基于單片機的微型太陽能電站低功耗系統設計

秦曉梅， 巢 明， 程春雨， 陳 景， 孫 鵬， 王開宇

(大連理工大學 電工電子國家級實驗教學示范中心； 電工電子國家級虛擬仿真實驗教學中心，遼寧 大連 116023)

0 引 言

能源是人類賴以生存的主要條件之一，人類社會的文明和經濟發展很大程度上是建立在化石能源開發利用的基礎之上。然而，到了21世紀的今天，由于化石能源在開采與使用過程中衍生的日益嚴峻的環境污染，以及不可再生的化石能源儲量的日益枯竭[1]，使綠色、清潔、環保、可持續性的能源愈加引起人們的廣泛關注，其中太陽能是最典型的可再生新能源[2]。太陽是萬物之母，能源之源，它具有取之不盡、用之不竭、清潔安全、綠色環保等特點。國家以往殺雞取卵、竭澤而漁的發展方式走到了盡頭，順應自然、保護生態的綠色發展昭示著未來。為深化教學改革，建設一流本科實踐教學，將實驗課程內容與社會熱點問題相結合設計實驗教學案例，提高學生對實踐教學的興趣，使高等教育更具時代意義，更是高校教師的使命感及社會責任感。

《單片機原理及實驗》是電類專業的必修課，該課是一門實踐性較強的綜合性實驗課程，融合了電路理論、計算機基礎、數字電路與系統、模擬電子技術、計算機原理、微機接口技術等相關知識，是電類專業課程教學的重要組成部分[3]。傳統的單片機實驗教學大都是基于實驗箱來模擬工程場景而設計教學案例，如交通燈控制、電梯運行控制、自動報時系統等，無法激發學生的學習興趣、調動學生的學習熱情，不利于學生動手能力、創新能力的培養。

為了更好地激發學生潛能，樹立學生的社會責任感， 培養學生的主人翁意識，中心結合當今社會熱點問題設計教學案例，向太陽要能源，基于單片機設計微型太陽能電站低功耗控制系統。當光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉換為電能。利用此電能對鉛酸電池進行充電，整個充電過程由單片機系統進行控制及顯示，從而實現智能充電；同時鉛酸電池還為其他負載進行供電，整個過程綠色環保，節能減排。實驗實施過程中，為了鍛煉學生，將實驗內容層次化、開放化，充分調動學生的主動性和能動性，切實有效地提高學生的動手和工程實踐能力[4-6]。

1 系統的總體架構

基于單片機的太陽能電站控制系統由18 V單晶硅太陽能電池板(也稱光伏傳感器)、6 V鉛酸蓄電池[7]、充電控制電路、單片機系統模塊電路、低壓差開關型穩壓器、多路A/D轉換模塊、12864顯示模塊、多路場效應管供電控制電路等環節構成，如圖1所示。

本系統由單片機為核心的主控板和具有一定功能的n塊負載板組成。總體架構如下：① 由單片機的主控器控制太陽能板對鉛酸電池的充電，以保證對全系統的供電：通過太陽能電池板將光能轉換為電能，為鉛酸電池充電。由單片機通過PWM信號控制場效應管，以控制充電電流的大小，通過多路AD轉換器分別采集鉛酸電池的電壓和太陽能板的輸出電壓，作為調節PWM信號占空比的判斷依據。② 根據需要由主控器實現對負載板電源的通/斷控制管理，以保證電池的正常使用：由多路場效應管(MOS管)構成多塊負載板供電控制電路。當電池電壓過低時由主控器發出指令，切斷負載板的供電電源，以進一步降低整個系統的功耗，保護電池不會因過度放電而損壞。

圖1 系統框圖

根據鉛酸電池的工作參數和太陽能板的輸出特性，合理的設計出PWM的函數方程，從而實現充電電路的智能輸出控制與管理，確保電池充電的高效率和安全性，如圖2所示。

圖2 PWM函數方程

通過顯示電路實時顯示太陽能板的輸出電壓、鉛酸電池的電壓以及對應的PWM信號的占空比。

2 單晶硅太陽能電池板

單晶硅太陽能電池板的光電轉換效率較高，通常為15%左右，最高達到24%，是目前所有太陽能電池中光電轉換效率最高的，采用透明度較高的防水環氧樹脂封裝成低鐵鋼化玻璃封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達15年，最高可達25年，工作溫度范圍在-40～90 ℃之間。本系統采用單晶硅太陽能電池板輸出最大功率為50 W，輸出峰值電壓為18 V。

