基于STC12C5A60AD智能太陽能路燈控制器的原理與實現

仝新建

(南京工業職業技術學院能源與電氣工程學院，江蘇南京210023)

基于STC12C5A60AD智能太陽能路燈控制器的原理與實現

仝新建

(南京工業職業技術學院能源與電氣工程學院，江蘇南京210023)

基于單片機為核心的智能控制器，設計了太陽能路燈控制器的硬件電路，并提供了系統軟件設計。本系統采用PWM三階段充電法及光控+時控的放電方式，有利于提高充電效率;同時該控制器具有過充、過放、過載、短路等保護措施，可以延長蓄電池使用壽命。

太陽能;控制器;單片機;PWM

引言

太陽能作為一種清潔、無污染、可再生能源得到越來越廣泛的應用。太陽能路燈是太陽能應用之一，無需敷設管線，安裝靈活，特別適應于電網難于到達的地方及偏遠的農村、海島等。

太陽能路燈實質上就是獨立的光伏發電系統，它由太陽能板、控制器、閥控式蓄電池、照明燈具四個部分組成。系統構成如圖1。白天太陽能板給蓄電池充電，夜晚蓄電池為負載提供電源，蓄電池既是負載又是電源。在太陽能路燈控制系統中，蓄電池壽命相對較低，如果沒有一個合理的充放電方式，蓄電池的壽命將大大縮短，從而影響整個系統的穩定運行，因此蓄電池的檢測與保護很關鍵。而蓄電池充電、放電都是在控制器的控制下完成的，它控制著蓄電池充放電方式，因此控制器是整個路燈系統的核心。本文以路燈控制器為研究對象，設計一款以微控制器為核心的智能路燈控制器，控制器按照蓄電池的充電規律，運用PWM三階段充電法對蓄電池充電，提高充電效率;同時具有過充、過放保護，最大限度延長蓄電池的使用壽命［1］。

圖1 太陽能系統構成

1 控制器硬件電路及工作原理

路燈控制器結構框圖如圖2所示，它由微控制器、電源電路、充電電路、放電電路、鍵盤顯示電路、電壓電流檢測、溫度補償、時鐘電路、保護電路組成。該控制器具有防雷、防反充、蓄電池防反接、負載過流、短路等保護措施，確保控制器能可靠工作。

圖2 太陽能路燈控制器結構

1.1 微控制器

微控制器是整個系統核心，STC12C5A60AD是宏晶公司生產的一款單時鐘、高速、低功耗、超強抗干擾單片機。片上資源豐富，內置1280字節RAM，2路PWM，8路高速10位A/D轉換。微控制器根據檢測太陽能板電壓、蓄電池電壓、環境溫度等參數，選擇合適的充電方式;放電時，由鍵盤選擇適當的模式點亮照明燈具。控制器配置時鐘芯片DS1302可實現控制器實時定時控制。

1．2 充電電路

充電電路用于太陽能電池對蓄電池充電。圖3為充電電路圖，電池板、蓄電池、開關配置成串聯形式，V1、V2選用場效應管IRF3710，場效應管具有開關速度快、導通電阻小特點，充電時線路壓降小，減少控制器發熱量，提高充電效率。V2僅起到開關作用，V1承擔充電方式的選擇。圖中由V3、V4、V5、V6、V8等組成的PWM驅動電路能大大減少場效應管開通、關斷時間，降低開關切換功耗。

圖3 充電電路

蓄電池的充電過程是:開機時關斷V1、V2，然后通過單片機輸出脈沖信號到V2柵極，不斷檢測蓄電池是否滿足開通條件。一旦判斷出A點電壓為零，此時太陽能電池板電壓高于蓄電池電壓，V1、V2開通，蓄電池充電。正常充電時，單片機輸出脈沖信號到V1柵極，不斷地檢測A點電壓，一旦判斷出A點電壓非零，此時太陽能電池板電壓低于蓄電池電壓，V1、V2關斷，蓄電池停止充電。

