基于單片機(jī)的太陽能路燈市電互補(bǔ)逆變光伏

摘要：設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的公園景觀路燈太陽能光伏控制器，以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈進(jìn)行太陽能和普通市電自動(dòng)雙路切換供電的功能。其中逆變器具備電路過流和過載保護(hù)功能，并可以根據(jù)負(fù)載變化選擇供電模式。
關(guān)鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；逆變器：?jiǎn)纹瑱C(jī)；蓄電池

0 前言
    太陽能的利用在目前能源越來越緊張的情況下已經(jīng)是迫在眉睫的任務(wù)，而如何做到在成本控制的前提下實(shí)現(xiàn)太陽能的高效利用則是很多太陽能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的宗旨。本項(xiàng)目是針對(duì)戶外和公園里普遍使用的路燈實(shí)現(xiàn)太陽能光伏控制，利用單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈太陽能供電和市電供電兩種方式，既能解決路燈的能耗問題，又實(shí)現(xiàn)了在光照不足的情況下由普通220V市電保障路燈的正常供電。

1 太陽能路燈光伏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    圖1是本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)框圖，核心是單片機(jī)，主要組成部分是：太陽能電池控制電路、蓄電池充放電電路、逆變電路、單片機(jī)控制電路。

    在本控制系統(tǒng)中，通過單片機(jī)對(duì)TL494脈寬調(diào)制(PWM)電路輸出的控制，改變PWM占空比從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路輸出電壓的調(diào)節(jié)。當(dāng)太陽能電池板正常工作時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，負(fù)載工作所需電壓由蓄電池輸出經(jīng)逆變后得到，若外界光照不足而蓄電池充電電壓低于設(shè)定低值時(shí)，控制器直接接通220V交流電供負(fù)載使用，確保在任何情況下都不會(huì)出現(xiàn)路燈不亮的情況。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    在本控制器中，硬件電路設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，主要包括四個(gè)部分：太陽能電池板控制電路設(shè)計(jì)；蓄電池檢測(cè)電路設(shè)計(jì)；逆變電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)。
2．1 太陽能電池板控制電路
    太陽能電池板控制電路是實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈太陽能供電的核心，當(dāng)有光照時(shí)通過太陽能電池板實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電，在蓄電池可工作的情況下，路燈的照明由蓄電池提供。

2．2 蓄電池檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    蓄電池在太陽能電池板工作的情況下由電池板提供充電，當(dāng)路燈需要點(diǎn)亮?xí)r，蓄電池的直流電經(jīng)過逆變器逆變后變?yōu)樨?fù)載所需的等量交流電供負(fù)載使用。每組蓄電池的供電電壓為12V，根據(jù)路燈功率的大小可有多組蓄電池組成，蓄電池之間采用串聯(lián)的方式。充電控制電路具備電池電壓檢測(cè)功能，當(dāng)蓄電池組電池電壓低于預(yù)定值時(shí)，由太陽能電池板開始對(duì)蓄電池充電，當(dāng)充電飽和后實(shí)現(xiàn)恒壓恒流維持蓄電池的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載需要供電時(shí)，蓄電池形成的直流電經(jīng)過逆變電路逆變后變?yōu)榻涣麟姽┴?fù)載使用。

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2．3 逆變電路設(shè)計(jì)
    逆變電路是把直流電再逆變成各種頻率的交流電，具有高效清潔的特點(diǎn)。在本項(xiàng)目中逆變電路主要是把蓄電池傳送過來的直流電逆變成負(fù)載所需的交流電，采用的是半橋逆變方式，所使用的逆變電路開關(guān)器件為IRF3205 MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)逆變電路的控制方式是PWM技術(shù)，PWM調(diào)制波由TL494專用正弦波脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生。

2．4 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
    單片機(jī)是整個(gè)控制器的核心，主要用于對(duì)太陽能電池板控制電路的管理，對(duì)蓄電池充放電路的控制，產(chǎn)生逆變器件所需的PWM調(diào)制波，同時(shí)還承擔(dān)了對(duì)蓄電池的狀態(tài)檢測(cè)，以及對(duì)電路中出現(xiàn)的過流、過載實(shí)現(xiàn)保護(hù)，另外還具備聲光報(bào)警功能，圖5是單片機(jī)控制電路部分原理圖。本控制器中所使用的單片機(jī)為三星公司生產(chǎn)的S3C9454系列單片機(jī)，該型單片機(jī)具有體積小，價(jià)格便宜且功能全面的特點(diǎn)，比較適合大規(guī)模的產(chǎn)品生產(chǎn)使用。

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2．5 保護(hù)電路
    保護(hù)電路是在控制器出現(xiàn)負(fù)載短路或者過流時(shí)對(duì)電路進(jìn)行強(qiáng)制性限流的作用，在本控制器中當(dāng)蓄電池電壓低于10．5V或者輸出電流大于10A時(shí)電路進(jìn)入自保護(hù)狀態(tài)。圖6是保護(hù)電路的部分原理圖。