3 充電管理控制電路

整個系統的關鍵環節在于對鉛酸電池的充電管理。充電管理控制電路由絕緣柵增強型P溝道場效應管IRF9540、光電耦合器、限流保護電阻等構成，如圖3所示。

圖3 充電管理控制電路

采用P溝道MOS管做開關的原因是其導通時內阻特別低，約為0.01 Ω，由于工作于PWM的開關狀態，所以自身功耗可以忽略。如果選用三極管做開關，導通時內阻要遠遠大于0.1 Ω，不適于低功耗系統設計。P溝道MOS管的特點是低電平導通，之所以采用P溝道，是因為在設計的電路中，高電平是太陽能電池板的電壓，該電壓是個變化量(18～0 V)，用其做控制電平不穩定，如果用低電平控制的話一定是穩定的。

系統采用的MOS管屬于絕緣柵型器件，是電壓控制型元件，輸入阻抗很高，接近于無窮大。當有人靠近或周圍有電磁場干擾時，很容易在柵極(即G極)累積一個電場的電壓，造成誤操作。因此設計電路時一定要加一個負偏電阻，阻值約為0.1～1 MΩ，這樣當沒有信號輸入時，始終是截止的。

用光電耦合器做場效應(MOS)管的驅動信號源，光電耦合器的輸入端接至單片機產生的PWM信號，PWM是占空比可調的方波信號。當PWM信號為高電平時，通過300 Ω的限流電阻驅動光耦內部的發光二極管亮，使得內部的光敏三極管導通，此時C、E結壓差為零，光耦的輸出為零，這樣使P溝道MOS管的柵極電壓為0 V，S極與D極導通，太陽能板向電池充電的回路導通；反之當PWM信號為低電平時，光耦的發光二極管不亮，內部的光敏三極管截止，此時光耦輸出為高電平，使P溝道MOS管的柵極電壓為高電平， S極與D極截止，充電的回路斷開。利用PWM信號占空比的變化改變電池充電電流變化，占空比越大充電電流就越大，反之占空比越小充電電流越小。

光耦作為MOS管的控制輸入端，理論上MOS管的反偏電阻和光耦的負載電阻用一個即可，但是經實驗證明，如果用0.1～1 MΩ電阻，光耦的輸出端的信號就變成了較為遲鈍的充放電波形，使MOS管進入線性狀態而發熱并消耗大量的能量。這種現象的原因是由于該電阻過大，當光敏三極管在導通到截止或截止到導通變化時因電阻太大造成分布電容上的電壓很難馬上釋放掉，其波形就不是正常的PWM信號了。因此用0.1 MΩ電阻就可以解決這個問題，而且對MOS管沒有任何影響，因為MOS管不取電流，只取電壓，只是當光耦輸出為低電平期間會消耗5 mA的電流，而帶來的益處則是能保證MOS管快速的導通與截止，避免其過熱并保證電路長期穩定的工作。

4 單片機模塊

該系統中單片機模塊所承擔的工作是：由單片機通過PWM信號控制場效應管，以控制充電電流的大小；通過多路AD轉換器分別采集鉛酸電池的電壓和太陽能板的輸出電壓，作為調節PWM信號占空比的判斷依據；驅動顯示器件顯示充電的狀態信息等。

本設計采用PIC18F452單片機作為主控器，其內部具有8路10位ADC通道，1個CCP模塊，自帶上電自動復位功能、WDT看門狗電路等[8]。單片機最小系統如圖4所示。

圖4 PIC18F452單片機最小系統

其中ADC電路，可根據需要設置為10位或8位轉換精度。既可以直接使用內部的VCC做轉換基準電源以簡化系統設計，也可以使用外接的“專用基準電源Uref”做輸入，以提高轉換精度。ADC模塊的轉換時鐘頻率可以通過編程來設置，可選由“系統時鐘”的分頻或“內部自帶RC振蕩器”兩種振蕩源作為轉換時鐘，當采用“內部自帶RC振蕩器”模式時，可在單片機處于“SLEEP”狀態下正常實現AD的轉換。

CCP模塊可以實現“輸入捕捉Capture”、“輸出比較Compare”和“脈寬調制PWM—Pulse Width Modulation”等功能。

設計有SLEEP模式，以滿足系統的低功耗設計要求。當系統執行SLEEP指令進入睡眠狀態后，系統時鐘fosc停振，單片機自身的工作電流可以降低到15 μA。睡眠狀態可由WDT(看門狗)或與系統時鐘無關的中斷喚醒。

