基于PIC的太陽(yáng)能與市電互補照明系統控制器

利用太陽(yáng)能照明是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的一個(gè)主要用途，然而，由于太陽(yáng)能輻射的不連續性和間歇性，以及目前單純太陽(yáng)能照明系統的投資和成本較高、部分技術(shù)不夠成熟等原因，太陽(yáng)能照明系統經(jīng)常出現在連續陰雨天時(shí)，由于蓄電池電壓不足而導致負載不能點(diǎn)亮的情況。將太陽(yáng)能與市電組成雙電源互補供電照明系統，不僅可以有效解決太陽(yáng)能利用不穩定的問(wèn)題，還可以適當減小太陽(yáng)能電池和蓄電池的容量，降低開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能技術(shù)的成本，同時(shí)滿(mǎn)足系統的可靠性和經(jīng)濟性要求[1-2]。

1 控制器的主要功能及組成

　本文所設計的控制器供街道和住宅小區夜間利用太陽(yáng)能和市電互補照明系統使用，根據照明實(shí)際狀況，設計控制器具有如下功能：

　(1)支持12 V直流系統工作電壓；
　(2)支持最大至4 A的充放電電流；
　(3)支持直流、脈沖兩種充電方式；
　(4)具有深夜使半導體照明燈具亮度減半的功能；
　(5)蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)切換到市電電源供電；
　(6)能檢測太陽(yáng)能電池的電壓，自動(dòng)轉換工作模式；
　(7)能檢測蓄電池的電壓，對蓄電池的充、放電過(guò)程進(jìn)行控制；
　(8) 具有防反充電保護、過(guò)充電保護、過(guò)放電保護和負載短路保護功能；
　(9)具有電子時(shí)鐘和計時(shí)功能。

　圖1所示為以PIC16F877A為核心的控制器外圍電路示意圖[3]。主要由PIC單片機（內部含A/D）、時(shí)鐘電路、電壓采樣電路、開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路、時(shí)鐘控制和數碼管顯示電路組成。單片機PIC16F877A是控制器的核心，外圍電路包括開(kāi)關(guān)控制電路（C1～C3）、數碼管顯示及驅動(dòng)（A～G/Dig_EN1~Dig_EN6）電路、工作狀態(tài)顯示等。

2 主要電路設計及器件選型

2.1 PIC16F877A

單片機是控制器的核心，系統工作時(shí)需要采集太陽(yáng)能電池和蓄電池的電壓。太陽(yáng)能電池的輸出電壓受溫度和太陽(yáng)輻射強度等外界因素影響較大，這就要求系統的實(shí)時(shí)性比較高，即要求系統的響應速度快。故設計中選用了內部含有A/D模塊、具有14位指令寬度的中檔PIC單片機16F877A，屬PIC中級產(chǎn)品，在保持低價(jià)格的前提下具有很高的性能。

　本文設計的控制器主要用到PIC16F877A的如下一些資源：

(1)16 KB的系統內可編程Flash，1 KB片內SRAM，10 000次擦寫(xiě)壽命。程序存儲空間足夠大，不需要額外擴展存儲器；10 000次的擦寫(xiě)壽命方便進(jìn)行程序調試；
　(2) 2個(gè)具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計數器。用于按鍵去抖和計時(shí)；
　(3) 1個(gè)具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計數器。用作調節PWM控制信號的占空比，控制充電開(kāi)關(guān)；
　(4) 8路10位ADC。使用其中的2路ADC通道分別對太陽(yáng)能電池工作電壓、蓄電池工作電壓采樣；
　(5) 使用2個(gè)中斷源，外部中斷和定時(shí)器中斷，分別用于計時(shí)和按鍵；
　(6) 可編程I/O口。部分I/O口使用其第二功能，其他用于控制器系統功能擴展。

2.2 電壓采樣電路

　控制器需要采集2路電壓信號，分別是太陽(yáng)能電池輸出電壓和蓄電池端電壓，這兩路信號均為變化的直流模擬信號，采樣信號應能如實(shí)地反映檢測量。設計中利用精度為0.1%的精密電阻組成簡(jiǎn)單的分壓電阻網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現，并在分壓電阻網(wǎng)絡(luò )的輸出端并聯(lián)漏電流很小的精密電容和電感進(jìn)行 濾波，以減小電流泄漏對測量精度的影響[4]。采樣電路如圖2所示。

2.3 控制開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路

控制器的主要控制對象是3個(gè)控制開(kāi)關(guān)C1～C3。分別是蓄電池的充電開(kāi)關(guān)、蓄電池放電（供電）開(kāi)關(guān)和市電供電開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)的狀態(tài)由單片機根據系統的工作狀態(tài)進(jìn)行控制：白天太陽(yáng)能電池向蓄電池充電，開(kāi)關(guān)C1閉合，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉換為電能，儲存在蓄電池中，當蓄電池電壓出現過(guò)充時(shí)，控制器斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)C1；晚上主要由蓄電池向負載供電，開(kāi)關(guān)C2閉合，當蓄電池電壓不足（欠壓）時(shí)，蓄電池供電開(kāi)關(guān)C2斷開(kāi)，控制器自動(dòng)切換為市電給負載供電（C3閉合）。圖3、圖4和圖5分別為蓄電池充電、放電和市電供電時(shí)開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)電路。

　在充電控制電路中，用肖特基二極管來(lái)實(shí)現防蓄電池反充電保護，防止晚上蓄電池向太陽(yáng)能電池反充電。同時(shí)設計了防止蓄電池過(guò)充的保護電路，為了控制蓄電池的充電方式，充電控制信號為單片機輸出的PWM信號。蓄電池放電（供電）開(kāi)關(guān)的控制信號由單片機輸出的高低電平直接控制，實(shí)現了深夜半功率供電功能。市電供電開(kāi)關(guān)電路中使用繼電器[5]。

3 控制器性能測試

本文對所設計的系統控制器的功能進(jìn)行了初步測試，部分測試結果如下。

(1)指示燈測試系統工作狀態(tài)

　蓄電池脈沖充電情況測試。當TVcc>0.7 V時(shí)，天亮；此時(shí)12 VVcc15 V，蓄電池脈沖充電，脈沖充電指示燈DS2點(diǎn)亮。如圖6所示。

(2)示波器測試蓄電池充電波形

用示波器檢測充電開(kāi)關(guān)Q2的柵電壓，檢測蓄電池的充電情況。蓄電池脈沖充電情況下的輸出波形為脈沖波形。

　另外，還分別對控制器供電控制功能、充電和供電方式轉換功能以及控制器工作時(shí)整個(gè)系統的性能進(jìn)行了測試和分析，測試結果表明系統控制器可以很好地完成各項功能，并且運行良好。

　本文所設計的基于PIC16F877A的系統控制器，充分利用單片機的內部資源，具有結構簡(jiǎn)單、功耗低等特點(diǎn)。經(jīng)調試實(shí)驗證明，控制器各項功能完成良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應用前景，對太陽(yáng)能LED照明系統的推廣應用具有參考意義。