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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。太阳能路灯控制器的设计-太阳能路灯以太阳光为能源,白天充电、晚上使用,无需铺设复杂、昂贵的管线,可任意调整灯具的布局,安全节能无污染,充电及开/关过程采用光控自动控制,无需人工操作,工作稳定可靠,节省电费,免维护,太阳能路灯的实用性已充分得到人们的认可。本文介绍的基于单片机的太阳能路灯控制器的设计,对12V和24V蓄电池可以自动识别,能实现对蓄电池的科学管理,能指示蓄电池过压、欠压等运行状态,具有两路负载输出,每路负载额定电流可以达到5A,两路负载可以随意设置为同时点亮、分时点亮,单独定时等工作模式,同
2、时对负载的过流、短路具有保护功能;具有较高的自动化和智能化程度。硬件电路组成及工作原理系统硬件结构框图太阳能路灯智能控制器以STC12C5410AD单片机为核心,外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等几部分组成的,结构框图如图1所示。电压采集电路包括:太阳能电池板和蓄电池电压采集,用于太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口,用于工作模式等参数的设置。下面详细介绍系统中STC12C5410AD、电压采集与电池管理、负载输出控制与检测电路的设计与实现。STC12C5410AD单片机STC12C5410AD是STC12系列的
3、单片机,采用RISC型CPU内核,兼容普通8051指令集,而且还有新的特点:片内含有Flash程序存储器10k,DataFlash数据存储器2k,RAM数据存储器512字节,同时内部还有看门狗(WDT);片内集成MAX810专用复位电路,集成了8通道10位分辨率的ADC以及4通道的PWM;具有可编程的8级中断源4种优先级,具有系统可编程(ISP)和应用可编程(IAP)等特点,片内资源丰富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD对系统的工作进行实施调度,实现外部输入参数的设置、对蓄电池及负载进行管理,工作状态的指示等。为充分使用片内资源,本文所设置的参数写入DataFlash数据存储器内。
4、键盘电路P3.4(T0)接F1键,该键用于设置状态的识别及参数设置;P3.5(T1)接F2键,该键用于自检及“加1”功能,根据程序流程,分别实现不同功能。电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集,用于太阳光线强弱的判断,因而可以作为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集,用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能,对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路,若在太阳能电池正常充电时,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤,若在夜间或太阳能电池不充电时,控制器由于自身得不到电力,不会有任何动作。过充保护:充电电压高于保护电压(15V)时,自动关断
5、对蓄电池的充电;此后当电压掉至维护电压(13.2V)时,蓄电池进入浮充状态,当低于维护电压(13.2V)后浮充关闭,进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(11V)时,控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路(智能三阶段充电),可使太阳能电池板发挥最大功效,提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。负载输出控制与检测电路本系统设计了两路负载输出,每路的输出均有独立的控制和检测,具有完善的过流、短路保护措施。负载输出控制与检测电路如图2所示。负载过流及短路保护:设计了两级保护。第一级采用了R7(0.01康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流
6、、短路检测电路配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现,这里使用了硬件+软件的方式,LM358的输出送P1.7(A/D转换)口,用作过流信号识别,当电流超过额定电流20%并维持30s以上时,确认为过流;短路电流整定为10A,响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护,当流经电子保险丝的电流骤然增加时,温度随之上升,其电阻大大增加,工作电流大幅降低,达到保护电路目的,响应时间为秒数量级,过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体,无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后,在长达数小时时间负载短路实验后,控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护,一
