太陽能光伏系統(tǒng)控制器

1.蓄電池過充電與過放電保護(hù)；

2.自動恢復(fù)放電功能；

3.防止蓄電池與太陽能電池反接功能。

電路參數(shù)：

1.最大充電電流（A）：≤5

2.最大放電電流（A）：≤5

3.蓄電池額定工作電壓（V）：12

4.太陽能電池額定輸出電壓（V）：18

5.太陽能電池最大開路電壓（V）：25

6.過充電電壓（V）：14.8

7.過放電電壓（V）：10.8

8.恢復(fù)供電電壓（V）：12.3

在氣候壓力日趨加大的今天，減少溫室氣體排放，提倡低碳生活方式已成為全球的共識。要實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)，除了通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等多種手段，盡量減少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提高人們的節(jié)能意識外，開發(fā)新能源的應(yīng)用是更重要的手段，其中太陽能光伏發(fā)電是主要的新能源之一。在業(yè)余條件下，讀者很容易利用太陽能電池自己制作一套太陽能光伏發(fā)電裝置，不但非常有趣，而且可以實(shí)現(xiàn)自己使用新能源的愿望。

業(yè)余制作的太陽能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時候用蓄電池把電能儲藏起來，需要用電時再使用蓄電池中儲藏的電能，要實(shí)現(xiàn)這一功能就需要一個太陽能光伏系統(tǒng)控制器，本文介紹一款用單片機(jī)電路設(shè)計制作的這種裝置。

硬件電路設(shè)計

本文介紹的太陽能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)使用額定輸出電壓為18V的太陽能電池板，配用12V蓄電池，太陽能電池板的功率和蓄電池的容量可根據(jù)實(shí)際需要確定，同時考慮到充電時間和用電時間的長短，進(jìn)行合理搭配，如額定輸出功率為10W的太陽能電池板配10Ah的蓄電池比較合適。

太陽能光伏系統(tǒng)控制器的電路見圖1。電路由單片機(jī)電路、充電控制電路、放電控制電路等部分組成。

一、單片機(jī)電路

IC1、R9、C3等組成單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，其中R9、C3為上電復(fù)位電路，IC使用PIC12F675，它雖然只有8只引腳，功能卻比較強(qiáng)大，引腳見圖2。

PIC12F675片內(nèi)含1KB的Flash只讀程序存儲器、64B數(shù)據(jù)存儲器RAM和128B的EEPROM，工作速度為0~20MHz，工作電壓為2~5.5V。有6個具有復(fù)用功能的I/O引腳GP0~GP5。

PIC12F675可以選擇外部或內(nèi)部振蕩器，這里使用了內(nèi)部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內(nèi)有一個帶有8 位可編程預(yù)分頻器的8 位定時器/計數(shù)器Timer0和一個帶有預(yù)分頻器的16 位定時器/ 計數(shù)器Timer1，一個看門狗定時器，4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個模擬比較器。

VT5、VT6等組成充電控制電路，當(dāng)PIC12F675的GP2腳輸出低電平時，VT5截止、VT6飽和導(dǎo)通，太陽能電池通過VD9、VT6給蓄電池充電。

VT1、VT2和VT3、VT4等分別組成兩路蓄電池放電控制電路，使用兩路負(fù)載可增加使用的靈活性，當(dāng)程序?qū)IC12F675的GP4、GP5腳采取不同的控制時可實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如GP4作常規(guī)控制，GP5增加夜燈控制功能，只有在天黑以后蓄電池才對外供電。GP4、GP5如果采用相同的控制功能，兩個輸出端也可以并聯(lián)使用。以第一路（負(fù)載1）為例，當(dāng)GP5輸出低電平時，蓄電池通過VD8、VT1向負(fù)載供電。

二、充放電控制器

本文介紹的控制器采用A/D轉(zhuǎn)換的方式測量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后將測試數(shù)據(jù)和已儲存的過充電電壓、過放電電壓、恢復(fù)供電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的控制。電路中R11、R12和R15、R16分別組成蓄電池和太陽能電池的電壓取樣電路，太陽能電池的電壓取樣電路在增加夜燈控制功能時使用。PIC12F675的GP0、GP1分別作兩個通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端。

A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的VDD，即5V作為參考電壓。

R10、VD5、C1、C2等組成單片機(jī)5V穩(wěn)壓電源。

VD7、保險絲FUSE組成防蓄電池反接電路，當(dāng)蓄電池接反時VD7導(dǎo)通，通過保險絲FUSE使蓄電池短路，燒斷保險絲，從而蓄電池斷路，起到保護(hù)電路和負(fù)載的作用。保險絲FUSE同時也起到過載保護(hù)作用。

VD9能防止太陽能電池板接反。

三、工作過程

接上太陽能電池板和蓄電池后，電路的工作情況如下（設(shè)蓄電池的電壓為U）：

充電工作情況：

當(dāng)U≤14.8V時GP2輸出低電平，太陽能電池對蓄電池充電；

當(dāng)U＞14.8V時GP2輸出高電平，蓄電池停止充電。

放電工作情況：

1.?當(dāng)U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5輸出低電平，蓄電池對負(fù)載放電。

2.?當(dāng)U≤10.8V時，GP4、GP5輸出高電平，蓄電池停止對負(fù)載放電。

3.?U隨著充電逐漸上升，當(dāng)U＞10.8V時，電路并不立刻恢復(fù)蓄電池的供電，否則會在很短的時間內(nèi)因電壓下降又停止供電，形成一種振蕩的供電狀態(tài)，即一會通一會斷，為了解決這一問題，設(shè)置了一個電壓的回差，當(dāng)蓄電池充電恢復(fù)到U＞12.3V時，GP4、GP5再輸出低電平恢復(fù)供電。