5 系統低功耗設計

在太陽能電站控制系統的設計中，除了要考慮對電池充電的電流控制外，降低整個系統的功耗是非常重要的環節。若系統自身功耗過大，對鉛酸電池形成很大的供電負擔，特別是當太陽光減弱或消失后，整個系統將由鉛酸電池獨立供電，降低了系統工作的持續性，這種狀況的持續會造成電池過度放電，系統也會因電壓降低而停止工作，過低的電壓甚至會損壞電池。

在系統設計中除了采用低功耗元器件和單片機外，選用具備SLEEP技術的單片機是降低系統功耗的關鍵因素。系統正常工作時主控器板子的電流消耗為45 mA，其中單片機本身消耗電流35 mA。當進入SLEEP狀態時，自身的電流則由35 mA下降為微安級。

具體實現方案是系統設計中有一個低功耗的光敏傳感器模塊，當太陽光線消失且電池電壓低于6 V時，系統執行SLEEP命令，單片機時鐘系統停震，自身的電流由35 mA下降為μA級。主控器在進入SLEEP前通過主控器單片機的引腳輸出高電平(對應P溝道MOS管)將其供電全部切斷，使整個硬件系統(包括主控器和負載板電路)的功耗降為最低，使鉛酸電池的供電電流趨近于零，如圖5所示。當外界的陽光增強時，光敏電阻組件的INTx端會向主控器發出中斷申請，以喚醒睡眠狀態下的主控單片機，使整個系統恢復工作并向電池充電。負載板供電控制電路板如圖6所示。

圖5 系統的低功耗設計

光敏電阻測光模塊由光敏電阻、LM339比較器、電位器W等組成，如圖7所示。選擇一個適當的光線，調節電位器，使比較器處于一個接近反轉的狀態，即比較器的同相端(+)與反相端(-)的電壓近似相等。當環境光線繼續變亮時，光敏電阻的阻值變小，比較器的反相端(-)的電壓下降，這樣同相端的電壓高于反相端的電壓，比較器輸出一個高電平；反之如果環境光線變暗時，光敏電阻的阻值增加，反向端的電壓要高于同相端，因此比較器輸出零電平。將此信號送入單片機的中斷輸入引腳，借此可以用來查詢或引發單片機的中斷。LM339是OC門結構，因此要有一個10 kΩ左右的上拉電阻。

圖6 負載板供電控制電路板

圖7 光敏電阻測光電路

為了保證電池在安全的電壓范圍內工作，除了在充電狀態下利用PWM技術控制電池的充電電流，防止因過充電而損壞電池以外，在電池放電過程中也要對電池的電壓進行監測、控制。

當環境光線變暗，太陽能板失去為電池充電能力后，整個系統由電池獨立提供能源，此時系統對電池電壓進行檢測，如果電池電壓低于6.0 V時，則切斷負載板的供電并將主控器進入到SLEEP狀態，在這種情況下，單片機自身功耗電流降為十幾μA，加之所有的負載板斷電，使電池處于微供電狀態，有效防止電池因過度放電而損壞。

當環境光線逐漸變亮時，光敏電阻模塊會通過INTx信號產生中斷，喚醒處于SLEEP狀態下主控器并恢復所有負載板供電，整個系統被喚醒進入正常工作狀態。睡眠技術及中斷喚醒操作流程如圖8所示。

圖8 睡眠技術及中斷喚醒操作流程圖

6 實驗案例

這種基于社會熱點問題、從實際應用出發設計的教學案例，具有模塊化、層次化、多方案、工程化、綜合性的特點，如圖9所示。各個功能模塊都可以選用不同的電子元器件，采用不同的設計方案，學生可以根據自身的能力興趣選擇不同層次的方案來進行綜合設計性實驗[9-12]。

圖9 教學案例特點

該實驗案例經過2年的實施，深受學生喜愛，同時也吸引了很多(包括非電類的)學生在小學期的實驗室開放周中進行實踐。學生設計制作的基于單片機的微型太陽能電站低功耗控制系統實物如圖10所示，同時選出優秀的作品用于在實驗室展板中為其他系統板進行供電。

圖10 學生作品展示

7 結 語

為深化教學改革，建設一流本科實踐教學，將實驗課程結合社會熱點問題設計實驗教學案例，對學生的綜合設計能力、實踐動手能力以及創新能力都有了很大的提升[13-16]，同時也為后續的教學環節以及各類競賽積累了寶貴的經驗。

在系統功能方面，仍有許多地方值得進一步探索與提高，以訓練學生的綜合設計能力。如通過機械旋轉平臺實現太陽能板與陽光的自動跟蹤功能，進一步提高系統的充電效率等。中心將在實踐中繼續探索，進一步提高系統的實用性，全方位訓練學生的實踐能力及創新能力，提高教學質量。