太陽能光伏照明控制系統的硬件電路項目設計方案(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 2 控制器的技術指標額定充電電流5A額定負載電流5A系統電壓12V過載、短路保護；；≥3倍額定電流短路動作保護空載損耗≤6mA充電回路壓降放電回路壓降超壓保護17V工作溫度35～+55℃提升充電電壓直充充電電壓浮充充電返回電壓溫度補償5mV/℃/2V欠壓電壓過放電壓過放返回電壓控制方式充電為PWM脈寬調制 控制器工作模式的設置（1）設置方法。按下開關設置按鈕持續5s，模式（MODE）顯示數字LED閃爍，松開按鈕，每按一次轉換一個數字，直到LED顯示的數字與表43中所選用的模式對應的數字即停止按鍵，等到LED數字不閃爍即完成設置。每按一次按鈕，LED數字點亮，可觀察到設置的值。（2）純光控方式。當沒有陽光時，光強降到啟動點，控制器延時10min確認啟動信號后，開通負載，負載開始工作；當沒有陽光時，光強升到啟動點，控制器延時10min確認關閉輸出信號后關閉輸出，負載停止工作。（3）光控開+延時關方式。啟動過程同前。當負載工作到設定的時間就關閉負載，時間設定見表46。（4）通用控制器方式。此方式僅取消光控、時控功能、輸出延時及相關的功能，保留其他所有功能。作為一般的通用控制器使用。（5）系統調試方式。系統調試方式和純光控模式相同，只取消了判斷光信號控制輸出的10min延時，保留其他所有功能。有光信號即接通負載，無光信號即關斷負載，可方便地檢查系統安裝的正確性。表4 3 控制器工作模式設置LED數碼01234模式測試4/OFF5/OFF6/OFF7/OFFLED數碼56789模式8/OFF9/OFF10/OFF純光控通用 控制器的硬件設計方案微控制器太陽能電池板電壓采集模塊蓄電池端電壓采集模塊負載電流檢測模塊溫度檢測PWM功率驅動充電驅動放電驅動輸出保護功率驅動鍵盤顯示模塊光伏照明控制系統通過微控制器對太陽電池板電壓、蓄電池端電壓、負載電流、環境溫度等參數進行采樣，通過軟件設置，實現符合蓄電池特性的放電率，溫度補償修正的高效、高準確率控制，并采用高效PWM模式對蓄電池充放電，保證蓄電池工作在最佳狀態，延長蓄電池的使用壽命。控制器具有防雷擊、蓄電池防反充、蓄電池防反接、過載、負載短路等保護措施，并且有充放電、蓄電池狀態、負載工作及各種故障的指示。[8]圖4 2 太陽能光伏照明控制系統控制器結構圖 控制器的電路設計 單片機的最小系統單片機是整個控制器的智能核心。該智能控制器，采用8位AVR微處理器ATmega48作用主控制芯片。ATmega48是基于AVR增強型RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，具有高性能、高保密性、低功耗等優點。程序存儲器和數據存儲器可獨立訪問的哈佛結構，代碼執行效率高。ATmega48處理器包含有4 KB片內可編程FLASH程序存儲器，256B的E2PROM和512B 的RAM，同時片內集成了看門狗，8路10位ADC，6路可編程PWM輸出，具有在線系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。ATmega48內部帶有8路10位ADC和六通道PWM，可以對太陽能光電池和蓄電池電壓進行精確采樣，并且實現高精度高效率PWM充電控制法。單片機最小系統如圖43所示。圖4 3 單片機的最小系統 圖中：J1是串行編程接口。，作為系統時鐘。VCC5V單片機的供電輸入。 電源模塊設計 根據控制器的設計要求，系統需要二種電壓類型，Power MOSFET驅動電壓和單片機的工作電壓為5V。1．Power MOSFET驅動電壓設計系統采用型號為IRF3205的Power MOSFET構成串聯式PWM充電主電路，并且作為控制器控制負載的開關。IRF3205具有極低的導通電阻，極高的開關頻率，175℃工作溫度，漏極最大電流110A。IRF3205的圖形符號如圖44所示：圖4 4 IRF3205圖形符號IRF3205主要參數為：VDSS = 55V，RDS(on) =，ID=110A。