太陽能路燈控制器的智能化設(shè)計(jì)

蘇蓓蓓，李健竑

太陽能路燈控制器的智能化設(shè)計(jì)

蘇蓓蓓，李健竑

介紹的智能型控制器用于太陽能路燈系統(tǒng)，其主要功能是白天將太陽能電池發(fā)的電存儲(chǔ)到蓄電池中，晚上將蓄電池中的電提供給光源進(jìn)行照明。該控制器在太陽能電池、蓄電池及光源間加入一個(gè)有A/D轉(zhuǎn)換寄存器和PWM輸出的8位單片機(jī)，通過一定的算法控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源實(shí)施時(shí)控、光控、分辨季節(jié)時(shí)差的控制，以及在對(duì)蓄電池充電過程中通過PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)。在控制器設(shè)計(jì)中，給出了蓄電池的過充及過放、蓄電池及太陽能電池的防反接、負(fù)載的防短路、太陽能路燈系統(tǒng)防雷電、抗干擾等保護(hù)措施。

A/D轉(zhuǎn)換；PWM調(diào)制；時(shí)控；光控；最大功率跟蹤

0 引言

太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，只要陽光充足就可以就地安裝，是一種綠色環(huán)保型照明產(chǎn)品[1]。其中，控制器從早期簡單的實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電控制功能，到現(xiàn)在使用微處理器，實(shí)現(xiàn)軟件編程，向智能化方向發(fā)展[2]。

本文介紹的TJ-0616太陽能路燈控制器在發(fā)電和儲(chǔ)能過程中使太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近（MPPT技術(shù)）；在對(duì)負(fù)載的供電控制過程中，實(shí)施時(shí)控、光控及季節(jié)跟蹤，使系統(tǒng)的供電，工作在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。

1 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制過程

本控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖，如圖1所示：

圖1 控制器的智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

它由自帶A/D轉(zhuǎn)換功能及PWM輸出的單片機(jī)、電壓采樣電路、充電電流采樣電路、DC/DC降壓電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路以及執(zhí)行部分和執(zhí)行部分的驅(qū)動(dòng)電路等組成。其中，用8位單片機(jī)STC12C5202AD完成太陽能路燈系統(tǒng)的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)BUCK電路的PWM脈寬調(diào)制、對(duì)負(fù)載的時(shí)控、光控以及對(duì)重要部件的保護(hù)等功能。

2 BUCK電路[3][4]和開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

2.1 BUCK電路的設(shè)計(jì)

DC/DC變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種類型，本設(shè)計(jì)采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 BUCK電路原理圖

2.2 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用 IR2110的高端部分驅(qū)動(dòng) BUCK電路中的開關(guān)管Q3，C4上儲(chǔ)存的電荷為IR2110驅(qū)動(dòng)供電，改善了原來電路導(dǎo)通不好的狀態(tài)，提高了 BUCK電路的轉(zhuǎn)換效率，如圖 3所示：

圖3 IR2110驅(qū)動(dòng)電路

3 晨關(guān)亮度判別電路

如圖4所示：

圖4 晨關(guān)亮度判別電路

太陽能電池的電壓信號(hào)通過R49送到U3A的負(fù)端，R21和R24組成可調(diào)的比較電壓，以判斷亮度。晨關(guān)電壓是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，通過大量數(shù)據(jù)的采樣和比對(duì)，100W的太陽能電池的晨關(guān)電壓為0.7V時(shí)，天剛亮，這個(gè)電壓值也作為晚上開燈的判斷電壓。

4 控制器的主控軟件設(shè)計(jì)

控制器的主控軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖5所示：

圖5 主控軟件的整體程序流程圖

5 最大功率跟蹤電路的設(shè)計(jì)

5.1 最大功率跟蹤電路的硬件設(shè)計(jì)

如圖6所示：

圖6 最大功率跟蹤電路

單片機(jī)通過采樣到的太陽能電池的電壓、蓄電池的電壓以及RS上的壓降，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過設(shè)置的MPPT數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果去調(diào)整單片機(jī)PCA模塊中脈沖的占空比，此脈沖通過驅(qū)動(dòng)器IR2110驅(qū)動(dòng)BUCK電路中的開關(guān)元件 Q3，通過調(diào)整 Q3的開通和關(guān)閉時(shí)間，使太陽能電池的輸出電壓始終工作在最大功率點(diǎn)附近，使整個(gè)充電系統(tǒng)達(dá)到最高效率。

