太陽能路燈設(shè)計(jì)原理及電路
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圖 2 是用：PIC12F675單片機(jī)制作的太陽能路燈控制器電路。 PIC 12F 675 是 8 引腳單片機(jī)，具有 6個I / 0 口，自帶內(nèi)部 RC 振蕩器 ( 振蕩頻率為 4MHz) 、 4 路 10 位 A /D轉(zhuǎn)換器、一路比較器，該控制器性能穩(wěn)定、可靠，耗電低。
1 ．工作原理
PIC 12F675控制蓄電池的過充電、過放電，開、關(guān)路燈功能，定時點(diǎn)亮、天黑自動點(diǎn)亮、延時點(diǎn)亮、自動跟蹤點(diǎn)亮等功能，路燈點(diǎn)亮測試控制功能，LED指示功能等。
由蓄電池 BTl 、蓄電池過充電控制執(zhí)行場效應(yīng)管 01 、三端穩(wěn)壓器 U1 組成電源供電系統(tǒng)； Q2 、 Q4．組成放電控制；K1 手動， R_GM1 光控自動開燈系統(tǒng)，蓄電池分壓電阻，發(fā)光指示二極管等部分組成。太陽能電池板電壓由接口J3輸入．經(jīng)防反充二極管 D1 后分成兩路，一路經(jīng) U1 LM 78L 05 穩(wěn)壓后，為 PIC 12F675單片機(jī)提供工作電源，另一路經(jīng) FB 保險(xiǎn)絲給蓄電池充電。單片機(jī)上電后，首先由 Rf 、 Cf組成的硬件電路進(jìn)行復(fù)位．然后由軟件控制U2 ③腳 GP4 輸出高電平，讓 Q4 導(dǎo)通、 Q2 截止，控制系統(tǒng)停止放電，再檢測 U2⑦腳 GP0 上的分壓值，通過內(nèi)部 A/ D 轉(zhuǎn)換及軟件運(yùn)算間接檢測、判斷蓄電池是否欠壓、過壓．若蓄電池發(fā)生過充電，則通過軟件控制U2 ②腳 GP5 輸出高電平，使 Q1導(dǎo)通．短路太陽能電池板、停止向蓄電池充電，同時點(diǎn)亮“過充電”指示燈 LED2；若未發(fā)生過充電，則 U2 ②腳 GP5輸出低電平，允許蓄電池充電。通過檢測 U2 ⑥腳 GP1 所接的光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否已經(jīng)“天黑，到了開路燈時間”，若到了預(yù)設(shè)的開燈點(diǎn)，則由軟件控制 u2 ③腳 GP4 輸出低電平，使 Q4截止、02 導(dǎo)通，點(diǎn)亮路燈。若不到開燈點(diǎn)，則程序返回，循環(huán)檢測上述諸參數(shù)。
K1 是手動開燈按鈕。按下 K1 ，路燈點(diǎn)亮。單片機(jī)通過檢測光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否“天黑”，若是天黑．則按設(shè)計(jì)要求點(diǎn)亮路燈，若否，單片機(jī)進(jìn)入路燈控制器“測試”功能：2分鐘后路燈自動熄滅。
由蓄電池 BTl 、蓄電池過充電控制執(zhí)行場效應(yīng)管 01 、三端穩(wěn)壓器 U1 組成電源供電系統(tǒng)； Q2 、 Q4．組成放電控制；K1 手動， R_GM1 光控自動開燈系統(tǒng)，蓄電池分壓電阻，發(fā)光指示二極管等部分組成。太陽能電池板電壓由接口J3輸入．經(jīng)防反充二極管 D1 后分成兩路，一路經(jīng) U1 LM 78L 05 穩(wěn)壓后，為 PIC 12F675單片機(jī)提供工作電源，另一路經(jīng) FB 保險(xiǎn)絲給蓄電池充電。單片機(jī)上電后，首先由 Rf 、 Cf組成的硬件電路進(jìn)行復(fù)位．