柵極G到源極S電壓VGS=20～+20V。當VGS=10V時，RDS(on)= mΩ。本系統蓄電池的額定電壓12V。所以直接將蓄電池的電壓作為Power MOSFET的驅動電壓。Atmega48單片機需要5V的供電，由于太陽能極板輸出電壓的不穩定，設計中采用電源管理芯片LM2931對太陽板電池輸出電壓進行穩壓后供給Atmega48單片機。電源電路如圖45所示。圖4 5 單片機電源電路 檢測電路的設計圖4 6 溫度檢測電路溫度的變化會影響蓄電池的性能，所以在控制太陽能極板對蓄電池的充電時，應進行適當的溫度補償，從而保護太陽能極板對蓄電池的充電，提高整個太陽能路燈系統的可靠性，這樣就必須設計有相應的溫度檢測電路。溫度的檢測有很多方法，一般采用熱敏元件，如熱敏電阻、熱電阻等測溫元件。熱敏電阻的工作原理：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而成非線性急劇變化，一般具有負的溫度系數，其阻值隨溫度升高而急劇減小，只有少數具有正的溫度系數。熱電阻的阻值隨溫度的升高而增大并且阻值隨溫度按照近似的線性關系緩慢變化。本論文利用負溫度系數的熱敏電阻在不同溫度下的電阻是不同的這個特性進行溫度補償。ATmega48有10位的逐次逼近型ADC，ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口的輸入電壓進行采樣。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定，ADC由AVCC引腳單獨提供電源，AVCC與VCC之間的偏差不超過177。，以及AVCC，都位于器件之內。如圖47中，在單片機的基準電壓源AREF兩端串聯熱敏電阻R11和電阻R12，單片機通過對R11和R12分壓點的采樣，從而對環境溫度進行判斷，并進行相應的溫度補償。基準電壓可以通過AREF引腳上加一個電容C5進行解耦，以便更好的抑制噪聲。溫度補償為5mV/℃/2V，即對于2V的蓄電池，其基準溫度為25℃，當溫度每下降一度，電壓補償為5mV，當溫度每上升一度，電壓補償為5mV。在圖46中，電阻R12的阻值選用51kΩ，則采樣點處的電壓：U=R12/(R11+R12)*UAREF (41)圖4 7 蓄電池電壓檢測電路在獨立的太陽能應用產品中，蓄電池是整個系統的重要組成部分，對蓄電池的保護也至關重要，所以電路中必須設計有蓄電池兩端電壓的檢測電路，來檢測蓄電池電壓的大小，從而控制器有效地工作。為了保證準確性，整個控制器的基準零電位點需用蓄電池的負極。如圖47所示，單片價的PC1口可作ADC輸入通道，故可以將采樣結果送至PC1處。在很多需要模數轉換的場合，為了提高AD的分辨率，往往都選擇較小的電壓作為基準源，特別是采樣一些電壓值較小的模擬信號，此時ATmega48內部的基準電壓（）無疑是最好的選擇。本控制器的模數轉換模塊（A/D），蓄電池采樣電路將采集到的信息送到AD轉換器，通過單片機的分析，判斷當前電池的工作狀態。這里采用1V的穩壓管工作，將此處的電壓限制在1V以下。由于蓄電池白天的充電，晚上的放電，導致蓄電池的兩端電壓也是在變化的，所以為了準確的檢測到任何時刻的蓄電池電壓，采樣處的電壓需要小于1V，否則會被穩壓管穩定在1V，這里電容C8的作用是濾波。設蓄電池的正端電壓為UBAT+，由圖47知采樣得到的電壓UBOUT為：UBOUT=R8/(R8+R6)*UBAT+ (42)系統通過對UBOUT電壓大小的判斷，可以實行控制器的充電控制。 本系統設計的是太陽能充電控制器，太陽能極板是唯一的供電來源，所以對太陽能極板的電壓的采樣成為本控制器的一個重要的環節，通過對太陽能極板兩端電壓的檢測不僅可以判斷出白天黑夜，更便于控制器發出是否對蓄電池充電的控制，提高對蓄電池的保護。太陽能極板電壓檢測電路如圖48所示：圖4 8 太陽能極板檢測電路 驅動模塊設計 本控制器的輸出驅動包括充電控制模塊和放電控制模塊。在充放電驅動模塊的設計中，采用了型號為IRF3205 的Power MOFFET作為了開關器件。