未有的困難和挑戰(zhàn)。

太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，是最理想的可再生能源；路燈給人們的生活帶來了很多便利，但同時(shí)也消耗了大量的電能，研究太陽能路燈控制系統(tǒng)，開發(fā)出太陽能路燈系統(tǒng)，節(jié)約能源，降低路燈系統(tǒng)運(yùn)行成本具有重要的研究意義。太陽能路燈控制系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池、充放電控制板、LED燈組構(gòu)成，其中太陽能充放電控制器是協(xié)調(diào)和控制整個(gè)系統(tǒng)工作的核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心主要圍繞太陽能充放電控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前市場上的充放電控制器大多并沒有完善的蓄電池充電策略，充電模式選擇單一導(dǎo)致太陽能路燈控制系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較低，對蓄電池的保護(hù)不夠，影響了蓄電池和LED負(fù)載的使用壽命。并且沒有滿足用戶體驗(yàn)的定時(shí)充放電功能結(jié)構(gòu)，對太陽能利用率不高。且在放電控制上沒有時(shí)刻檢測蓄電池電壓，容易導(dǎo)致蓄電池過放甚至深度放電，因此在已有的基礎(chǔ)上研發(fā)一個(gè)具備完善的保護(hù)功能和充電策略優(yōu)良、高效可靠、滿足用戶需求的太陽能路燈控制系統(tǒng)更符合市場需求。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文針對鉛酸蓄電池充電的特殊要求提出了一種基于STC12C5410AD單片機(jī)PWM脈寬調(diào)制的太陽能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中核心部分是充放電控制器，輔助電路包括太陽能極板、儲能蓄電池、燈具負(fù)載，實(shí)現(xiàn)照明用電太陽能化的獨(dú)立光伏運(yùn)行系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了“綠色照明”，且提供USB接口免費(fèi)提供應(yīng)急充電，總體框圖如圖1所示；利用太陽能極板的光生伏特效應(yīng)把太能的輻射能轉(zhuǎn)化成電能儲存到蓄電池，采用PWM 脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù)根據(jù)蓄電池電壓的不同制定了對蓄電池直充、均充、浮充的充電策略，優(yōu)化蓄電池充電方法并巧妙地采用相應(yīng)電路檢測太陽能極板和蓄電池的電壓、軟件補(bǔ)償用于檢測的小電阻的溫度效應(yīng)，降低了成本；并提出設(shè)計(jì)負(fù)載檢測電路保護(hù)電路避免過載以及過放檢測電路，由單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓參數(shù)，發(fā)出各種控制信號，實(shí)現(xiàn)充放電控制，使太陽能路燈控制系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行。并可自行設(shè)置定時(shí)充放電功能，完善控制系統(tǒng)的功能。

圖1 總系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 MCU（單片機(jī)）的選型

MCU是整個(gè)系統(tǒng)工作的大腦，相當(dāng)于人體的大腦，因?yàn)閱纹瑱C(jī)之間也有巨大差異，選擇一款好的單片機(jī)非常關(guān)鍵了。本設(shè)計(jì)中，我們選用STC公司設(shè)計(jì)的STC12C5410AD作為 CPU。STC12C5410AD是STC公司的一款16位5V低功耗而且速度快的單片機(jī)，RAM是512 B， I/O Input端口的最大漏電流達(dá)到20mA。最快運(yùn)行速度可以達(dá)200kHz，指令執(zhí)行速率非�？�。STC12C5410AD有23個(gè)IO口，內(nèi)部集成有 10 位10 K精度 A/D的轉(zhuǎn)換器，有2路16位定時(shí)器和4路PWM輸出。

1.2 系統(tǒng)電路

以STC12C5410AD 為核心，本文設(shè)計(jì)的主要電路了有：主控電路及輔助電路、電源穩(wěn)壓電路、充電電路、放電電路、蓄電池電壓檢測電路、太陽能板極電壓檢測電路、按鍵與顯示電路等。