然后由軟件控制U2 ③腳 GP4 輸出高電平，讓 Q4 導(dǎo)通、 Q2 截止，控制系統(tǒng)停止放電，再檢測 U2⑦腳 GP0 上的分壓值，通過內(nèi)部 A/ D 轉(zhuǎn)換及軟件運(yùn)算間接檢測、判斷蓄電池是否欠壓、過壓．若蓄電池發(fā)生過充電，則通過軟件控制U2 ②腳 GP5 輸出高電平，使 Q1導(dǎo)通．短路太陽能電池板、停止向蓄電池充電，同時點(diǎn)亮“過充電”指示燈 LED2；若未發(fā)生過充電，則 U2 ②腳 GP5輸出低電平，允許蓄電池充電。通過檢測 U2 ⑥腳 GP1 所接的光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否已經(jīng)“天黑，到了開路燈時間”，若到了預(yù)設(shè)的開燈點(diǎn)，則由軟件控制 u2 ③腳 GP4 輸出低電平，使 Q4截止、02 導(dǎo)通，點(diǎn)亮路燈。若不到開燈點(diǎn)，則程序返回，循環(huán)檢測上述諸參數(shù)。
K1 是手動開燈按鈕。按下 K1 ，路燈點(diǎn)亮。單片機(jī)通過檢測光敏電阻R_GM1上的分壓值，判斷是否“天黑”，若是天黑．則按設(shè)計(jì)要求點(diǎn)亮路燈，若否，單片機(jī)進(jìn)入路燈控制器“測試”功能：2分鐘后路燈自動熄滅。
2 ．說明
由于單片機(jī)程序設(shè)計(jì)十分靈活，故這里用“開燈點(diǎn)”作為開燈標(biāo)記符，這個點(diǎn)可以是時間。也可以是天黑的“程度”。若定義的是時間，可以讓路燈從此時開始計(jì)時，點(diǎn)亮若干小時后熄滅；若是天黑的程度，可以讓路燈到了此天黑程度后開始點(diǎn)亮。此后既可計(jì)時熄滅，也可判別天亮后熄滅。一切由軟件設(shè)計(jì)人員抉擇。
由于單片機(jī)程序設(shè)計(jì)十分靈活，故這里用“開燈點(diǎn)”作為開燈標(biāo)記符，這個點(diǎn)可以是時間。也可以是天黑的“程度”。若定義的是時間，可以讓路燈從此時開始計(jì)時，點(diǎn)亮若干小時后熄滅；若是天黑的程度，可以讓路燈到了此天黑程度后開始點(diǎn)亮。此后既可計(jì)時熄滅，也可判別天亮后熄滅。一切由軟件設(shè)計(jì)人員抉擇。
太陽能路燈工作原理及電路圖二
電路原理見圖所示。該電路由以U5為核心組成的蓄電池過充電控制電路、以 U 4A ～U4D為核心組成的蓄電池電壓指示電路及顯示電壓按鈕開關(guān) KS1 電路、以 U1B 組成的蓄電池過放電控制電路、以 U1A組成的開燈檢測控制電路、以 U2 組成的開燈及延時熄燈及二次開燈定時控制電路，以及以控制三極管Q2驅(qū)動繼電器組成的輸出控制電路等組成?，F(xiàn)分別介紹如下。
(1) 過充電、過放電檢測保護(hù)部分太陽能電池組件板或陣列由插口 CZ1 的①腳輸入，加至防反充電二極管 D2 的正極．D2的負(fù)極接 12V 蓄電池的正極，即 CZ1 的③腳?？刂破髟诔跏忌想姇r，由于 C4 的作用使 U5②腳為低電平，③腳輸出高電平，Q7 導(dǎo)通； Q8 截止，允許太陽能電池給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池所充的電壓小于 14 ． 4V 時，由R13 、 (R38 十R39) 組成的串聯(lián)分壓電路送至 U5 ②、⑥電壓低于 2 / 3 U5 的供電電壓時，即小于6V，電路維持充電狀態(tài)；隨著充電時間的延長，蓄電池電壓逐漸升高，當(dāng) U5 ②、⑥的電壓高于 2 / 3 U5 供電電壓時，U5③腳輸出低電平， Q7 截止、 Q8 導(dǎo)通，給太陽能電池板泄放電流，停止對蓄電池充電。在U5③腳輸出低電平的狀態(tài)下，其⑦腳導(dǎo)通，相當(dāng)于將 1140 并入電路中。此時電路的分壓比為： R38+ R39/R40/IRl3+(R38+R39)/R40 ，不難算出，當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定值13V時．電路狀態(tài)再次翻轉(zhuǎn)，U5③腳輸出高電平，允許蓄電池充電。
