基于Atmega48太陽能路燈控制器研究

曹 瑩

（1.南通紡織職業技術學院 江蘇 南通 226007；2.江蘇省風光互補發電工程技術研究開發中心 江蘇 南通 226007）

作為一種新興的綠色能源，太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全的特點，是理想的可再生能源。而太陽能光伏發電技術作為太陽能利用的一個重要組成部分，被認為是目前最具發展潛力的一種發電技術。太陽能光伏發電系統的研究對于緩解能源危機，減少環境污染和溫室效應具有重要的意義[1]。

太陽能路燈就是典型的太陽能光伏發電應用產品之一，它是以太陽能作為電能供給，用來提供夜間道路照明。因為不需要消耗電網電能、不需要架設輸電線路或挖溝鋪設電纜，不污染環境、安全可靠，因而在公共照明及亮化裝飾領域有著廣闊的前景[2]。

1 太陽能路燈系統的結構

太陽能路燈系統由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池組、燈具等部分組成。若需輸出電源為交流220 V或 110 V，還需要配置逆變器。太陽能路燈系統結構如圖1所示。

圖1 太陽能路燈系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of solar street lamp system

太陽能路燈系統是利用太陽能電池的光生伏特效應原理，白天太陽能電池吸收太陽能光子能量產生一定的電動勢，通過控制器對蓄電池進行充電，將光能轉換為電能貯存起來，蓄電池充電到一定程度時，控制器內的自動保護系統動作，切斷充電電源。到夜晚或路燈周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器給照明燈供電。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。控制器控制著蓄電池的供電，到設定的時間后切斷，保證蓄電池的正常使用。整個系統還具有限荷保護和防雷裝置，以保護系統設備的過負載運行及免遭雷擊，保證系統設備的安全。

在太陽能路燈系統中，太陽能控制器是整個路燈系統中的核心部件，它控制著整個系統使其合理穩定地運行，它的性能在一定程度上決定了整個路燈系統的性能好壞。控制器的主要功能對蓄電池的充放電進行控制，防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方，控制器還應具備溫度補償功能。

2 太陽能路燈控制器整體設計方案

太陽能路燈控制器采用一鍵式輕觸開關，來完成所有操作及設置。要求控制器具有短路、過載、獨特的防反接保護，充滿、過放自動關斷、恢復等全功能保護措施，詳細的充電指示、蓄電池狀態、負載及各種故障指示。控制器需要通過單片機對蓄電池的電壓、放電電流、環境溫度等涉及蓄電池容量的參數進行采樣，采用高效PWM蓄電池的充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態，從而延長蓄電池的使用壽命[3]。

太陽能路燈控制器結構框圖如圖2所示，該控制器以單片機作為核心，外接晶振電路、太陽能電池電壓采集電路、蓄電池電壓采集電路、充放電控制電路、過壓過流保護電路、溫度檢測電路、數碼管顯示電路、功能指示電路等組成。

圖2 控制器結構框圖Fig.2 Structure block diagram of solar controller

太陽能電池電壓采樣模塊完成太陽電池電壓的采樣；蓄電池電壓采樣模塊完成蓄電池電壓的采樣；輸出驅動模塊提供POWER MOSFET的驅動電壓以及保護技術；數碼管顯示模塊完成數碼管顯示功能，確定系統輸出的狀態；晶振電路模塊提供單片機的時鐘頻率；溫度檢測模塊主要由電阻傳感器來實現；功能指示電路用發光二極管指示當前的功能。

3 控制器硬件電路設計

3.1 單片機控制模塊

Atmega48是基于AVR RISC、高性能、低功耗的 8位AVR微處理器，片內含256B的可反復擦寫的只讀程序內存（PEROM），512B的靜態存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，但由于其采用了小引腳封裝，所以其價格僅與低檔單片機相當。而工作電壓可以低至1.8 V，極低功耗，在正常模式、1 MHz、1.8 V的條件下電流僅為300 μA，而且內置 10位 ADC，其參考電壓 1.1 V。單片機控制電路如圖3所示。

圖3 單片機控制電路Fig.3 Microprocessor control circuit

根據圖3所示，PD6接J6鍵，該鍵用于設置狀態的識別及參數設置，當PD6=1時，若按鍵按下則單片機進行參數設置，并根據程序流程，分別實現不同功能。若PD6=0或PD6=1且無按鍵按下時則不進行參設設置和功能調節。

按鍵的功能：按下開關設置按鈕持續5 s，模式（MODE）顯示數字LED閃爍，松開按鈕，每按一次轉換一個數字，等到LED數字不閃爍即完成設置。每按一次按鈕，LED數字點亮，可觀察到設置的值。根據設定值，控制器的工作模式見表1，具體如下：

純光控模式（0）：當沒有陽光時，光強降到啟動點，控制器延時10 min確認啟動信號后，開通負載，負載開始工作；當有陽光時，光強升到啟動點，控制器延時10 min確認關閉輸出信號后關閉輸出，負載停止工作。

光控+延時方式（1～5）:當負載工作到設定的時間就關閉負載，時間設定見下表。

通用控制器方式（6）：此方式僅取消光控、時控功能、輸出延時以及相關的功能，保留其他所有功能，作為一般的通用控制器使用（即通過按鍵控制負載的輸出或關閉）。

調試方式（7）：用于系統調試使用，與純光控模式相同，只取消了判斷光信號控制輸出的10 min延時，保留其它所有功能。無光信號即接通負載，有光信號即關斷負載，方便安裝調試時檢查系統安裝的正確性。

