发布时间：2018/9/6 8:49:51 来源：本站
太阳能作为一种新型能源，以其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点，已经得到了广泛的应用。太阳能路灯就是典型的太阳能产品，具有白天充电、晚上使用，无需铺设复杂、昂贵的管线，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染等优点。在使用这种新型能源路灯系统的同时，人们也在考虑如何更高效地利用这些能源，提高充电效率，延长太阳能系统的使用寿命等问题，而这主要受到太阳能控制器性能的影响。太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分，主要完成对蓄电池的充、放电和路灯的开、关控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行及时和有效地保护。
太阳能路灯控制器的主要作用是对蓄电池的充、放电以及负载输出进行控制，当达到过充点时，切断太阳能电池板与蓄电池的连接；达到过放点时，切断蓄电池与负载的连接，从而达到对蓄电池的保护作用。充、放电及负载开、关过程采用光控自动开关，无需人工操作，工作稳定可靠，节省电力资源，免维护，太阳能路灯的实用性已经得到人们的充分认可，只需将控制器接入系统即可完成所有操作，完全由单片机进行智能控制。基于P89LPC915单片机的太阳能路灯控制器的设计对12V和24V蓄电池和太阳能光电板可自动识别，可实现对蓄电池的科学管理，可通过相应指示灯随时监测蓄电池过充、欠压等运行状态，具有两路负载输出，可以随意设置为同时点亮，分时点亮以及单独定时等工作模式，同时具有负载过流，短路保护功能，具有较高的自动化和智能化水平。
控制器系统总体结构如图1所示，该系统以飞利浦公司的P89LPC915单片机为核心。外围电路主要由单片机工作基准电压供给电路、电压采集电路、充电控制电路和负载输出控制与检测电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于对12V和24V蓄电池和太阳能光电板的自动识别、太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。
图1 系统总体结构框图
控制器的核心控制芯片采用飞利浦公司的P89LPC915单片机。P89LPC915是一款低成本的14脚单片微控制器。它采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。P89LPC915集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
该芯片的主要特性有：2kB字节可擦除的Flash程序存储器，具有256字节的扇区和16字节的页；单字节擦除功能使得任何字节可用作非易失性数据存储器；256字节RAM数据存储器；2个16位定时/计数器，定时器0可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出；23位的系统定时器，可用作实时时钟；4输入8位A/D转换器，1个DAC输出；2个模拟比较器，可选择参考源；增强型UART；具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能；选择高精度的内部RC振荡器时不需要外接振荡器件；可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节；VDD操作电压范围为2.4～3.6V； I/O 口可承受 5V （可上拉或驱动到 5.5V）。
选用该芯片的主要原因之一是由于其内部有4输入8位A/D转换器，可直接对模拟量进行采集，不需再外接模数转换器芯片，可以节省成本并简化电路。
图2 单片机工作基准电压供给电路
如图2所示，电路系统采用三端可调节输出正电压稳压器LM317T为单片机提供基准工作电压，输出端OUT端的电压计算公式为： Vout＝1.25× （1＋R2/R1）。 根据此公式由电路给出的电阻参数计算得出的基准电压值VCC＝3.125V，符合 2.4～3.6V 的 VDD 操作电压范围。