(2) 開燈檢測方法與控制
太陽能電池板是一個很好的光敏元件，其輸出電流、電壓能隨著接受光的強(qiáng)度和照度變化而變化，本控制器就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)開、關(guān)燈控制的。太陽能電池板PVin 輸入電壓經(jīng) R5 、 R6 串聯(lián)分壓后；加至運(yùn)放 U 1A ②腳，其③腳接于 R9 、R8+VR1的分壓點(diǎn)上。在白天，太陽能電池板在陽光的照射下輸出電壓很高，其經(jīng) R5 、 R6 分壓后使運(yùn)放 U 1A②腳電壓高于③腳， U 1A①腳輸出低電平， Q1 截止， U2 無供電電壓不工作，Q2截止，繼電器不吸合，系統(tǒng)無輸出電壓，路燈不工作。隨著天色漸黑，太陽能電池板輸出電壓降低。 UlA ②腳的電壓也同步降低，當(dāng) U1A②腳電壓低于③腳時，比較器翻轉(zhuǎn)， U 1A ①腳輸出高電平， Q1 導(dǎo)通，定時電路 U2 得電工作， Q2 導(dǎo)通、JDQ1吸合點(diǎn)亮路燈。圖中 VR1 為路燈開燈時刻設(shè)置調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié) VRl 可設(shè)置不同時刻點(diǎn)亮路燈。DW1是鉗位二極管，作用是避免白天太陽能電池板接受的電壓過高導(dǎo)致 U 1A ②腳輸入電壓過高而損壞。 C1 為儲能電容，作用是防止 U1A②腳電壓瞬時突變誤點(diǎn)亮路燈。 R14 為反饋電阻．其作用是使 U 1A 成為一個遲滯比較器．防止和避免 U1A在開燈點(diǎn)附近振蕩而反復(fù)開、關(guān)路燈。
太陽能電池板是一個很好的光敏元件，其輸出電流、電壓能隨著接受光的強(qiáng)度和照度變化而變化，本控制器就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)開、關(guān)燈控制的。太陽能電池板PVin 輸入電壓經(jīng) R5 、 R6 串聯(lián)分壓后；加至運(yùn)放 U 1A ②腳，其③腳接于 R9 、R8+VR1的分壓點(diǎn)上。在白天，太陽能電池板在陽光的照射下輸出電壓很高，其經(jīng) R5 、 R6 分壓后使運(yùn)放 U 1A②腳電壓高于③腳， U 1A①腳輸出低電平， Q1 截止， U2 無供電電壓不工作，Q2截止，繼電器不吸合，系統(tǒng)無輸出電壓，路燈不工作。隨著天色漸黑，太陽能電池板輸出電壓降低。 UlA ②腳的電壓也同步降低，當(dāng) U1A②腳電壓低于③腳時，比較器翻轉(zhuǎn)， U 1A ①腳輸出高電平， Q1 導(dǎo)通，定時電路 U2 得電工作， Q2 導(dǎo)通、JDQ1吸合點(diǎn)亮路燈。圖中 VR1 為路燈開燈時刻設(shè)置調(diào)節(jié)電位器，調(diào)節(jié) VRl 可設(shè)置不同時刻點(diǎn)亮路燈。DW1是鉗位二極管，作用是避免白天太陽能電池板接受的電壓過高導(dǎo)致 U 1A ②腳輸入電壓過高而損壞。 C1 為儲能電容，作用是防止 U1A②腳電壓瞬時突變誤點(diǎn)亮路燈。 R14 為反饋電阻．其作用是使 U 1A 成為一個遲滯比較器．防止和避免 U1A在開燈點(diǎn)附近振蕩而反復(fù)開、關(guān)路燈。
