太陽能光伏系統控制器設計關鍵.pdf
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電路特色功能： 1.蓄電池過充電與過放電保護； 2.自動恢復放電功能； 3.防止蓄電池與太陽能電池反接功能。 電路參數： 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。要實現低碳經濟，除了通過技術創新、制度創新、產業轉型等多種手段，盡量減少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提高人們的節能意識外，開發新能源的應用是更重要的手段，其中太陽能光伏發電是主要的新能源之一。在業余條件下，讀者很容易利用太陽能電池自己制作一套太陽能光伏發電裝置，不但非常有趣，而且可以實現自己使用新能源的愿望。 業余制作的太陽能光伏發電裝置一般不存在和電網并網的可能，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，要實現這一功能就需要一個太陽能光伏系統控制器，本文介紹一款用單片機電路設計制作的這種裝置。 硬件電路設計 本文介紹的太陽能光伏系統控制器系統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實際需要確定，同時考慮到充電時間和用電時間的長短，進行合理搭配，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。 太陽能光伏系統控制器的電路見圖1。電路由單片機電路、充電控制電路、放電控制電路等部分組成。 
一、單片機電路 IC1、R9、C3等組成單片機最小系統電路，其中R9、C3為上電復位電路，IC使用PIC12F675，它雖然只有8只引腳，功能卻比較強大，引腳見圖2。PIC12F675片內含1KB的Flash只讀程序存儲器、64B數據存儲器RAM和128B的EEPROM，工作速度為0~20MHz，工作電壓為2~5.5V。有6個具有復用功能的I/O引腳GP0~GP5。 PIC12F675可以選擇外部或內部振蕩器，這里使用了內部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內有一個帶有8 位可編程預分頻器的8 位定時器/計數器Timer0和一個帶有預分頻器的16 位定時器/ 計數器Timer1，一個看門狗定時器，4通道10位A/D轉換器，一個模擬比較器。 VT5、VT6等組成充電控制電路，當PIC12F675的GP2腳輸出低電平時，VT5截止、VT6飽和導通，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，使用兩路負載可增加使用的靈活性，當程序對PIC12F675的GP4、GP5腳采取不同的控制時可實現不同的功能，比如GP4作常規控制，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使用。以第一路（負載1）為例，當GP5輸出低電平時，蓄電池通過VD8、VT1向負載供電。 二、充放電控制器 本文介紹的控制器采用A/D轉換的方式測量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉換成數據，然后將測試數據和已儲存的過充電電壓、過放電電壓、恢復供電電壓數據進行比較，根據比較結果作出相應的控制。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轉換器的模擬信號輸入端。 A/D轉換器的參考電壓選擇單片機內部的VDD，即5V作為參考電壓。 R10、VD5、C1、C2等組成單片機5V穩壓電源。 VD7、保險絲FUSE組成防蓄電池反接電路，當蓄電池接反時VD7導通，通過保險絲FUSE使蓄電池短路，燒斷保險絲，從而蓄電池斷路，起到保護電路和負載的作用。保險絲FUSE同時也起到過載保護作用。 VD9能防止太陽能電池板接反。
接上太陽能電池板和蓄電池后，電路的工作情況如下（設蓄電池的電壓為U）： 充電工作情況： 當U≤14.8V時GP2輸出低電平，太陽能電池對蓄電池充電； 當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U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5輸出低電平，蓄電池對負載放電。 2. 當U≤10.8V時，GP4、GP5輸出高電平，蓄電池停止對負載放電。 3. U隨著充電逐漸上升，當U＞10.8V時，電路并不立刻恢復蓄電池的供電，否則會在很短的時間內因電壓下降又停止供電，形成一種振蕩的供電狀態，即一會通一會斷，為了解決這一問題，設置了一個電壓的回差，當蓄電池充電恢復到U＞12.3V時，GP4、GP5再輸出低電平恢復供電。 軟件設計 程序在MPLAB IDE編譯器中進行編譯，使用匯編語言編寫。程序由主程序、定時中斷服務子程序、A/D轉換子程序、延時子程序、數值比較子程序等組成。 主程序主要用來進行初始化，設置單片機的工作模式，將各種控制電壓值寫入有關存儲單元。 定時中斷服務子程序使用了定時器/計數器Timer0，Timer0使用內部時鐘源，預分頻器采用256分頻。由于PIC12F675的內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256分頻后Timer0的8位計數器TMR0計數脈沖的周期為256μs，因此如果它的初始值取61，則計滿256個數的時間為256×（256－61）=49920（μs）≈50ms，即每過50ms產生一次中斷。程序中設置了一個計數變量N，每中斷1次計1個數，每計滿20個數時測量一下蓄電池的電壓，即每過1s測一下蓄電池的電壓，程序根據測量結果發出相應的控制指令。 PIC12F675有4通道10位的A/D轉換器，這里使用了AN0和AN1兩個通道，轉換結果10位二進制輸出到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轉換器的參考電壓為5V，能轉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，當輸入的模擬電壓值為5V時轉換結果為1023=1111111111B，這時ADRESH=11111111B=FFH，ADRESL=11000000B=C0H。以蓄電池電壓取樣為例，當其電壓為14.8V時，經分壓后GP0輸入的模擬電壓為12.8×R12/（R11+R12）=12.8×2/（2+6.2）=3.61（V），對應的A/D轉換結果為1023×3.61／5=739，程序中把每次檢測蓄電池電壓進行A/D轉換值同739比較大小，當值大于739時即認為充電結束。程序中要用到的蓄電池各種控制電壓值所對應的A/D轉換結果見表1。 表2 序號 元件名稱 位號 型號規格 數量 1 單片機 IC PIC12F675 1 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 6 R15 金屬膜 1/8W 6.8kΩ 1 7 R2、R5、 R9、R13 金屬膜 1/8W 10kΩ 4 8 R3、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 C1 100μF/16V 1 11 C3 10μF/16V 1 12 二極管 VD1、VD2、VD6 10V穩壓二極管 3 13 VD5 5V穩壓二極管 1 14 VD7 1N5401 1 15 VD8、VD9 SB560（5A60V） 2 16 發光二極管 VD3 φ3 綠色 1 17 VD4 φ3 紅色 1 18 三極管 VT2、VT4、VT5 2SC945 3 19 場效應管 VT1、VT3、VT6 IRF3205 3 20 集成電路插座 DIP8 1 21 保險絲 FUSE 5A 1 22 電路板 PCB板 1 制作與調試 先將目標文件gfkzq.HEX寫入單片機PIC12F675，按圖4對有關配置位進行設置，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行安裝。元器件的型號規格和數量見表2。 圖6是筆者制作的控制器實物（圖中只裝配了一路控制輸出）。調試時主要是測試電壓控制點是否準確，只要調準一個電壓控制點，其他幾個電壓控制點也就基本準確了，這里選擇調節過充電電壓。由于控制器的A/D轉換器的參考電壓選擇單片機的5V工作電壓，因此5V穩壓電源電壓的大小影響到控制電壓的精度，調試時用數字萬用表測量此電壓，誤差較大（超過±0.2V）時應調換5V穩壓二極管。
表1 名稱 電壓（V） A/D轉換結果 ADRESH ADRESL 過充電電壓 14.8 739 B8H C0H 過放電電壓 10.8 539 86H C0H 恢復供電電壓 12.3 614 99H 80H 來源：無線電 |
