太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器

　　1.蓄電池過(guò)充電與過(guò)放電保護(hù)；

　　2.自動(dòng)恢復(fù)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(shù)：

　　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(fù)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(shí)。要實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)，除了通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(jié)能意識(shí)外，開(kāi)發(fā)新能源的應(yīng)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(xiàn)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(chǔ)藏起來(lái)，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲(chǔ)藏的電能，要實(shí)現(xiàn)這一功能就需要一個(gè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器，本文介紹一款用單片機(jī)電路設(shè)計(jì)制作的這種裝置。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　本文介紹的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)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(jù)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(zhǎng)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(tǒng)控制器的電路見(jiàn)圖1。電路由單片機(jī)電路、充電控制電路、放電控制電路等部分組成。

　　一、單片機(jī)電路

　　IC1、R9、C3等組成單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，其中R9、C3為上電復(fù)位電路，IC使用PIC12F675，它雖然只有8只引腳，功能卻比較強(qiáng)大，引腳見(jiàn)圖2。

　　PIC12F675片內(nèi)含1KB的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、64B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)用功能的I/O引腳GP0~GP5。

　　PIC12F675可以選擇外部或內(nèi)部振蕩器，這里使用了內(nèi)部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內(nèi)有一個(gè)帶有8 位可編程預(yù)分頻器的8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0和一個(gè)帶有預(yù)分頻器的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器Timer1，一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)模擬比較器。

　　VT5、VT6等組成充電控制電路，當(dāng)PIC12F675的GP2腳輸出低電平時(shí)，VT5截止、VT6飽和導(dǎo)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(fù)載可增加使用的靈活性，當(dāng)程序?qū)IC12F675的GP4、GP5腳采取不同的控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如GP4作常規(guī)控制，GP5增加夜燈控制功能，只有在天黑以后蓄電池才對(duì)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(fù)載1）為例，當(dāng)GP5輸出低電平時(shí)，蓄電池通過(guò)VD8、VT1向負(fù)載供電。

　　二、充放電控制器

　　本文介紹的控制器采用A/D轉(zhuǎn)換的方式測(cè)量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)和已儲(chǔ)存的過(guò)充電電壓、過(guò)放電電壓、恢復(fù)供電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)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(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端。

　　A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的VDD，即5V作為參考電壓。

　　R10、VD5、C1、C2等組成單片機(jī)5V穩(wěn)壓電源。

　　VD7、保險(xiǎn)絲FUSE組成防蓄電池反接電路，當(dāng)蓄電池接反時(shí)VD7導(dǎo)通，通過(guò)保險(xiǎn)絲FUSE使蓄電池短路，燒斷保險(xiǎn)絲，從而蓄電池?cái)嗦?，起到保護(hù)電路和負(fù)載的作用。保險(xiǎn)絲FUSE同時(shí)也起到過(guò)載保護(hù)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(shè)蓄電池的電壓為U）：

　　充電工作情況：

　　當(dāng)U≤14.8V時(shí)GP2輸出低電平，太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電；

　　當(dāng)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(dāng)U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5輸出低電平，蓄電池對(duì)負(fù)載放電。

　　2.?當(dāng)U≤10.8V時(shí)，GP4、GP5輸出高電平，蓄電池停止對(duì)負(fù)載放電。

　　3.?U隨著充電逐漸上升，當(dāng)U＞10.8V時(shí)，電路并不立刻恢復(fù)蓄電池的供電，否則會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)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(shè)置了一個(gè)電壓的回差，當(dāng)蓄電池充電恢復(fù)到U＞12.3V時(shí)，GP4、GP5再輸出低電平恢復(fù)供電。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　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(zhuǎn)換子程序、延時(shí)子程序、數(shù)值比較子程序等組成。

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

　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序使用了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0，Timer0使用內(nèi)部時(shí)鐘源，預(yù)分頻器采用256分頻。由于PIC12F675的內(nèi)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(jì)數(shù)器TMR0計(jì)數(shù)脈沖的周期為256μs，因此如果它的初始值取61，則計(jì)滿256個(gè)數(shù)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(shè)置了一個(gè)計(jì)數(shù)變量N，每中斷1次計(jì)1個(gè)數(shù)，每計(jì)滿20個(gè)數(shù)時(shí)測(cè)量一下蓄電池的電壓，即每過(guò)1s測(cè)一下蓄電池的電壓，程序根據(jù)測(cè)量結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

　　PIC12F675有4通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，這里使用了AN0和AN1兩個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)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(duì)齊，即前8位存入ADRESH，后兩位存入ADRESL，如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為5V，能轉(zhuǎn)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(dāng)輸入的模擬電壓值為5V時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023=1111111111B，這時(shí)ADRESH=11111111B=FFH，ADRESL=11000000B=C0H。以蓄電池電壓取樣為例，當(dāng)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(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023×3.61／5=739，程序中把每次檢測(cè)蓄電池電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換值同739比較大小，當(dāng)值大于739時(shí)即認(rèn)為充電結(jié)束。程序中要用到的蓄電池各種控制電壓值所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表1。

表1

名稱 電壓（V） A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(fù)供電電壓 12.3 614 99H80H

表2

序號(hào)元件名稱位號(hào) 型號(hào)規(guī)格 數(shù)量
1 單片機(jī) 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(wěn)壓二極管 3
13 VD5 5V穩(wěn)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(yīng)管 VT1、VT3、VT6IRF3205 3
20 集成電路插座 DIP8 1
21 保險(xiǎn)絲 FUSE 5A1
22 電路板PCB板 1

　　制作與調(diào)試

　　先將目標(biāo)文件gfkzq.HEX寫(xiě)入單片機(jī)PIC12F675，按圖4對(duì)有關(guān)配置位進(jìn)行設(shè)置，具體燒寫(xiě)方法見(jiàn)《無(wú)線電》雜志以前的文章。控制器的印制電路圖見(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(hào)規(guī)格和數(shù)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(diào)試時(shí)主要是測(cè)試電壓控制點(diǎn)是否準(zhǔn)確，只要調(diào)準(zhǔn)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(zhǔn)確了，這里選擇調(diào)節(jié)過(guò)充電電壓。由于控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)的5V工作電壓，因此5V穩(wěn)壓電源電壓的大小影響到控制電壓的精度，調(diào)試時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量此電壓，誤差較大（超過(guò)±0.2V）時(shí)應(yīng)調(diào)換5V穩(wěn)壓二極管。

　　接下來(lái)在充電的過(guò)程中測(cè)量蓄電池的電壓，當(dāng)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(dāng)此值偏離14.8V較大時(shí)，可通過(guò)改變?nèi)与娮鑂11、R12的分壓比來(lái)調(diào)整，當(dāng)測(cè)量值大于14.8V時(shí)，減小R11或增加R12的阻值，調(diào)大分壓比；反之增加R11或減小R12的阻值，調(diào)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(dāng)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(jù)蓄電池的容量和使用要求確定。