(3) 路燈延時電路點(diǎn)亮、熄滅控制電路
延時控制電路選用 CD4541BE 可編程定時控制芯片，它功耗低、內(nèi)置可編程分頻器電路，最大分頻級數(shù)為 65536 級。
本控制器設(shè)計(jì)定時開燈和定時關(guān)燈時間調(diào)節(jié)范圍是： 2 ． 093 小時 -11 ． 93 小時．分別由 V ： R2 和VR3控制調(diào)節(jié)。
延時控制電路選用 CD4541BE 可編程定時控制芯片，它功耗低、內(nèi)置可編程分頻器電路，最大分頻級數(shù)為 65536 級。
本控制器設(shè)計(jì)定時開燈和定時關(guān)燈時間調(diào)節(jié)范圍是： 2 ． 093 小時 -11 ． 93 小時．分別由 V ： R2 和VR3控制調(diào)節(jié)。
(4) 蓄電池停止放電優(yōu)先控制電路
若在路燈欲點(diǎn)亮或已點(diǎn)亮?xí)r，蓄電池電壓已經(jīng)低于其允許終止放電值時， Q4 導(dǎo)通．此時無論 U 1A 輸出高電平與否，均會使Q1截止，從而保護(hù)蓄電池避免過放電損壞。
若在路燈欲點(diǎn)亮或已點(diǎn)亮?xí)r，蓄電池電壓已經(jīng)低于其允許終止放電值時， Q4 導(dǎo)通．此時無論 U 1A 輸出高電平與否，均會使Q1截止，從而保護(hù)蓄電池避免過放電損壞。
(5) 電池電壓指示電路
為了讓現(xiàn)場看管、維護(hù)人員及時了解、掌握蓄電池的狀態(tài)，本控制器設(shè)有 LED 電池電壓指示裝置，通過LLED點(diǎn)亮的數(shù)量指示蓄電池電壓的高低。
為了讓現(xiàn)場看管、維護(hù)人員及時了解、掌握蓄電池的狀態(tài)，本控制器設(shè)有 LED 電池電壓指示裝置，通過LLED點(diǎn)亮的數(shù)量指示蓄電池電壓的高低。
2 ．電路調(diào)試
制作中發(fā)現(xiàn)。 NE555 時基電路的實(shí)際狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即 1 / 3V( ： C 與 2 /3VCC狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)跳變點(diǎn)并不是嚴(yán)格遵循理論值。通過調(diào)節(jié)電阻 R13 可實(shí)現(xiàn) 14 ． 4V 的過充電控制。將R13由設(shè)計(jì)的100kΩ換為 120k Ω即可達(dá)到實(shí)際要求。同理，通過調(diào)節(jié) VR4 可校準(zhǔn)蓄電池指示電壓。
制作中發(fā)現(xiàn)。 NE555 時基電路的實(shí)際狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，即 1 / 3V( ： C 與 2 /3VCC狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)跳變點(diǎn)并不是嚴(yán)格遵循理論值。通過調(diào)節(jié)電阻 R13 可實(shí)現(xiàn) 14 ． 4V 的過充電控制。將R13由設(shè)計(jì)的100kΩ換為 120k Ω即可達(dá)到實(shí)際要求。同理，通過調(diào)節(jié) VR4 可校準(zhǔn)蓄電池指示電壓。
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