太阳能路灯控制器.docx

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太阳能路灯控制器

滨江学院

毕业论文（设计）

题目太阳能路灯控制器

院系电子工程

专业电子科学与技术

学生XX沈援征

学号

指导教师赵静

职称讲师

二Ｏ一一年十二月八日

太阳能路灯控制器

改进型太阳能路灯控制器的研制

沈援征

XX信息工程大学滨江学院电子工程系

摘要：

太阳能路灯与普通路灯不同,它采用太阳电池作为唯一的供电电源。

但是针对目前太阳能充电控制器对蓄电池的保护不够充分，蓄电池的寿命缩短这种情况，研制了一种基于单片机的改进型太阳能路灯控制器，并对其硬件电路和软件设计进行了详细禅述。

Abstract:

Solarchargecontrollerforthecurrentprotectionofthebatteryisnotsufficient,toshortenthelifeofthebatterycase,

developedasinglechipbasedonanimprovedsolarstreetlampcontroller,andthehardwareandsoftwaredesignindetailZenstate.

关键词：

控制器；单片机；太阳能

Keywords:

eontroller;Single-chip;SolarEnergy

0引言

由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用太阳能路灯以其不用专人管理和控制,安装一次性投资无需日后电费开支,无需架设输电线路或挖沟铺设电缆,可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。

但是现有的太阳能照明系统存在效率低下，成本较高的缺点，这对太阳能照明系统提出了提高效率，降低成本的要求。

为了应对这种需求，本文设计了一种改进型的节能的太阳能路灯控制器。

控制器是太阳能能路灯照明系统的核心部件，它的功能的好坏直接影响着太阳能路灯的使用寿命。

针对目前市场上销售的太阳能路灯控制器在蓄电池的保护上不够充分，使用不合适的充放电控制方式易导致蓄电池损坏，使系统使用寿命降低的问题，为此2009年昌吉开关厂开始了改进型太阳能路灯控制器的研制，经过一年的研制，目前改进型太阳能路灯控制器已投入市场，实践证明改进型太阳能路灯控制器在使用寿命、节能效果方面较以前产品有明显改善。

太阳能路灯系统如图1所示，它由太阳能电池、DC-DC变换器、蓄电池、控制器及驱动电路及负载组成。

针对目前市场上控制器由于对于蓄电池的保护不够充分，改进型太阳能路灯控制器在设计时对充电方式采用了两阶段充电方式，即为保护蓄电池不过充，设定一恒压充电阀值，当蓄电池端电压未达到这一阀值时，太阳能电池工作在MPPT状态以脉冲方式对蓄电池充电;当蓄电池端电压达到设定的阀值时，采用浮充（恒定电压）模式对蓄电池充电，当蓄电池电压与浮充电压值相等时自动停充；为避免蓄电池给负载供电时导致深度放电，缩短蓄电池的使用寿命，改进型太阳能路灯控制器采用在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，保护蓄电池，提高其使用寿命。

图2为蓄电池充放电及路灯控制电路。

图2蓄电池充放电及路灯控制电路

1太阳能路灯控制器的主要设计要求和发展阶段

太阳能路灯控制器的技术和质量的主要要求有：

1）供电系统，根据太阳能路灯蓄电池板特性，要设计成恒流输出；2）过充，过放保护；3）具有系统功率调节功能；4）建立网络控制系统；5）根据市场要求，产品模块化。

太阳能路灯控制器的发展到目前为止已经经历了3个阶段：

第一代功能比较简陋，开关灯控制需要外接光敏感应器，定时时间不可设置，没有电池保护电路，系统寿命非常短暂，很快就被市场淘汰；第二代在第一代的基础上，设置了电池保护电路，通过太阳能路灯蓄电池组件搜集光敏数据，通过开关或程序设置定时，技术上有了阶跃式的发展，逐渐被市场接受；第三代路灯控制器在于多数商家采用了PWM充电控制功能，对蓄电池进行涓流充电，有效延长了电池寿命，降低了使用成本，从而进一步扩大市场占有率[1]。

一个好的控制器可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其可靠性。

自适应太阳能供电路灯需要开发第四代控制器，它的特点是具有自适应灯的功率调节功能，电量检测和剩余电量计算是必备的；同时具有组网功能，这样可以保持整条街的路灯亮度一致，并可以进行通讯。

2太阳能电池的最大功率跟踪技术

光伏阵列的输出特性具有非线性特性，并且其输出受光照强度，环境温度等因素的影响。

在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率（maximumpowerpoint,MPPT）。

因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途经就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近。

目前常用的太阳能最大功率点跟踪方法有扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等。

本文采用电导增量法实现最大功率点跟踪。

本系统采用电导增量法实现最大功率点跟踪控制。

电导增量法是MPPT控制常用算法之一。

通过光伏阵列P-U曲

线可知输出功率最大值Pmax处的斜率为零，所以有：

公式

（2）为达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，光伏阵列工作在最大功率点。

电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。

这种控制算法控制精确，响应速度快，适用于大气条件变化快的场合。

这种MPPT控制算法最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测法小。

3.控制器硬件设计

控制器系统总体结构如图2所示，该系统以Atmega48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，用于对太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。