5.2 最大功率跟蹤部分的軟件設(shè)計(jì)

最大功率跟蹤程序的流程圖，如圖7所示：

圖7 最大功率跟蹤程序流程圖

6 時(shí)控和光控電路的設(shè)計(jì)

6.1 時(shí)控和光控電路的硬件設(shè)計(jì)

主燈的工作時(shí)間分成兩個(gè)時(shí)段，第一時(shí)段是天黑后所需開著的時(shí)長，第二時(shí)段是天亮前所需開著的時(shí)長，為主燈實(shí)現(xiàn)的光控及時(shí)控功能，時(shí)長由人工通過撥碼開關(guān)設(shè)定；輔燈則遵守光控功能，即天黑就開、天亮就關(guān)。電路設(shè)設(shè)計(jì)，如圖8所示：

圖8 時(shí)控和光控電路

6.2 時(shí)控和光控部分的軟件設(shè)計(jì)

時(shí)控和光控的程序流程圖，如圖9所示。

圖9 時(shí)控和光控的程序流程圖

此外，本控制器還有過充保護(hù)、過放保護(hù)、抗干擾等模塊的軟件。

7 控制器的保護(hù)系統(tǒng)[4]

在控制器設(shè)計(jì)中，還設(shè)有蓄電池的過充及過放、蓄電池及太陽能電池的防反接、負(fù)載的防短路、太陽能路燈系統(tǒng)防雷電、抗干擾等保護(hù)措施。

8 總結(jié)

TJ-0616智能型太陽能路燈控制器從設(shè)計(jì)、試制、改進(jìn)到批量生產(chǎn)，已完成了科研產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化路程，通過幾年的使用，已獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，已有幾萬套投放市場(chǎng)，是一個(gè)成熟的商品。該產(chǎn)品在市場(chǎng)上有如下亮點(diǎn)：MPPT性能可靠，使的控制器的充電轉(zhuǎn)換效率比常規(guī)控制器高出20%，大大降低了太陽能路燈的成本；智能化的光控、時(shí)控及主輔燈的搭配使用，使太陽能路燈系統(tǒng)的效率大大提高；抗干擾性能的提高，提高了太陽能路燈的可靠性。

[1] 沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005:144.

[2] 王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M ]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2009:117.

[3] 羅方林.羅氏變換器新型DC/DC升壓型（Boost）變換器電路系列[J].電源技術(shù)應(yīng)用 1998,4（1）:30-39.

[4] 沙占友.新型單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)[M ]. 北京：電子工業(yè)出版社,2004: 264-277,292-322.

[5] 吳昊,李銳華.一種智能型太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電一體化,2012,18(3)：61-64.

The Intelligent Design of Solar Street Lamp Controller

Su Beibei1, Li Jianhong2
(1. Institute of Electrical Engineering, Wuxi technology and professional college, Wuxi 214028, China; 2. Ningxia hengneng Solar Energy CO., LTD, Wuzhong751100, China)

An intelligent controller used in solar street lamp systems is introduced in this paper. The main function of this is to store the electricity generated by solar battery in the daytime into the accumulator and supply to light source for illumination at night. In the controller, an 8-bit microcontroller with A / D converter register and PWM output is added among the solar cells, batteries and light source. By a certain algorithm, the time control, light-dependent control and season’s quarterly control to the light source is achieved, along with the maximum power tracking technique accomplished by PWM modulation during charging. In the controller design, safeguard procedures have been made to protect battery overcharge and over-discharge, accumulator and solar cells’ reverse or short circuit in loading as well as thunder prevention and anti-interference in solar street light system.

A/D Converter; PWM Modulation; Time Control; Light-Dependent Control; Maximum Power Tracking

TP273

A

2014.11.11）

1007-757X(2014)12-0042-03

蘇蓓蓓（1980-）女，江蘇無錫，無錫科技職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，碩士研究所，研究方向：智能控制，無錫，214028

李健竑（1948-）男，浙江金華，寧夏恒能太陽能有限公司，吳忠，751100