基于STC12C5A16AD的太陽能與市電互補型路燈控制器設計

周福斌，何 沅，龐有超

（中國人民解放軍66389部隊，河南 鄭州 450000）

0 引 言

城市照明系統在營造城市宜居環境，為人們提供生活便利的同時，也消耗著大量的電力資源。有關資料顯示，路燈照明耗電量約占全國照明總耗電量的30%，而且能耗還在不斷增長。太陽能照明系統利用清潔無污染的太陽能供電，較好地緩解了城市照明能耗壓力[1]。但是傳統的太陽能路燈系統無法滿足人們對控制系統智能化的要求，不當的充電方式易影響蓄電池的使用壽命，連續的陰雨天也會使系統由于蓄電池儲能不足而停止工作[2]。本文設計的太陽能與市電互補型路燈控制器能有效解決上述問題，同時可適當減小太陽能電池和蓄電池的容量，降低開發利用太陽能的技術成本，使得系統更具可靠性和經濟性。

1 控制器總體設計

本設計以微控制器為核心，控制器各個部分的功能全部由微控制器來控制完成。利用微控制器自帶的A/D轉換器，實時采集太陽能電池和蓄電池兩端的電壓值，在微控制器內部自動進行計算與分析。根據蓄電池兩端的電壓值，自動識別12 V/24 V系統，進入相應的系統工作。進入系統后，根據太陽能電池兩端的電壓判定是白天還是夜晚，并進入相應的工作模式。白天，根據蓄電池兩端的電壓值計算脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比，由單片機的PWM端口作相應的輸出，驅動MOS管驅動電路控制MOS管的閉合與關斷，從而控制太陽能電池高效穩定地對蓄電池充電，并且自動進行過充保護。PWM充電方式符合蓄電池對于充電過程的要求，使蓄電池有較為充分的反應時間，能有效消除極化，減少析氣量，提高蓄電池的充電效率并延長蓄電池的使用壽命[3]。夜晚，根據蓄電池兩端的電壓判定蓄電池荷電狀態，確定蓄電池或者市電向LED負載供電。根據設定的工作模式，由單片機的I/O口驅動MOS管驅動電路控制MOS管的閉合與關斷，控制其向負載有條不紊的供電[4]。

為了提高太陽能照明系統工作的可靠性，供電的同時實時檢測負載電流。由單片機判斷是否過流過載，通過軟硬件相結合的方式相應地對其進行過載和短路保護。在充放電的過程中進行精準的溫度補償，以更好地吻合蓄電池的充放電特性，從而保護蓄電池，延長其使用壽命。另外，當蓄電池出現過放狀態、負載出現短路或過載狀況時，I/O口會控制蜂鳴器發聲示警并自動采取相應的控制。太陽能和市電互補型照明控制器原理如圖1所示。

圖1 太陽能和市電互補型路燈控制器原理

2 控制器主要硬件電路設計

2.1 微控制器的選擇

本設計以STC12C5A16AD單片機為核心，該單片機具有高速、低功耗以及超強抗干擾的特點，內部自帶兩路8位PWM和8路10位高速A/D轉換器，工作電壓為3.5～5.5 V，工作頻率為0～35 MHz，內部集成1 280字節隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）。設計中利用其自帶的PWM輸出功能實現直流斬波電路的控制，以實現PWM充電。利用通用I/O口控制MOS管的通斷實現太陽能與市電的切換供電，利用內部自帶的8路10位A/D轉換器完成系統控制過程中電壓與電流等參數的檢測。

2.2 檢測電路設計

檢測電路主要檢測的內容有太陽能電池和蓄電池兩端電壓、負載工作電流以及蓄電池溫度。電壓檢測采用分壓電阻網絡實現，電流檢測首先采樣串聯電阻兩端電壓，其次經放大器放大，最后經過單片機內部計算的方法實現[5,6]。本設計中，采樣電阻選用阻值為0.01 Ω，功率為3 W，精度為1%的精密電阻，運算放大器選用雙運放芯片LM258。設計中，為提高信號檢測的精度，外接基準電壓源TLV431，采樣過程中，電壓和電流采樣取100次的平均值作為結果。