充電電路設(shè)計(jì)通過MOS功率通斷時(shí)間PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)給蓄 電池的三個(gè)階段不同充電速度的充電。單片機(jī)STC12C5410AD控制著太陽能路燈控制器的各個(gè)模塊。單片機(jī)通過ADC端口采樣蓄電池端極電壓，判斷有沒有達(dá)到充電條件，并根據(jù)電壓大小跳轉(zhuǎn)進(jìn)入充電模式，由于充電環(huán)境的不確定性，充電過程中實(shí)時(shí)檢測太陽能極板與蓄電池的端電壓大小，同時(shí)進(jìn)行采樣充電電路電流，用以保證蓄電池得到穩(wěn)定的充電而不影響蓄電池的使用壽命。

在放電電路中，一般的控制器采用直接放電，這樣容易使蓄電池過放而無法逆轉(zhuǎn)，多次過放后蓄電池幾近報(bào)廢，本文設(shè)計(jì)電壓電流采樣電路，采樣數(shù)據(jù)反饋回STC12C5410AD中的軟件控制算法，程序中有過壓過流保護(hù)程序，單片機(jī)輸出信號直接控制電壓驅(qū)動電路工作，進(jìn)而通過驅(qū)動模塊間接控制MOS功率管開通或關(guān)斷。其中包含有負(fù)載保護(hù)電路，保護(hù)有分過載和短路保護(hù)，保護(hù)電路根據(jù)檢測放電電流的大小，系統(tǒng)判斷是否切斷電源停止放電的一種保護(hù)。

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩大部分。其中硬件部分主要由STC12C5410單片機(jī)、PWM控制電路、電壓檢測電路、工作狀態(tài)指示燈、太陽能極板、蓄電池、負(fù)載燈具等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)利用太陽能極板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，采用鉛酸電池作為整個(gè)系統(tǒng)的儲能設(shè)備，以單片機(jī)STC12C5410AD為控制核心，采用 PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的最優(yōu)充電控制。通過按鍵設(shè)置蓄電池的放電時(shí)間，當(dāng)沒達(dá)到放電時(shí)間時(shí)，單片機(jī)若檢測到太陽能板的電壓高于一定值且蓄電池沒有滿電時(shí)，則太陽能充電指示燈紅燈亮，同時(shí)打開充電開關(guān)給蓄電池充電；單片機(jī)通過檢測蓄電池的電壓，根據(jù)不同狀態(tài)采用不同的充電模式，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)則指示燈黃燈亮。這樣，白天太陽光照射在太陽能電池板上，通過太陽能電池板的內(nèi)部轉(zhuǎn)化，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池中；當(dāng)達(dá)到放電時(shí)間時(shí)，若單片機(jī)檢測蓄電池電壓滿足放電條件，則太陽能放電指示燈綠燈亮并打開放電開關(guān)，蓄電池放電，同時(shí)單片機(jī)時(shí)刻檢測蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池電壓低于一定值時(shí)，則關(guān)閉放電開關(guān)，防止蓄電池過放。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

3 結(jié)束語

通過以STC12C5410AD單片機(jī)為控制核心，利用太陽能極板的光生伏特效應(yīng)，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池，采用PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，即通過單片機(jī)輸出的PWM來控制開關(guān)MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)太陽能極板對蓄電池充電的控制，并可根據(jù)蓄電池電壓的不同改變PWM占空比進(jìn)而改變充電策略，充分保護(hù)蓄電池并提高充電效率，延長蓄電池使用壽命；同時(shí)也設(shè)計(jì)了放電檢測電路，改善了蓄電池放電控制性能，防止蓄電池過放而影響使用壽命；并設(shè)計(jì)了定時(shí)計(jì)時(shí)電路，滿足用戶對蓄電池放電時(shí)間的設(shè)置；以及設(shè)計(jì)了過載檢測電路和溫度補(bǔ)償電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該太陽能充放電控制系統(tǒng)具備優(yōu)良的性能，有較好的應(yīng)用價(jià)值，且該控制系統(tǒng)不僅僅適用于路燈，甚至可用于遠(yuǎn)郊交通設(shè)施、氣象臺站等領(lǐng)域，具有巨大的市場需求和良好的轉(zhuǎn)化前景。