輸出模式說明：當停止LED顯示時，所設置的模式自動存入MCU的內部E方ROM，斷電也不會丟失。

表1 控制器工作模式Tab.1 Controller work model

3.2 太陽能電池板的電壓檢測電路

太陽能電池電壓采集用于太陽能電池工作電壓的識別，利用單片機的PWM功能，對太陽能電池板進行充電管理。太陽能電池板電壓采集，用于太陽光線強弱的判斷，因而可以作為白天、黃昏的識別信號，同時支持太陽能板反接、反充保護。太陽能電池板的正極（P+）經過R6、R8的分壓后，把電壓送到單片機的PC1的端口，由Atmega48單片機的A/D轉換模塊的將采集到的電壓信號轉換為數字信號，如圖4所示。在圖中，D4起到保護作用，保證UPC1的電壓不低于0.7 V。電容C8是用來防止干擾信息。

圖4 太陽能電池板電壓檢測電路Fig.4 Voltage detecting of solar panel

3.3 蓄電池的電壓采集電路

蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別，利用單片機的PWM功能，對蓄電池進行開路保護和過充保護。蓄電池的正極（B+）經過 R36、R7、R9的分壓后，把電壓送到單片機的ADC7的端口，如圖5所示。在圖中，D5起到保護作用，保證UADC7的電壓不低于0.7 V。電容C17是用來防止干擾信息。

圖5 蓄電池電壓采集電路Fig.5 Voltage sampling circuit of Battery

3.4 充放電控制電路

充放電控制電路如圖6所示。蓄電池電壓在正常情況下，由單片機控制的充電驅動MOS管Q1為高電平，處于截止狀態，三極管Q3導通，這時PWM占空比為零，太陽能電池板向蓄電池恒流充電；當蓄電池電壓達到13.6 V時，Q1為高電平時，Q3導通，Q1截止，通過控制占空比，使Q1實現通斷控制，此時處于恒壓浮充狀態；當電流下降到某一設定的值時，進行恒流充電；但蓄電池電壓達到設定的過充點14.4 V時，再進行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機控制的充電驅動Q1進行短路保護；當蓄電池電壓下降到某設定值時，Q3重新導通，Q1截止，恢復為正常充電狀態。當蓄電池電壓低于設定的過放點時，放電驅動管Q2為高電平，Q4導通，Q2截止，此時負載無輸出；當蓄電池電壓達到12.6 V時，單片機控制的放電驅動T2為低電平，Q4截止，MOS管Q2導通，此時恢復對負載供電。

圖6 充、放電控制電路Fig.6 Charge and discharge control circuit

3.5 輸出電流采樣及溫度檢測電路

輸出電流采樣電路采用一個小電阻來檢測電流，通過運算放大器放大，經A/D轉換后輸入單片機中，就可以計算出電流I的大小。

蓄電池的容量是隨溫度的變化而變化的，溫度降低，蓄電池的容量就減小；溫度升高，蓄電池的容量將增大。如果充電電流維持不變，相應的充電倍率將不變，不同的充電倍率對應著不同的過充點，因此要采用溫度補償對蓄電池進行保護。單片機通過采樣溫度參數，實時檢測當前溫度，進行溫度補償。本設計中溫度的檢測采用負溫度系數的熱敏電阻進行，負溫度系數的熱敏電阻隨溫度的增長，電阻值變小。

4 控制器軟件設計

控制器軟件采用模塊化設計，其主程序流程圖如圖7所示。太陽能路燈控制器接電源后，首先進行系統初始化，根據太陽能電池板的電壓來判斷白天還是黑夜，并執行相應的操作；接著對太陽能電池的電壓和蓄電池的電壓進行各種條件的判斷并執行相應的操作；當各種條件判斷完畢后，程序回到初始判斷，進而開始新一輪的程序運行[8]。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of main program

5 結束語

文中設計的太陽能路燈控制器已研發成功，測試證明：該控制器具有良好的啟動性能，蓄電池的充電過程能夠達到預期的要求.當蓄電池電壓過低時，能夠自動啟動開關管，斷開放電回路實現了蓄電池的過放保護，而且可以針對不同的蓄電池設定參數，進行溫度補償。由于采用Atmega48單片機作為主控芯片，功耗小、電路設計簡單、故障率低，具有較高的性價比，而且調試方便，適宜批量生產。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]馮垛生.太陽能發電原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]趙玉文.我國太陽能光伏產業發展形勢和思考[J].世界科技研究與發展，2003，25（4）：31-38.

ZHAO Yu-wen.Solar photovoltaic industry development in china and strategy onsideration[J].World Sci-tech R&D，2003，25（4）：31-38.

[4]都志杰.可再生能源離網型獨立發電系統技術與應用[M].北京：化學工業出版社，2009.

[5]薛太林，王長柱，安慧仙.戶用太陽能光伏發電系統的設計與研究[J].電力學報，2009，24（6）：474-477.

XUE Tai-lin，WANG Chang-zhu，AN Hui-xian.Design and research on household solar photovoltaic power generation system[J].Journal of Electric Power，2009，24（6）：474-477.

[6]劉樹民，宏偉譯.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社，2006.

[7]陳剛，姬鴻，王勇.太陽能光伏發電系統設計[J].太陽能，2011，15（2）:6-10.

CHEN Gang，JI Hong，WANG Yong.Design of solar photovoltaic power system[J].Solar Enery，2011，15（2）:6-10.

[8]韋小麗.光伏發電自動跟蹤系統集控方案分析與設計[J].陜西電力，2012（4）：58，63-67.

WEI Xiao-li.Analysis&design of photovoltaic generation automatic tracing system central control scheme[J].Shaanxi Electric Power,2012（4）：58，63-67.