如图3，电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳光线强弱的识别 （暨提供控制器对负载实现自动开关功能）以及蓄电池电压的获取。太阳能电池板有两个作用：一是给蓄电池充电；二是作为光敏元件，可以判断天黑还是天亮，能使太阳能路灯具备天黑时灯自动点亮和天亮时灯自动熄灭的功能。充电控制电路的作用是对蓄电池的充、放电进行控制，当达到过充点时，切断太阳能电池板与蓄电池的连接；达到过放点时，切断蓄电池与负载的连接，从而达到对蓄电池的保护作用。控制器采用了光电耦合方式对蓄电池的充、放电进行控制。
图3 电压采集、充电控制电路
单片机包含一个8位、4路逐次逼近式模数转换器，这样可以不用再外接模数转换器，直接利用芯片的P0.2、P0.3口就可以对电压模拟量进行采样，控制器正是利用了此芯片的这种特性，大大简化了外围电路并且节省了成本。图3中J1、J3分别接太阳能电池板和蓄电池的正极，当P0.3口检测到太阳能电池板的电压大于14V并且P0.2口检测到蓄电池的电压小于13.4V时，便让P1.4口控制光电耦合器使得光耦导通，对蓄电池进行充电，否则光耦关断。在充电过程当中，为了保证充电效率，当P0.3口检测到太阳能光电板的电压小于14V时，便会自动切断充电口，当满足要求后再自动接通充电。控制器有蓄电池充满自动停止充电功能，当P0.2口检测到蓄电池电压大于14.8V时，便会切断光电耦合器，使得太阳能光电板跟蓄电池分离，停止充电。有效地保护了蓄电池，延长了蓄电池的使用寿命。
图4 双路负载输出驱动电路
蓄电池为外接负载提供电源，控制器系双路负载输出。图4为双路负载输出驱动电路，驱动电路的开和关由单片机的P0.4口和P0.5口控制。当检测电路检测到蓄电池的电压大于12.4V时，即可驱动P0.4口、P0.5口为负载供电，为了有效地保护蓄电池，当检测到蓄电池的电压小于 10.8V时， 单片机就要立刻控制 P0.4口跟 P0.5口停止给负载供电。
如图3所示，为了便于监测和检修太阳能路灯充放电控制系统，设计了工作状态指示电路。
（1）LED2过充过放，蓄电池过放时该发光二极管闪亮、过充时则长亮。
（2）LED3运行充电，当蓄电池接入系统后即开始工作，此时该发光二极管闪亮，当系统进入正常充电状态时，则长亮。
（3）LED1负载输出，当负载有输出时，则该灯长亮。
（1）在单片机工作基准电压供给电路中，应采用快恢复二极管来防止太阳能电池板反接，系统采用超快速整流二极管MUR1660，这种二极管具有大电流承受能力、导通内阻小、正向压降低等特点，充电时发热量小，不用散热器也可以连续充电，充电效果好。
（2）采用双层PCB板布线方式，尤其对放大电路要精心布置，数字地和模拟地分开。
（3）在进行试验时，要按照先接蓄电池、再接负载，最后接太阳能光电板的顺序把各部件接入控制器。
（1）系统采用较少的子程序实现了诸多功能，如12V、24V蓄电池和太阳能光电板自动识别，充、放电自动检测，过充、过放自动保护等。
（2）环境光线 （闪电、 礼花燃放等）对太阳能电池板的采样电压有较大影响，故在黎明、黄昏的识别时，要用程序控制进行延时。
与硬件电路设计对应的软件程序包括：主程序、A/D转换子程序、充电管理子程序、负载管理子程序、工作状态显示子程序。单片机的软件编程以Keil编译器的Windows集成开发环境Uvision2作为开发平台，采用C51高级语言编写。Uvision2是Keil公司关于8051系列MCU的开发工具，可以用来编译C源码、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等。图5给出了系统自动检测蓄电池、太阳能光电板电压和自动充、放电过程子程序流程图。
图5 流程图
太阳能控制器是太阳能光伏路灯系统中最重要的组成部分，其性能的好坏直接影响着整个系统的可靠性、稳定性和工作效率，因此，对其硬件电路结构的设计和软件的编制显得尤为重要。设计主要针对小功率离网光伏系统，吸收了许多重要的理论，在总结大量的实践经验基础上设计出了一种性能优良、工作可靠、体积小巧的智能型控制器，实现了真正的全自动化智能控制，只需将控制器接入太阳能路灯系统，整个系统便能自动工作，无需任何人工操作和维护。设计的太阳能路灯控制器适用于12V或24V的太阳能光伏系统，着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效、安全管理的问题，提高了太阳能电池板的使用效率，延长了蓄电池的使用寿命。
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