    在保護(hù)電路中需要對(duì)蓄電池電壓和輸出端電流進(jìn)行采樣比較，通過基準(zhǔn)值的設(shè)定到電壓低于設(shè)定要求時(shí)就自動(dòng)切換負(fù)載供電方式，由蓄電池供電改為外部市電供電，從而起到保護(hù)蓄電池的作用，另外，一旦負(fù)載出現(xiàn)短路過流現(xiàn)象，電路即進(jìn)入保護(hù)模式，切斷外部供電以免過流造成電路器件損壞。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件采用C語言設(shè)計(jì)，C語言具有應(yīng)用廣泛、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在軟件控制上主要是實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：
    (1)對(duì)PWM輸出的控制。利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)TLA94芯片輸出的PWM調(diào)制信號(hào)的控制，當(dāng)負(fù)載變化或者出現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)(220V OFF)關(guān)斷TL494輸出，切斷逆變電路輸入，保證逆變輸出電壓為零，由此要求在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)確保單片機(jī)一直采樣輸出端信號(hào)狀態(tài)。
    (2)對(duì)蓄電池電壓的檢測(cè)控制。蓄電池電壓正常工作值為12±1V，當(dāng)電池電壓低于11V時(shí)就要求電路立即停止蓄電池對(duì)負(fù)載輸出供電，否則將影響電池使用壽命，在系統(tǒng)中有專門的電池檢測(cè)電路，而單片機(jī)則一直對(duì)電池電壓檢測(cè)值進(jìn)行采樣，即電路中的Batter_Adin信號(hào)。一旦發(fā)現(xiàn)電壓偏低時(shí)由單片機(jī)輸出控制信號(hào)(RY1)及時(shí)切換繼電器1使得負(fù)載燈泡供電由電池轉(zhuǎn)為市電。
    (3)顯示及鍵盤輸入功能。在本系統(tǒng)中顯示功能分為兩個(gè)部分：一個(gè)是數(shù)碼管顯示，主要是用來顯示系統(tǒng)工作時(shí)間：另一個(gè)是LED顯示，LED的狀態(tài)變化代表了電路的工作狀態(tài)，其中綠燈代表正常運(yùn)行，紅燈代表故障。系統(tǒng)的顯示功能主要由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。另外，在電路中考慮到需要對(duì)電路進(jìn)行模式設(shè)定，因此增加了鍵盤輸入電路，在本控制器中有三個(gè)撥碼開關(guān)，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的三路遙控輸出。圖7是本控制器的主程序流程圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    系統(tǒng)測(cè)試主要是在負(fù)載連續(xù)工作的情況下對(duì)蓄電池電壓和電路過流保護(hù)狀態(tài)的檢查，在本控制器連接好太陽能電池板后，通過光電阻實(shí)現(xiàn)路燈開啟關(guān)閉的自動(dòng)切換，當(dāng)光照度低于設(shè)定點(diǎn)時(shí)路燈將自行開啟，如果光照度高于設(shè)定點(diǎn)時(shí)路燈也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。考慮到一些突發(fā)情況在系統(tǒng)中設(shè)置了手動(dòng)操作模式，如果出現(xiàn)短暫雷雨天氣當(dāng)光照度下降時(shí)通過人工操作防止路燈自動(dòng)開啟。
4．1 蓄電池放電保護(hù)測(cè)試
    蓄電池在對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)，其電池電壓將隨著放電時(shí)間不斷下降，當(dāng)電池電壓為10．5V時(shí)，控制器將切斷蓄電池對(duì)負(fù)載的供電，而改為外部市電220V供電，當(dāng)白天有光照時(shí)通過太陽能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，電壓回到12．5V時(shí)，控制器將自動(dòng)切斷市電供電重新改為蓄電池供電模式。
4．2 蓄電池過充保護(hù)測(cè)試
    當(dāng)太陽能電池板一直對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，如果電池電壓充電達(dá)到14．3V時(shí)，控制器關(guān)閉充電電路，而當(dāng)電壓下降到13．6V時(shí)，再次打開充電電路。
4．3 負(fù)載短路保護(hù)測(cè)試
    當(dāng)負(fù)載功率為大于50W時(shí)，控制器關(guān)閉負(fù)載，并且在延時(shí)10s后，能夠再次自動(dòng)打開負(fù)載，而對(duì)于30W的負(fù)載能夠正常工作(本控制器設(shè)計(jì)的負(fù)載額定功率為35W)。

5 結(jié)論
    本控制器最大的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了雙路供電的功能，避免了蓄電池電壓不足時(shí)路燈無法正常工作的情況，通過單片機(jī)的優(yōu)化控制，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。