基于PIC的太陽能與市電互補照明系統(tǒng)控制器

利用太陽能照明是人類開發(fā)利用太陽能的一個主要用途，然而，由于太陽能輻射的不連續(xù)性和間歇性，以及目前單純太陽能照明系統(tǒng)的投資和成本較高、部分技術(shù)不夠成熟等原因，太陽能照明系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在連續(xù)陰雨天時，由于蓄電池電壓不足而導(dǎo)致負載不能點亮的情況。將太陽能與市電組成雙電源互補供電照明系統(tǒng)，不僅可以有效解決太陽能利用不穩(wěn)定的問題，還可以適當(dāng)減小太陽能電池和蓄電池的容量，降低開發(fā)利用太陽能技術(shù)的成本，同時滿足系統(tǒng)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(shè)計的控制器供街道和住宅小區(qū)夜間利用太陽能和市電互補照明系統(tǒng)使用，根據(jù)照明實際狀況，設(shè)計控制器具有如下功能：

　(1)支持12 V直流系統(tǒng)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(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能；
　(5)蓄電池電量不足時，自動切換到市電電源供電；
　(6)能檢測太陽能電池的電壓，自動轉(zhuǎn)換工作模式；
　(7)能檢測蓄電池的電壓，對蓄電池的充、放電過程進行控制；
　(8) 具有防反充電保護、過充電保護、過放電保護和負載短路保護功能；
　(9)具有電子時鐘和計時功能。

　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(nèi)部含A/D）、時鐘電路、電壓采樣電路、開關(guān)驅(qū)動電路、時鐘控制和數(shù)碼管顯示電路組成。單片機PIC16F877A是控制器的核心，外圍電路包括開關(guān)控制電路（C1～C3）、數(shù)碼管顯示及驅(qū)動（A～G/Dig_EN1~Dig_EN6）電路、工作狀態(tài)顯示等。

2 主要電路設(shè)計及器件選型

2.1 PIC16F877A

單片機是控制器的核心，系統(tǒng)工作時需要采集太陽能電池和蓄電池的電壓。太陽能電池的輸出電壓受溫度和太陽輻射強度等外界因素影響較大，這就要求系統(tǒng)的實時性比較高，即要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。故設(shè)計中選用了內(nèi)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，在保持低價格的前提下具有很高的性能。

　本文設(shè)計的控制器主要用到PIC16F877A的如下一些資源：

(1)16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB片內(nèi)SRAM，10 000次擦寫壽命。程序存儲空間足夠大，不需要額外擴展存儲器；10 000次的擦寫壽命方便進行程序調(diào)試；
　(2) 2個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器。用于按鍵去抖和計時；
　(3) 1個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器。用作調(diào)節(jié)PWM控制信號的占空比，控制充電開關(guān)；
　(4) 8路10位ADC。使用其中的2路ADC通道分別對太陽能電池工作電壓、蓄電池工作電壓采樣；
　(5) 使用2個中斷源，外部中斷和定時器中斷，分別用于計時和按鍵；
　(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(tǒng)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(yīng)能如實地反映檢測量。設(shè)計中利用精度為0.1%的精密電阻組成簡單的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，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 控制開關(guān)驅(qū)動電路

控制器的主要控制對象是3個控制開關(guān)C1～C3。分別是蓄電池的充電開關(guān)、蓄電池放電（供電）開關(guān)和市電供電開關(guān)。開關(guān)的狀態(tài)由單片機根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制：白天太陽能電池向蓄電池充電，開關(guān)C1閉合，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，儲存在蓄電池中，當(dāng)蓄電池電壓出現(xiàn)過充時，控制器斷開充電開關(guān)C1；晚上主要由蓄電池向負載供電，開關(guān)C2閉合，當(dāng)蓄電池電壓不足（欠壓）時，蓄電池供電開關(guān)C2斷開，控制器自動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、放電和市電供電時開關(guān)的驅(qū)動電路。

　在充電控制電路中，用肖特基二極管來實現(xiàn)防蓄電池反充電保護，防止晚上蓄電池向太陽能電池反充電。同時設(shè)計了防止蓄電池過充的保護電路，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）開關(guān)的控制信號由單片機輸出的高低電平直接控制，實現(xiàn)了深夜半功率供電功能。市電供電開關(guān)電路中使用繼電器[5]。

3 控制器性能測試

本文對所設(shè)計的系統(tǒng)控制器的功能進行了初步測試，部分測試結(jié)果如下。

(1)指示燈測試系統(tǒng)工作狀態(tài)

　蓄電池脈沖充電情況測試。當(dāng)TVcc>0.7 V時，天亮；此時12 VVcc15 V，蓄電池脈沖充電，脈沖充電指示燈DS2點亮。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(zhuǎn)換功能以及控制器工作時整個系統(tǒng)的性能進行了測試和分析，測試結(jié)果表明系統(tǒng)控制器可以很好地完成各項功能，并且運行良好。

　本文所設(shè)計的基于PIC16F877A的系統(tǒng)控制器，充分利用單片機的內(nèi)部資源，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點。經(jīng)調(diào)試實驗證明，控制器各項功能完成良好，具有較高的實用價值和良好的應(yīng)用前景，對太陽能LED照明系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有參考意義。