軟件設(shè)計

程序在MPLAB IDE編譯器中進(jìn)行編譯，使用匯編語言編寫。程序由主程序、定時中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、延時子程序、數(shù)值比較子程序等組成。

主程序主要用來進(jìn)行初始化，設(shè)置單片機(jī)的工作模式，將各種控制電壓值寫入有關(guān)存儲單元。

定時中斷服務(wù)子程序使用了定時器/計數(shù)器Timer0，Timer0使用內(nèi)部時鐘源，預(yù)分頻器采用256分頻。由于PIC12F675的內(nèi)部振蕩器振蕩頻率為4MHz，1個指令周期為4個時鐘周期，因此一個指令周期為1μs，經(jīng)256分頻后Timer0的8位計數(shù)器TMR0計數(shù)脈沖的周期為256μs，因此如果它的初始值取61，則計滿256個數(shù)的時間為256×（256－61）=49920（μs）≈50ms，即每過50ms產(chǎn)生一次中斷。程序中設(shè)置了一個計數(shù)變量N，每中斷1次計1個數(shù)，每計滿20個數(shù)時測量一下蓄電池的電壓，即每過1s測一下蓄電池的電壓，程序根據(jù)測量結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

PIC12F675有4通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，這里使用了AN0和AN1兩個通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果10位二進(jìn)制輸出到ADRESH和ADRESL寄存器中，輸出格式采用左對齊，即前8位存入ADRESH，后兩位存入ADRESL，如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為5V，能轉(zhuǎn)換的最大模擬電壓值就是5V，因此取樣電路要使用分壓電阻，當(dāng)輸入的模擬電壓值為5V時轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023=1111111111B，這時ADRESH=11111111B=FFH，ADRESL=11000000B=C0H。以蓄電池電壓取樣為例，當(dāng)其電壓為14.8V時，經(jīng)分壓后GP0輸入的模擬電壓為12.8×R12/（R11+R12）=12.8×2/（2+6.2）=3.61（V），對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023×3.61／5=739，程序中把每次檢測蓄電池電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換值同739比較大小，當(dāng)值大于739時即認(rèn)為充電結(jié)束。程序中要用到的蓄電池各種控制電壓值所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果見表1。

表1

名稱 電壓（V） A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 ADRESH ADRESL 過充電電壓14.8 739B8H C0H 過放電電壓 10.8 539 86H C0H 恢復(fù)供電電壓 12.3 614 99H80H

表2

序號元件名稱位號 型號規(guī)格 數(shù)量 1 單片機(jī) IC PIC12F6751 2 R10 金屬膜 1/4W 680Ω 1 3 R7、R8 金屬膜 1/8W 1kΩ 2 4 R1、R4、

R12、R16金屬膜 1/8W 2kΩ 4 5電阻器R11 金屬膜 1/8W 6.2kΩ 1 6R15 金屬膜 1/8W 6.8kΩ 1 7R2、R5、

R9、R13金屬膜 1/8W 10kΩ 4 8R3、R6、R14金屬膜 1/8W 20kΩ 3 9 電容器 C2 瓷片 0.1μF 1 10 電解電容器 C1100μF/16V1 11 C3 10μF/16V 1 12 二極管 VD1、VD2、VD6 10V穩(wěn)壓二極管 3 13 VD5 5V穩(wěn)壓二極管1 14 VD7 1N5401 1 15 VD8、VD9 SB560（5A60V） 2 16 發(fā)光二極管 VD3φ3 綠色 1 17 VD4 φ3 紅色1 18 三極管 VT2、VT4、VT5 2SC945 3 19 場效應(yīng)管 VT1、VT3、VT6IRF3205 3 20 集成電路插座 DIP8 1 21 保險絲 FUSE 5A1 22 電路板PCB板 1

制作與調(diào)試

先將目標(biāo)文件gfkzq.HEX寫入單片機(jī)PIC12F675，按圖4對有關(guān)配置位進(jìn)行設(shè)置，具體燒寫方法見《無線電》雜志以前的文章。控制器的印制電路圖見圖5，也可以使用萬能電路板進(jìn)行安裝。元器件的型號規(guī)格和數(shù)量見表2。

圖6是筆者制作的控制器實(shí)物（圖中只裝配了一路控制輸出）。調(diào)試時主要是測試電壓控制點(diǎn)是否準(zhǔn)確，只要調(diào)準(zhǔn)一個電壓控制點(diǎn)，其他幾個電壓控制點(diǎn)也就基本準(zhǔn)確了，這里選擇調(diào)節(jié)過充電電壓。由于控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)的5V工作電壓，因此5V穩(wěn)壓電源電壓的大小影響到控制電壓的精度，調(diào)試時用數(shù)字萬用表測量此電壓，誤差較大（超過±0.2V）時應(yīng)調(diào)換5V穩(wěn)壓二極管。

接下來在充電的過程中測量蓄電池的電壓，當(dāng)充電指示發(fā)光二極管由點(diǎn)亮到熄滅時的電壓即為過充電電壓，當(dāng)此值偏離14.8V較大時，可通過改變?nèi)与娮鑂11、R12的分壓比來調(diào)整，當(dāng)測量值大于14.8V時，減小R11或增加R12的阻值，調(diào)大分壓比；反之增加R11或減小R12的阻值，調(diào)小分壓比。使用時控制器輸出的是蓄電池的12V直流電源，當(dāng)用電器使用220V交流電源時，還要接入一個輸入電壓為DC12V的逆變器，逆變器的額定功率根據(jù)蓄電池的容量和使用要求確定。