溫度檢測采用半導體溫度傳感器DS18B20，每2 V的溫度補償為-5 mV/℃。DS18B20將地址線、數據線以及控制線合為一根雙向串行傳輸數據的信號線，單片機只需一個端口就能實現DS18B20的通信。它能直接將環境溫度轉換為數字信號，測量范圍為-55～125 ℃，精度可達0.062 5 ℃。此外，本設計選擇9位分辨率，溫度測量精度為0.5 ℃，轉換周期為93.7 ms,同時為了提高采樣進度，取5次平均值作為結果。

2.3 充電電路設計

充電電路中的開關元件選用PMOS IRF4905，它是高效可靠且應用范圍很廣的器件，采用堅固耐用著稱的HEXFET設計。先進的工藝技術制造使得其具有極低的導通阻抗，約為0.02 Ω，而且開關速度高。最大通態電流ID=74 A，條件溫度為25 ℃，MOS管柵極-源極電壓值UGS=-10 V[7]。同時，P溝道MOS管設計時能把太陽能電池和蓄電池電壓采樣電路的基準點選在同一個點上，從而提高系統運行的可靠性和穩定性。本設計電壓采樣的基準點選在蓄電池的負端，充電電路如圖2所示。

圖2 充電電路原理

圖2中，D6（MBR2050）是肖特基二極管，其正向導通電壓為0.3 V，最大導通電流可達20 A。在此處的作用是當蓄電池兩端電壓高于太陽能電池兩端電壓時，二極管處于截止狀態，以防止蓄電池向太陽能電池反向充電，損壞太陽能電池。D7是保護二極管，作用是防止蓄電池正負極反接。圖2中包含一個PMOS驅動電路，當P1.3為高電平時，D18導通，從而D20導通，此時太陽能正端經過R16、R11、D20和太陽能負端連成回路，從而PMOS管Q1的柵極-源極電壓為：

當太陽能電池兩端電壓USUN＞10 V時，UGS＜-8 V，此時Q1徹底導通，太陽能電池板向蓄電池充電。D12是15 V穩壓二極管，此處的作用是把Q1的UGS鉗位在-15 V，保護PMOS不被擊穿而燒毀。C28是濾波電容，在此處的作用是提高太陽能電池向蓄電池充電的穩定性。當P1.3為低電平時，Q1斷開，太陽能電池板停止向蓄電池充電。

2.4 放電電路設計

蓄電池和市電電源并聯向負載供電，放電電路如圖3所示，供電電路如圖4所示。

圖3 蓄電池放電電路原理

圖4 市電供電原理

單片機通過P3.6和P3.7控制MOS管Q2和Q3的通斷來實現蓄電池和市電供電的切換，由軟件控制，一路接通，另一路立刻切斷。當P3.7為低電平時，D13斷開，而D21導通，此時蓄電池正端經過R17、R19、D21以及蓄電池負端連成回路，PMOS管Q2的柵極-源極電壓為：

當蓄電池兩端電壓UBAT＞10 V時，UGS＜-8 V，Q2導通，蓄電池向負載供電。由于市電電源和蓄電池并聯向負載互補供電，須在Q2和Q3的D極中間接入D14，其作用是當市電向負載供電時，D14反向截止，防止因為Q3的導通使得Q2的D極電壓等于Q3的D極電壓而使Q2導通，導致供電異常。通過該設計，能夠保證在蓄電池電量充足時，由蓄電池中儲存的太陽能給負載供電，而當蓄電池電量不足時，由市電給負載供電。在保證能源供應不間斷的同時，減少市電消耗，達到節約能源的目的[8]。此外，R51是阻值為0.01 Ω，功率為3 W，精度為1%的精密電阻，作為負載電流的采樣電阻使用。

2.5 負載保護電路設計

負載保護電路的作用是防止蓄電池過放電、負載短路以及過載。短路保護通過自鎖電路實現，電路如圖5所示。

圖5 負載保護電路原理

采樣R51兩端的電壓后送至LM258的3腳，經過內部一個運算放大器放大后，由1腳輸出電壓并送至單片機的P1.0口。假設采樣R51得到電壓值為UC_Fuzai，則LM258的1腳輸出電壓值為：