Atmega48是基于AVRRISC、低功耗CMOS的8位单片机，芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，它具备AVR高档单片机的性能和特点，但由于其采用了小引脚封装，所以其价格仅与低档单片机相当。

3.1.电源电路设计

Atmega48单片机需要5V的供电，由于太阳能极板输出电压的不稳定，设计中采用电源管理芯片LM2931对太阳板电池输出电压进行稳压后供给Atmega48单片机。

电源电路

如图3所示。

3.2.采样电路

控制器中主要有三路采样信号:

太阳能电池输出电压、蓄电池端电压和蓄电池工作电流。

控制器电压采样信号经高阻值精密电阻分压得到，避免分压电阻流过的电流对主电路和采样电路的影响;电流采样电路是利用霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号。

图4的电路包括三个部分：

输出电压电阻分压部分，通过这一部分得到0～3.3V的电压;然后是一个二阶滤波电路，以便减小高频信号的干扰，得到平缓的直流电压信号，输出端加一个稳压管，使输出电压不超过3.3V，其中跟随器采用LM324，最后由Atmega48单片机的A/D转换模块的将采集到的电压信号转换为数字信号。

霍尔电流传感器采用CSM025A型霍尔电流传感器，它应用霍尔效应闭环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流其电路如图5所示。

3.3.温度检测电路

温度的检测采用负温度系数的热敏电阻进行，其电路如图6所示。

在单片机的基准电压源AREF两端串联热敏电阻R11和电阻R12，单片机通过对R11和R12分压点的采样，从而对环境温度进行判断，并进行相应的温度补偿。

基准电压通过AREF引脚上加一个电容C5进行解耦，以便更好的抑制噪声。

3.4.充电电路及放电电路

充电电路采用功率场效应管IPF3808S作为充电电路中的开关器件，并由单片机通过判断蓄电池端电压和太阳能电池电压来决定是否充电。

在放电模块中，同样采用功率场效应管IPF3808S，放电电路如图7所示。

放电过程如下:

当PB0输出低电平时，Q2截止，从而Q6导通，将蓄电池的负端和负载的负端接通，此时蓄电池为负载提供电源，蓄电池放电。

当PB0输出高电平时，Q2导通，从而Q6截止，将蓄电池的负端和负载的负端断开，蓄电池停止对负载的供电。

至于PB0何时输出高电平，何时输出低电平，通过单片机的软件实现。

4.软件设计

控制器在白天（光照强），控制太阳能电池向蓄电池充电，在晚上（光照弱），控制蓄电池向负载供电，所以可简单的将系统的工作模式设定为强光照模式和弱光照模式，通过检测太阳能电池输出电压确定系统工作在强光照模式还是弱光照模式，若太阳能电池输出电压大于3V，则系统进入强光照模式;反之，则进入弱光照模式，再根据蓄电池的荷电状态确定系统具体的工作状态。

系统的工作模式和工作状态如表1所示。

表1系统的工作状态分析

系统根据太阳能电池的输出电压对工作模式进行判别，如果VPv≥3V，系统进入强光照模式;如果VPv<3V，系统进入弱光照模式。

在强光照工作模式下，控制器首先检测蓄电池端电压，判定蓄电池的工作状态，以确定蓄电池的充电方式，从而执行相应的流程操作。

在任一工作状态下，系统还要周期性的检测太阳能电池端电压，以判断是否进行工作模式的转换;在某一工作状态的进程中，还要周期性的检测蓄电池端电压，以判断是否进行工作状态的转换。

强光照模式下的流程图如图8所示。

进入弱光照工作模式后，控制器首先检测蓄电池端电压，判定蓄电池的工作状态，以确定蓄电池能否为负载供电，从而执行相应的流程操作。

在任一工作状态下，系统还要周期性的检测太阳能电池端电压，以判断是否进行工作模式的转换;在某一工作状态的进程中，还要周期性的检测蓄电池端电压，以判断是否进行工作

5.结束语

改进型太阳能路灯控制器对充电方式采用了两阶段充电方式，为避免蓄电池深度放电，缩短蓄电池的使用寿命，采用在线检测蓄电池电压来避免蓄电池发生过放现象，经实践证明该控制器能有效地保护蓄电池，提高其使用寿命。

参考文献

X涛,新改进型太阳能路灯控制器的研制（XX昌吉职业技术学院XX昌吉，831100）

王强1X雅凡2.自适应单纯太阳能路灯控制器的设计（1渤海大学数理学院，XXXX121013；2XX英诺华微电子技术XXXX300252）

李晶X维戈王健强（交通大学）基于PIC单片机的太阳能路灯控制器。

阚玉怀王占杰（XX职业技术学院，XXXX065000;XX天河电子技术XX，XXXX071000）基于STC5404AD的太阳能路灯控制器设计与实现