7、旦烧毁必须人为更换的问题,同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比,也具有明显的优点,简化了维护,提高了系统的安全性能。硬件设计中的注意点(1)感应雷保护电路应设计在太阳能电池板引线入口处,保护电路周围4mm内不要布置其他器件。(2)防止太阳能电池板反接用的二极管必须采用快恢复二极管,这种管子导通内阻小,充电时发热量小,不用散热器也可以连续充电,充电效果好。(3)充电、负载放电电路的印刷线路宽度至少要45mm,线路上用搪锡处理以增加过电流能力,大电流导线在一层过渡到另一层时,要放置35个过孔。(4)过流、短路保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定性三个因素。电阻增大则电路效
8、率下降,本系统选用电阻为0.01,过电流能力在10A以上的康铜丝作为电流取样电阻,来产生取样电压,取样电压最多不超过0.2V,故采用运放LM358对它进行放大。(5)器件的布局和PCB图的布线采用模块化,大电流信号与小电流信号要分离,对放大电路的线路犹其要精心布置。数字地和模拟地分开,注意电源线和地线的布局。系统软件设计与本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括:主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程上,以KeilC编译器的Windows集成开发环境vision2作为软件开发平台,采用C51高级语言编写。按键处理流
9、程如图3所示,电压检测子程序如图4所示。太阳能路灯以太阳光为能源,白天充电、晚上使用,无需铺设复杂、昂贵的管线,可任意调整灯具的布局,安全节能无污染,充电及开/关过程采用光控自动控制,无需人工操作,工作稳定可靠,节省电费,免维护,太阳能路灯的.单片机软件编程注意点(1)本系统用较少的按键实现了诸多功能,如负载工作模式的设置,双灯同时工作还是分时工作、负载工作时间的设定,还有自检功能等,为防止误操作采取了一些措施。这种方法实际上是一键多用的一种尝试,还可以推广到更复杂的人机对话的设计,其思路可参见按键处理流程图。(2)键盘在定时中断服务程序中读取,用中断间隔时间实现键盘的去抖动,不必编写另外的延
10、时程序,提高了CPU的利用效率。键盘值存入数据缓冲区,在主程序中读数据缓冲区的内容,执行键盘功能散转子程序。(3)环境光线(闪电、礼花燃放)对太阳能电池板的采样电压有明显影响,故在白天、黄昏的识别时,要进行软件延时,一般控制在23分钟。(4)外部中断为高优先级中断,编制子程序实现负载过流、短路保护时,要充分考虑到负载启动瞬间时会产生数倍于额定电流的冲击电流,冲击电流维持时间在35ms左右,应在软件上采取措施,避免短路与负载开启的误判。确定负载过流、短路后,切断负载输出。负载切断后,每隔一段时间,如20s,应试接通负载开关,当发现过流、短路信号已消除,则恢复负载的输出,否则负载开关仍然保持断开。
11、(5)为保护负载(灯具),蓄电池过放保护恢复时,应用软件设置一个回差电压,这样负载开关不会出现颤抖现象,有利于延长灯具的使用寿命。(6)根据STC12C5410AD的DataFlash的特点,数据写入时必须启动ISP/IAP命令,CPU等待IAP动作定时后,才继续执行程序,要先关断中断(EA)。还应注意数据写入DataFlash存储器,不能跨越扇区。部分软件编程ADC子程序INT8UADC(INT8Unumber)using2number=number&0x07;/通道号不超过7ADC_CONTR=ADC_CONTR&0xe0;/清ADC_FLAG、AD不启动ADC_CONTR=ADC_CON
12、TR|number;/选择通道ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x08;/启动ADwhile(ADC_CONTR&0x10)!=0x10);/等待AD转换结束return(ADC_DATA);/结果返回外部0中断响应子程序voidService_INT0()interrupt0using1if(P3_2)/高电平,认为是干扰信号触发中断return;delay1(5000);/10ms延时if(P3_2=0)load_switch_1=LSTOP;/负载开关1关LOOP1_DL=1;/置负载短路标志本文所设计的太阳能路灯控制器,可适用12V或24V工作的光伏系统,可以直接驱动直流节能灯
13、或通过逆变器驱动无极灯等灯具作为照明光源使用,也可以驱动一些直流低压负载供城市亮化使用。控制器的两路负载输出,可以用于机动车道和人行道的照明,照明时间和工作模式可以灵活设置。着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效管理的问题,既提高了太阳能电池板的使用效率,又延长了蓄电池的使用寿命,防止了工程上因线路问题而造成意外事件的发生。本文所设计的控制器已在江苏S238省道得到应用,具有设计可靠、成本低廉的特点,具有较大的实用价值。太阳能路灯控制器电路图1工作原理电路原理见图1所示。该电路由以U5为核心组成的蓄电池过充电控制电路、以U4AU4D为核心组成的蓄电池电压指示电路及显示电压按钮开关KS1电路、以U
