太陽(yáng)能光伏系統控制器

　　1.蓄電池過(guò)充電與過(guò)放電保護；

　　2.自動(dòng)恢復放電功能；

　　3.防止蓄電池與太陽(yáng)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(yáng)能電池額定輸出電壓（V）：18

　　5.太陽(yáng)能電池最大開(kāi)路電壓（V）：25

　　6.過(guò)充電電壓（V）：14.8

　　7.過(guò)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(shí)現低碳經(jīng)濟，除了通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新、制度創(chuàng )新、產(chǎn)業(yè)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(kāi)發(fā)新能源的應用是更重要的手段，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電是主要的新能源之一。在業(yè)余條件下，讀者很容易利用太陽(yáng)能電池自己制作一套太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置，不但非常有趣，而且可以實(shí)現自己使用新能源的愿望。

　　業(yè)余制作的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲藏的電能，要實(shí)現這一功能就需要一個(gè)太陽(yáng)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(yáng)能光伏系統控制器系統使用額定輸出電壓為18V的太陽(yáng)能電池板，配用12V蓄電池，太陽(yáng)能電池板的功率和蓄電池的容量可根據實(shí)際需要確定，同時(shí)考慮到充電時(shí)間和用電時(shí)間的長(cháng)短，進(jìn)行合理搭配，如額定輸出功率為10W的太陽(yáng)能電池板配10Ah的蓄電池比較合適。

　　太陽(yáng)能光伏系統控制器的電路見(jiàn)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(jiàn)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(gè)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(gè)帶有8 位可編程預分頻器的8 位定時(shí)器/計數器Timer0和一個(gè)帶有預分頻器的16 位定時(shí)器/ 計數器Timer1，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，4通道10位A/D轉換器，一個(gè)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(shí)，VT5截止、VT6飽和導通，太陽(yáng)能電池通過(guò)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(shí)可實(shí)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(gè)輸出端也可以并聯(lián)使用。以第一路（負載1）為例，當GP5輸出低電平時(shí)，蓄電池通過(guò)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(guò)充電電壓、過(guò)放電電壓、恢復供電電壓數據進(jìn)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(yáng)能電池的電壓取樣電路，太陽(yáng)能電池的電壓取樣電路在增加夜燈控制功能時(shí)使用。PIC12F675的GP0、GP1分別作兩個(gè)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(shí)VD7導通，通過(guò)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(shí)也起到過(guò)載保護作用。

　　VD9能防止太陽(yáng)能電池板接反。

　三、工作過(guò)程

　　接上太陽(yáng)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(shí)GP2輸出低電平，太陽(yáng)能電池對蓄電池充電；

　　當U＞14.8V時(shí)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(shí)，GP4、GP5輸出高電平，蓄電池停止對負載放電。

　　3.?U隨著(zhù)充電逐漸上升，當U＞10.8V時(shí)，電路并不立刻恢復蓄電池的供電，否則會(huì )在很短的時(shí)間內因電壓下降又停止供電，形成一種振蕩的供電狀態(tài)，即一會(huì )通一會(huì )斷，為了解決這一問(wèn)題，設置了一個(gè)電壓的回差，當蓄電池充電恢復到U＞12.3V時(shí)，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(jìn)行編譯，使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、A/D轉換子程序、延時(shí)子程序、數值比較子程序等組成。

　　主程序主要用來(lái)進(jìn)行初始化，設置單片機的工作模式，將各種控制電壓值寫(xiě)入有關(guān)存儲單元。

　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序使用了定時(shí)器/計數器Timer0，Timer0使用內部時(shí)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(gè)指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，因此一個(gè)指令周期為1μs，經(jīng)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(mǎn)256個(gè)數的時(shí)間為256×（256－61）=49920（μs）≈50ms，即每過(guò)50ms產(chǎn)生一次中斷。程序中設置了一個(gè)計數變量N，每中斷1次計1個(gè)數，每計滿(mǎn)20個(gè)數時(shí)測量一下蓄電池的電壓，即每過(guò)1s測一下蓄電池的電壓，程序根據測量結果發(fā)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(gè)通道，轉換結果10位二進(jìn)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(shí)轉換結果為1023=1111111111B，這時(shí)ADRESH=11111111B=FFH，ADRESL=11000000B=C0H。以蓄電池電壓取樣為例，當其電壓為14.8V時(shí)，經(jīng)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(jìn)行A/D轉換值同739比較大小，當值大于739時(shí)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(jiàn)表1。

表1

名稱(chēng) 電壓（V） A/D轉換結果 ADRESH ADRESL
過(guò)充電電壓14.8 739B8H C0H
過(guò)放電電壓 10.8 539 86H C0H
恢復供電電壓 12.3 614 99H80H

表2

序號元件名稱(chēng)位號 型號規格 數量
1 單片機 IC PIC12F6751
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
6R15 金屬膜 1/8W 6.8kΩ 1
7R2、R5、

R9、R13金屬膜 1/8W 10kΩ 4
8R3、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 C1100μF/16V1
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(fā)光二極管 VD3φ3 綠色 1
17 VD4 φ3 紅色1
18 三極管 VT2、VT4、VT5 2SC945 3
19 場(chǎng)效應管 VT1、VT3、VT6IRF3205 3
20 集成電路插座 DIP8 1
21 保險絲 FUSE 5A1
22 電路板PCB板 1

　　制作與調試

　　先將目標文件gfkzq.HEX寫(xiě)入單片機PIC12F675，按圖4對有關(guān)配置位進(jìn)行設置，具體燒寫(xiě)方法見(jiàn)《無(wú)線(xiàn)電》雜志以前的文章?？刂破鞯挠≈齐娐穲D見(jiàn)圖5，也可以使用萬(wàn)能電路板進(jìn)行安裝。元器件的型號規格和數量見(jiàn)表2。

　　圖6是筆者制作的控制器實(shí)物（圖中只裝配了一路控制輸出）。調試時(shí)主要是測試電壓控制點(diǎn)是否準確，只要調準一個(gè)電壓控制點(diǎn)，其他幾個(gè)電壓控制點(diǎn)也就基本準確了，這里選擇調節過(guò)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(shí)用數字萬(wàn)用表測量此電壓，誤差較大（超過(guò)±0.2V）時(shí)應調換5V穩壓二極管。

　　接下來(lái)在充電的過(guò)程中測量蓄電池的電壓，當充電指示發(fā)光二極管由點(diǎn)亮到熄滅時(shí)的電壓即為過(guò)充電電壓，當此值偏離14.8V較大時(shí)，可通過(guò)改變取樣電阻R11、R12的分壓比來(lái)調整，當測量值大于14.8V時(shí)，減小R11或增加R12的阻值，調大分壓比；反之增加R11或減小R12的阻值，調小分壓比。使用時(shí)控制器輸出的是蓄電池的12V直流電源，當用電器使用220V交流電源時(shí)，還要接入一個(gè)輸入電壓為DC12V的逆變器，逆變器的額定功率根據蓄電池的容量和使用要求確定。