當負載電流I=5 A時，R51兩端的電壓值為：

當負載電流為I=10 A時，UCout=2.1 V，不超過VCC，所以滿足要求。

當I＞10 A時，則LM258的I腳輸出電壓UCout＞2.1 V，A點的電壓是由UCout分壓得到，即：

B點電壓是由UVCC經過分壓得到的，是個恒定值，即：

LM258的另一個運算放大器用作比較器，當I＞10 A時，UA＞UB，此時LM258的U2out（7腳）通過比較輸出高電平。由于U2out經過D8和R65后與A點相連，此時UA被鎖住高電平不變，即U2out始終為高電平，那么D13和D17的2腳輸入始終為高電平，從而Q2和Q3將一直處于斷開狀態，以此實現硬件自保護。UNLOCK（P2.4）為解鎖端，當P2.4端置高時即解鎖，系統恢復正常工作。

3 太陽能充電控制器軟件設計

硬件電路設計完成后，軟件的配合必不可少。本設計首先根據檢測到的蓄電池電壓大小判定12 V/24 V系統，當蓄電池電壓UBAT＞18 V時，判定為24 V系統，否則為12 V系統。其次根據太陽能電池兩端的電壓判定白天和黑夜，USUN＞3 V，判定為白天，否則為黑夜。最后進入相應的工作模式，白天主要是充電控制，黑夜主要是放電控制。

3.1 白天工作模式

進入白天工作模式后，控制器立即斷開蓄電池和市電供電回路，以采集到的蓄電池兩端電壓作為條件進行具體操作。當蓄電池電壓低于充電切換點電壓13.1 V時，始終閉合充電開關，盡可能快地給蓄電池充電，補充電量，即PWM占空比為100。當蓄電池電壓達到充電切換點電壓13.1 V，又低于充電截止電壓14.1 V時，根據蓄電池兩端的電壓值，均勻調整PWM的占空比（從100%～0%）。當蓄電池電壓增加至14.1 V時，PWM占空比減為0%，蓄電池電壓降低后再進行充電。在充電后期進行的是浮充充電，以補充蓄電池自放電的電量。這樣的自動控制方式，目的是能使蓄電池達到較好的充電效果并盡可能保持或延長蓄電池的使用壽命[9]。以上是12 V系統工作流程，24 V系統的充電切換點電壓為26.2 V，充電截止電壓為28.2 V。

STC12C5A16AD單片機可以通過調節定時器T0的溢出率實現可調頻率的PWM輸出，本設計設定PWM周期T=256 ms，即頻率f=3.90 Hz。充電控制流程如圖6所示。

白天工作程序代碼如下，以12 V系統為例，battery_vb是UBAT進行溫度補償后的電壓值。

3.2 黑夜工作模式

進入黑夜工作模式后，先斷開充電回路，采集蓄電池兩端電壓，以蓄電池兩端電壓值作為下一步操作的條件。

當蓄電池兩端電壓UBAT＞11.2 V時，則由蓄電池向負載供電。檢測負載電流，如果負載電流在額定工作電流之內，則根據用戶選擇的工作模式進行相應的工作。若負載電流在1～1.5倍額定電流之內，則讓負載繼續工作60 s，之后斷開負載，同時程序延時1 h，再進入原循環進行檢測運行。若負載電流在1.5～2倍額定電流內，則負載繼續工作5 s，蜂鳴器報警以警示負載過流，同時程序延遲3 h后進入原循環進行檢測運行。若負載電流大于兩倍額定電流，則由自鎖保護電路硬件自鎖，斷開負載。這樣能保證蓄電池不過放，不過流，達到穩定可靠運行的目的[10]。

當蓄電池兩端電壓UBAT＜11.2 V時，則斷開蓄電池供電回路，接通市電供電回路，由市電向負載供電。同樣檢測負載電流，根據負載電流大小進入相應的工作流程。具體的工作流程如圖7所示，以12 V系統為例。

圖7 負載流程

黑夜工作程序代碼如下，以12 V系統為例，battery_vb是UBAT進行溫度補償后的電壓值。

4 結 論

設計了一種基于STC單片機的太陽能與市電互補型路燈控制器，實現了蓄電池高效穩定充放電，并提高了蓄電池的使用壽命。蓄電池和市電互補向負載供電，避免了連續陰雨天導致蓄電池儲能不足而停止工作的情況。通過實驗測試，系統各部分電路工作穩定，參數采集和控制準確，在實際應用中能有效降低城市照明能耗壓力，應用前景廣闊。