1．3 放電及保護電路

放電及保護電路如圖4所示。場效應管控制負載的接入與斷開，負載的過流、短路不僅對負載本身有損害而且對蓄電池也有損傷，縮短蓄電池的使用壽命，本電路有完善的保護措施。放大與比較電路U1選用LM358，采樣電阻R22將負載電流轉化為電壓信號，經U1A放大后送入單片機和U1B，當放電電流超過1.2倍額定電流30S時過載保護動作。短路時(大于額定電流3倍)單片機發出關斷指令，同時電壓比較器翻轉關斷場效應管V10，負載斷電得到保護。短路保護采用硬件加軟件的形式，具有反應速度快，同時能自動檢測短路狀態，無需手動操作，使負載恢復到正常的工作狀態［2，3］。

圖4 放電及保護電路圖

2 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，包括充電管理、放電管理、鍵盤顯示、溫度讀取、時間讀取、AD轉換等模塊程序［4］。

2．1 主程序流程圖

系統軟件的主要程序流程如圖5所示。

2．2 主要模塊程序設計

充電管理程序控制太陽能板對蓄電池充電。系統選用閥控式鉛酸蓄電池，根據閥控式鉛酸蓄電池充電特性，選擇智能三階段充電方式。不僅提高充電效率，而且能延長蓄電池的使用壽命。在每個階段設置合適的充電閥值，對相應的閥值進行溫度補償，并對過充點進行必要的保護。其流程圖如圖6［5］。

放電管理程序控制夜晚路燈開關時間，總的設計思路是光控+時控。天黑時點亮，深夜關閉，天亮前1小時再次點亮。這樣可節約電能，特別在連續陰雨天情況下，能夠延長照明天數，減小蓄電池的放電深度，保護蓄電池。放電管理流程圖如圖7。

3 實驗測試結果

采用兩塊輸出功率16W，最大輸出電壓22V的太陽能電池板，蓄電池選用12V/7Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池，通過控制器對蓄電池進行充電測試。表1為實測的蓄電池充電電壓。由于充電電流隨著

圖5 主程序流程圖

圖6 蓄電池充電流程圖

光照強度的變化而變化，單位時間內電壓上升的幅值也不一樣。圖8為浮充時PWM控制的波形圖。蓄電池充滿后轉入浮充狀態，調節PWM占空比，控制充電電流，使蓄電池電壓穩定在浮充電壓上。

表1 蓄電池充電時實測的端電壓

圖7 蓄電池放電流程圖

圖8 浮充時PWM波形

4 結束語

本文充分利用了單片機的軟硬件資源設計一款太陽能路燈控制器，實現對蓄電池充、放電的智能化管理。采用PWM充電方式及光控加時控的放電方式，提高了蓄電池的使用壽命。該控制器具有可靠的保護措施，但由于充電采用直充方式，影響充電效率，有待于進一步改善。

［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］何朝陽，戴君，吳立琴．基于STC12C5410AD的太陽能路燈控制器設計［J］．國外電子元器件，2007(3):27-30．

［3］朱珠，方榮惠，孫彪，張永昊．基于PIC16F676的太陽能控制器［J］．電子設計工程，2010．(2):40-42．

［4］王景景，閆春娟，陳琦．單片機原理及應用［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［5］閉金杰，羅小曙，楊日星，張露．基于AVR的太陽能控制器設計［J］．現代電子技術，2009，(10):167-169．

(責任編輯陳曉潤)

Theory and Realization of Solar Smart Road Lamp Controller based on STC12C5A60AD

TONG Xin-jian
(Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China)

This paper introduces the hardware circuit and software of the intelligent controller based on MCU．This system uses“threestage PWM charging”mode and“light and time control discharging”mode，which are of great benefits to high charging of efficiency．In addition，the controller has protection measures of overcharge，over discharge，overload and short circuit to extend the service life of battery．

solar energy;controller;MCU;PWM

TP399

A

1671-4644(2014)02-0020-04

2013-12-17

仝新建(1966-)，男，南京工業職業技術學院實驗師。