基于ATmega88PA智能太陽路燈控制器的設計

余振標　普清民　鐘雄旭

針對目前太陽能充電控制器的用戶設置不便，以及對蓄電池的保護不夠充分而是蓄電池壽命縮短的情況，設計了以AVR單片機為核心的太陽能路燈控制器硬件電路，并提供了系統軟件設計。本系統采用PWM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。

【關鍵詞】太陽能 控制器 單片機 PWM

當今世界資源的日漸緊張，太陽能作為一種用之不盡的綠色能源越來越受到人們的重視。隨著太陽能電池、大功率LED等器件制造技術的進步，太陽能的利用越來越普遍；其中太陽能LED路燈是最典型和廣泛的應用之一。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。

針對目前市面上常見的一些的控制器使用不合適的充放電控制方式易導致蓄電池損壞，出于成本的考慮缺少對蓄電池保護的措施，使系統使用壽命降低；同時操作界面設計過于簡單，如指示燈、單個數碼管等，用戶操作設置較為麻煩。本文設計一款以AVR單片機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充電法對蓄電池充電，提高充電效率，電路并具有過充、過放保護，最大限度延長蓄電池的使用壽命；同時，在降低成本的基礎上優化用戶的操作界面。

1 系統設計

太陽能路燈控制系統主要由太陽能電池板、控制器、閥控蓄電池和LED路燈構成，如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 核心控制器件的選擇

使用單片機可使充電工作做得簡單而效率又高。在能滿足太陽能控制器功能要求的前提下，其核心控制器件盡可能選擇性能可靠、成本地的器件。本文選擇了Atmel公司的ATmega88PA單片機，該芯片先進的RISC結構，是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它具有片內PWM信號發生器、10位AD轉換器、可編程EEPROM等外設；該芯片仍然在量產，價格較低，非常適合用于性價比較高的太陽能控制器當中。

2.2 輸入輸出電路

本控制器顯示沿用了同類大部分控制器共同特點：三個發光二極管分別指示太陽能電池、蓄電池、負載的工作狀態，數碼管顯示設置工作模式。數碼管則采用了一位半數碼管，即顯示“18”字形。該種數碼管的引腳分布與一位數碼管一樣，稍不一樣的是左邊半位“1”字形的控制引腳就是對應了普通一位數碼管的小數點的控制引腳，因此一位半數碼管可以采用靜態方式驅動，即保證了數碼管工作時的亮度，又使控制程序簡化。同時，ATmega88PA單片機的IO端口能輸出20mA的電流，可以直接驅動數碼管，不需要另加串并轉換驅動芯片，如74HC164、74HC595等串并轉換驅動芯片，節省成本。輸入電路采用兩個按鍵，一個用于功能選擇，一個是用于參數調整，比起市面常見的一個按鍵操作方便。

2.3 充電控制電路

太陽能控制器的充電線路有并聯和串聯兩種類型，由于并聯型控制器的電子開關器件與太陽能板并聯，當充滿電后它會對太陽能板輸出端短路，影響了太陽能板的使用壽命；為此，本文選擇串聯方式，電路見圖2所示。保險管F1與場效應管T1、T2器件構成了太陽能板對蓄電池的充電回路，其中場效應管T1是開關器件，T2是充電控制器件。T1與T2的特殊連接方法使得電路具有防反充和防太陽能電池反接的保護功能，與一般的充電回路有防反充二極管的電路相比，由于沒有二極管的損耗，較好地提升了控制器的效率。為了進一步提高控制器的效率，T1、T2選用IRF3205，該開關管的導通溝道電阻低達8毫歐，使得其工作時損耗很少。

電路中的RVl為壓敏電阻，它能吸收雷電經太陽能板和引線進入控制器的閃壓。R1、R2、R12、R28、D5組成太陽能板電壓檢測電路，在ADC1處采樣到的測量值送入單片機模數轉換輸入引腳；用于控制太陽能板工作指示燈和啟停路燈。F1和D3構成了蓄電池防反接保護電路，當蓄電池接反時，F1能快速熔斷，保護控制器和負載不損壞。

2.4 放電控制電路

圖3中的T3、Q4、D6、R14、R15、R16和RS1構成了放電回路，R10、R11、R12構成了蓄電池電壓檢測電路。當ADC2處檢測到蓄電池電壓高于11V時，單片機輸出CON2控制信號使負載接通供電，同時負載指示燈點亮，反之不切斷供電，指示燈熄滅；RS1用于檢測負載過載或短路，ADC3處信號送至放大器調理后接入單片機模數轉換輸入引腳，當過載或短路時，立刻切斷蓄電池供電，同時指示燈閃爍。

圖3中的D4、D5、C1、C2、R13、Q3把電池輸入的電源穩定在約10V，這個電壓再通過78L05的穩壓電路產生5V電壓給單片機使用。

2.5 溫度補償電路

太陽能電池板對蓄電池的充電分為直充、浮充和涓流充電三個階段，每一個階段都有一個充放電電壓點。蓄電池的這些電壓點是會隨溫度變化而改變的，因此，設計電路時，必須對蓄電池的充放電電壓設定點做溫度修正補償。蓄電池電壓與溫度呈負溫度特性的關系，根據國家標準，單節（2V） 鉛酸電池的溫度補償系數是3mV/℃～7mV/℃之間，本文電路補償系數為25mV/℃。

利用負溫度系數熱敏電阻與固定阻值電阻串聯構成溫度補償電路，電路見圖4所示。通過不斷檢測其兩端電壓值，來判斷當前的環境溫度，從而確定當前狀態下蓄電池的過充點保護電壓、恢復電壓和浮充電壓。在程序設計中通過查表程序來實現這一功能。本系統在25℃時過充點保護電壓、恢復電壓和浮充電壓分別為14.4V、13.0V和13.8V。

3 系統軟件設計

本設計方案的硬件電路對應的軟件程序包括：主程序、定時中斷程序、A/D轉換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負載管理子程序等。

對太陽能充電控制器系統軟件的設計思路介紹如下：

（1）首先完成系統初始化，完成初始化后，再打開終端。

（2）Atmega48 微控制器通過對太陽能極板的兩端電壓檢測和分析來區分白天和黑夜。如果是白天，則運行白天的處理程序；如果是黑夜，則運行黑夜的處理程序。

（3）進行白天程序處理時，Atmega48微控制器通過對蓄電池電壓的檢測和分析，來決定太陽能極板是否對蓄電池進行充電（充電采用 PWM 控制方式）。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。

（4）進行黑天程序處理時，Atmega48微控制器通過對蓄電池電壓的檢測和分析，來決定蓄電池是否對負載進行供電；負載控制子程序根據設置情況確定負載的工作方式，同時，在供電時檢測是否有過載或短路，有則立刻切斷輸出。

程序流程圖見圖5所示。

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。

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作者單位

中山職業技術學院 廣東省中山市 520804endprint