发布时间：2018/8/27 9:09:12 来源：本站
太阳能作为一种清洁、无污染、可再生能源得到越来越广泛的应用。太阳能路灯是太阳能应用之一，无需敷设管线，安装灵活，特别适应于电网难于到达的地方及偏远的农村、海岛等。
太阳能路灯实质上就是独立的光伏发电系统，它由太阳能板、控制器、阀控式蓄电池、照明灯具四个部分组成。系统构成如图1。白天太阳能板给蓄电池充电，夜晚蓄电池为负载提供电源，蓄电池既是负载又是电源。在太阳能路灯控制系统中，蓄电池寿命相对较低，如果没有一个合理的充放电方式，蓄电池的寿命将大大缩短，从而影响整个系统的稳定运行，因此蓄电池的检测与保护很关键。而蓄电池充电、放电都是在控制器的控制下完成的，它控制着蓄电池充放电方式，因此控制器是整个路灯系统的核心。本文以路灯控制器为研究对象，设计一款以微控制器为核心的智能路灯控制器，控制器按照蓄电池的充电规律，运用PWM三阶段充电法对蓄电池充电，提高充电效率;同时具有过充、过放保护，最大限度延长蓄电池的使用寿命。
图1 太阳能系统构成
路灯控制器结构框图如图2所示，它由微控制器、电源电路、充电电路、放电电路、键盘显示电路、电压电流检测、温度补偿、时钟电路、保护电路组成。该控制器具有防雷、防反充、蓄电池防反接、负载过流、短路等保护措施，确保控制器能可靠工作。
图2 太阳能路灯控制器结构
微控制器是整个系统核心，STC12C5A60AD是宏晶公司生产的一款单时钟、高速、低功耗、超强抗干扰单片机。片上资源丰富，内置1280字节RAM，2路PWM，8路高速10位A/D转换。微控制器根据检测太阳能板电压、蓄电池电压、环境温度等参数，选择合适的充电方式;放电时，由键盘选择适当的模式点亮照明灯具。控制器配置时钟芯片DS1302可实现控制器实时定时控制。
充电电路用于太阳能电池对蓄电池充电。图3为充电电路图，电池板、蓄电池、开关配置成串联形式，V1、V2选用场效应管IRF3710，场效应管具有开关速度快、导通电阻小特点，充电时线路压降小，减少控制器发热量，提高充电效率。V2仅起到开关作用，V1承担充电方式的选择。图中由V3、V4、V5、V6、V8等组成的PWM驱动电路能大大减少场效应管开通、关断时间，降低开关切换功耗。
图3 充电电路
蓄电池的充电过程是:开机时关断V1、V2，然后通过单片机输出脉冲信号到V2栅极，不断检测蓄电池是否满足开通条件。一旦判断出A点电压为零，此时太阳能电池板电压高于蓄电池电压，V1、V2开通，蓄电池充电。正常充电时，单片机输出脉冲信号到V1栅极，不断地检测A点电压，一旦判断出A点电压非零，此时太阳能电池板电压低于蓄电池电压，V1、V2关断，蓄电池停止充电。
放电及保护电路如图4所示。场效应管控制负载的接入与断开，负载的过流、短路不仅对负载本身有损害而且对蓄电池也有损伤，缩短蓄电池的使用寿命，本电路有完善的保护措施。放大与比较电路U1选用LM358，采样电阻R22将负载电流转化为电压信号，经U1A放大后送入单片机和U1B，当放电电流超过1.2倍额定电流30S时过载保护动作。短路时(大于额定电流3倍)单片机发出关断指令，同时电压比较器翻转关断场效应管V10，负载断电得到保护。短路保护采用硬件加软件的形式，具有反应速度快，同时能自动检测短路状态，无需手动操作，使负载恢复到正常的工作状态。
图4 放电及保护电路图
系统软件采用模块化设计，包括充电管理、放电管理、键盘显示、温度读取、时间读取、A\D转换等模块程序［4］。
系统软件的主要程序流程如图5所示。
充电管理程序控制太阳能板对蓄电池充电。系统选用阀控式铅酸蓄电池，根据阀控式铅酸蓄电池充电特性，选择智能三阶段充电方式。不仅提高充电效率，而且能延长蓄电池的使用寿命。在每个阶段设置合适的充电阀值，对相应的阀值进行温度补偿，并对过充点进行必要的保护。其流程图如图6［5］。
放电管理程序控制夜晚路灯开关时间，总的设计思路是光控+时控。天黑时点亮，深夜关闭，天亮前1小时再次点亮。这样可节约电能，特别在连续阴雨天情况下，能够延长照明天数，减小蓄电池的放电深度，保护蓄电池。放电管理流程图如图7。
采用两块输出功率16W，最大输出电压22V的太阳能电池板，蓄电池选用12V/7Ah的阀控式密封铅酸蓄电池，通过控制器对蓄电池进行充电测试。表1为实测的蓄电池充电电压。由于充电电流随着
图5 主程序流程图
图6 蓄电池充电流程图
光照强度的变化而变化，单位时间内电压上升的幅值也不一样。图8为浮充时PWM控制的波形图。蓄电池充满后转入浮充状态，调节PWM占空比，控制充电电流，使蓄电池电压稳定在浮充电压上。
表1 蓄电池充电时实测的端电压
图7 蓄电池放电流程图
图8 浮充时PWM波形
本文充分利用了单片机的软硬件资源设计一款太阳能路灯控制器，实现对蓄电池充、放电的智能化管理。采用PWM充电方式及光控加时控的放电方式，提高了蓄电池的使用寿命。该控制器具有可靠的保护措施，但由于充电采用直充方式，影响充电效率，有待于进一步改善。
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