14、1B组成的蓄电池过放电控制电路、以U1A组成的开灯检测控制电路、以U2组成的开灯及延时熄灯及二次开灯定时控制电路，以及以控制三极管Q2驱动继电器组成的输出控制电路等组成。现分别介绍如下。(1)过充电、过放电检测保护部分太阳能电池组件板或阵列由插口CZ1的脚输入，加至防反充电二极管D2的正极D2的负极接12V蓄电池的正极，即CZ1的脚。控制器在初始上电时，由于C4的作用使U5脚为低电平，脚输出高电平，Q7导通；Q8截止，允许太阳能电池给蓄电池充电。当蓄电池所充的电压小于144V时，由R13、(R38十R39)组成的串联分压电路送至U5、电压低于23U5的供电电压时，即小于6V，电路维持充电状态；
15、随着充电时间的延长，蓄电池电压逐渐升高，当U5、的电压高于23U5供电电压时，U5脚输出低电平，Q7截止、Q8导通，给太阳能电池板泄放电流，停止对蓄电池充电。在U5脚输出低电平的状态下，其脚导通，相当于将1140并入电路中。此时电路的分压比为：R38+R39R40IRl3+(R38+R39)R40，不难算出，当蓄电池电压低于设定值13V时电路状态再次翻转，U5脚输出高电平，允许蓄电池充电。(2)开灯检测方法与控制太阳能电池板是一个很好的光敏元件，其输出电流、电压能随着接受光的强度和照度变化而变化，本控制器就是利用这一原理实现开、关灯控制的。太阳能电池板PVin输入电压经R5、R6串联分压后；加
16、至运放U1A脚，其脚接于R9、R8+VR1的分压点上。在白天，太阳能电池板在阳光的照射下输出电压很高，其经R5、R6分压后使运放U1A脚电压高于脚，U1A脚输出低电平，Q1截止，U2无供电电压不工作，Q2截止，继电器不吸合，系统无输出电压，路灯不工作。随着天色渐黑，太阳能电池板输出电压降低。UlA脚的电压也同步降低，当U1A脚电压低于脚时，比较器翻转，U1A脚输出高电平，Q1导通，定时电路U2得电工作，Q2导通、JDQ1吸合点亮路灯。图中VR1为路灯开灯时刻设置调节电位器，调节VRl可设置不同时刻点亮路灯。DW1是钳位二极管，作用是避免白天太阳能电池板接受的电压过高导致U1A脚输入电压过高而损
17、坏。C1为储能电容，作用是防止U1A脚电压瞬时突变误点亮路灯。R14为反馈电阻其作用是使U1A成为一个迟滞比较器防止和避免U1A在开灯点附近振荡而反复开、关路灯。(3)路灯延时电路点亮、熄灭控制电路延时控制电路选用CD4541BE可编程定时控制芯片，它功耗低、内置可编程分频器电路，最大分频级数为65536级。本控制器设计定时开灯和定时关灯时间调节范围是：2093小时-1193小时分别由V：R2和VR3控制调节。(4)蓄电池停止放电优先控制电路若在路灯欲点亮或已点亮时，蓄电池电压已经低于其允许终止放电值时，Q4导通此时无论U1A输出高电平与否，均会使Q1截止，从而保护蓄电池避免过放电损坏。(5)
18、电池电压指示电路为了让现场看管、维护人员及时了解、掌握蓄电池的状态，本控制器设有LED电池电压指示装置，通过LLED点亮的数量指示蓄电池电压的高低。2电路调试制作中发现。NE555时基电路的实际状态转换点，即13V(：C与23VCC状态的翻转跳变点并不是严格遵循理论值。通过调节电阻R13可实现144V的过充电控制。将R13由设计的100k换为120k即可达到实际要求。同理，通过调节VR4可校准蓄电池指示电压。二、用PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器图2是用：PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器电路。PIC12F675是8引脚单片机，具有6个I0口，自带内部RC振荡器(振荡
19、频率为4MHz)、4路10位AD转换器、一路比较器，该控制器性能稳定、可靠，耗电低。1工作原理PIC12F675控制蓄电池的过充电、过放电，开、关路灯功能，定时点亮、天黑自动点亮、延时点亮、自动跟踪点亮等功能，路灯点亮测试控制功能，LED指示功能等。由蓄电池BTl、蓄电池过充电控制执行场效应管01、三端稳压器U1组成电源供电系统；Q2、Q4组成放电控制；K1手动，R_GM1光控自动开灯系统，蓄电池分压电阻，发光指示二极管等部分组成。太阳能电池板电压由接口J3输入经防反充二极管D1后分成两路，一路经U1LM78L05稳压后，为PIC12F675单片机提供工作电源，另一路经FB保险丝给蓄电池充电。
20、单片机上电后，首先由Rf、Cf组成的硬件电路进行复位然后由软件控制U2脚GP4输出高电平，让Q4导通、Q2截止，控制系统停止放电，再检测U2脚GP0上的分压值，通过内部AD转换及软件运算间接检测、判断蓄电池是否欠压、过压若蓄电池发生过充电，则通过软件控制U2脚GP5输出高电平，使Q1导通短路太阳能电池板、停止向蓄电池充电，同时点亮“过充电”指示灯LED2；若未发生过充电，则U2脚GP5输出低电平，允许蓄电池充电。通过检测U2脚GP1所接的光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否已经“天黑，到了开路灯时间”，若到了预设的开灯点，则由软件控制u2脚GP4输出低电平，使Q4截止、02导通，点亮路灯。若不到开灯点，则程序返回，循环检测上述诸参数。K1是手动开灯按钮。按下K1，路灯点亮。单片机通过检测光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否“天黑”，若是天黑则按设计要求点亮路灯，若否，单片机进入路灯控制器“测试”功能：2分钟后路灯自动熄灭。2说明由于单片机程序设计十分灵活，故这里用“开灯点”作为开灯标记符，这个点可以是时间。也可以是天黑的“程度”。若定义的是时间，可以让路灯从此时开始计时，点亮若干小时后熄灭；若是天黑的程度，可以让路灯到了此天黑程度后开始点亮。此后既可计时熄灭，也可判别天亮后熄灭。一切由软件设计人员抉择。-