[10]MOSFET是所有全控型電力電子器件中工作頻率最寬的一種，是電壓控制型器件，也就是MOSFET的柵源之間的電壓滿足一定的要求，就可控制它的開關。MOSFET的驅動電路必須具備2個功能：一是實現控制電路與被驅動MOSFET柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。由于MOSFET管的輸入特性不同于雙極器件，驅動它相當于驅動與一個容性阻抗網絡。MOSFET是電壓驅動器件，驅動電壓一般選在10V～15V之間較合適，為了保護柵極，通常在柵極對地接一個100K?左右的電阻。本控制器采用分立元件構成的MOSFET的驅動電路。 1. 充電模塊蓄電池優良的特性和長的使用壽命在一定程度上取決于正確的充放電，錯誤的充電使蓄電池壽命縮短、性能變差，因此合適的充電電流和選擇充電方法很重要。對蓄電池的充電方法很多，例如恒流，恒壓，階段充電等。在光伏發電系統中，太陽能電池的輸出特性與當時日照、太陽能電池表面溫度以及負載有關，且具有非線性特性，故蓄電池在充電過程中其端電壓也在不斷的變化。因此，為了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時還要最大限度地利用所發電能。本課題采用串聯PWM充電控制法設計太陽能路燈控制器。充電開頭管選用的是IRF3205。此管是N溝道的MOSFET管，具有小的導通電RDS(on)=，最大通態電流ID＝110A，開關速度快，具有很好的開關性能。MOSFET在VGS(th)，正向沒有導通，即由D極至S極沒有導通，但是VGS(th)=0時，ISD(max)=62A，即反向是導通的。充電控制模塊如圖49所示。Q14和Q15構成串聯PWM充電主回路。PB1和PB2分別聯結到單片機的對應引腳。 充電過程：單片機給出充電信號，即當PB2=0、PB1=1時，Q15的VGS=12V，Q15導通，Q14的VGS=0，Q14截止，但是反向導通，太陽能電池向蓄電池充電。當PB2=PB1=0/1時，太陽能電池不向蓄電池充電。圖4 9 串聯PWM充電電路2. 放電模塊當控制器檢測到天黑后，蓄電池給負載供電。此時，接通蓄電池和負載之間的開關管。對于此開關管的控制，采用了定期采樣蓄電池電壓的方法，保證蓄電池不會發生過放電，具體的過程由軟件來實現。如圖410所示：圖4 10 放電電路J5用于控制器與負載、蓄電池和光電池連接的連接器。R004用于檢測放電電流的電阻。PB0連接對應單片機的引腳。工作過程：PB0=1時，Q13的VGS=12V，Q13正向導通，將蓄電池的負端和負載的負端接通，此時蓄電池為負載提供電源，蓄電池放電。反之，蓄電池停止放電。 顯示模塊設計該顯示模塊選用8段共陰極數碼顯示。顯示的數值范圍是0～7和0.～7.。數碼管使用BCD碼譯碼器74HC4511驅動。BCD碼譯碼表如下表411所示。顯示模塊原理圖如圖411所示。圖4 11 顯示模塊電路表4 4 BCD譯碼表INPUTSOUTPUTSELBILTDCBAABCDEFG顯示XXLXXXXHHHHHHH8XLHXXXXLLLLLLLblankLHHLLLLHHHHHHH0LHHLLLHLHHLLLL1LHHLLHLHHLHHLH2LHHLLHHHHHHLLH3LHHLHLLLHHLLHH4LHHLHLHHLHHLHH5LHHLHHLLLHHHHH6LHHLHHHHHHLLLL7LHHHLLLHHHHHHH8LHHHLLHHHHLLHH9LHHHLHLLLLLLLLblankLHHHLHHLLLLLLLblankLHHHHLLLLLLLLLblankLHHHHLHLLLLLLLblankLHHHHHLLLLLLLLblankLHHHHHHLLLLLLLblankHHHXXXX**圖中：BL驅動器的使能端。BI譯碼輸出使能端。LT測試輸出使能端。左側A、B、C、D是BCD輸入。右側A～G譯碼輸出。 放大電路的設計，即使流過該電阻的電池是10A。電壓太低，對ADC的采樣精確有很大的影響。所示在對電流進行AD采樣前，必須對其進行放大。本研究課題所采用的放大電路如圖412所示：圖4 12 放大電路圖中：R24為反饋電阻。該放大電路的電壓增益A