太阳能路灯控制器设计课程设计

太阳能路灯控制器设计
摘要
为了提高太阳能光伏控制器的性价比，设计了运用单片机的太阳能光伏控制器。

本控制器具有效率高、可靠性高、运行稳定、性价比高、适宜批量生产的特点。

控制器实现了基于单片机PIC16F711的工作状态控制和蓄电池能量管理，满足了太阳能光伏控制器在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求。

蓄电池充放电精确控制也在此控制器中得到实现。

实验结果表明，应用此控制器的太阳能光伏系统效率高、运行稳定，蓄电池寿命也可延长。

关键词：太阳能，单片机，充放电电路，锂蓄电池
1 绪论
1.1 课题背景
能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。

随着科学技术和全球经济地飞速发展，对能源的需求也在日趋增长。

自20世纪70年代的世界石油危机以来，人们才真正意识到，化石燃料的储量是有限的，能源危机迫在眉睫。

从全球来看，已探明的可支配的传统能源储量在不久的将来即将耗尽，能源问题的突出，不仪表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用对牛态环境的污染破坏：大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，局部地区形成酸雨。

而每年排放的大量二氧化碳带来的温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。

常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战。

这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源，实现可持续发展。

光伏发电具有取之不尽且无污染等优点，日前在我国，光伏发电主要应用在如下领域：西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气象台站、航标灯和照明路灯。

光伏发电的照明路灯应月J具有节能性、经济性和实川性等优点，在众多应用领域中具有最广泛的发展前景。

本课题为研制一套独立光伏电源控制器，廊州于LED路灯照明系统。

通常独立照明系统由太阳能电池、蓄电池、充放电控制器和负载LED组成。

由于系统的稳定性严格受到蓄电池和LED寿命的影响，本课题研制的充放电控制器通过实时监测系统允放电回路的相关信息，确定相应的允放电策略，实现了稳定太阳能电池输出、优化蓄电池充电方法和保护蓄电池及负载
的目的，最终提高了太阳能电池的利用率和整个照明系统的可靠性。

1.2 设计指标
本设计的设计要求指标如下:
1、锂蓄电池电压的检测
2、锂蓄电池电流的检测
3、充放电控制电路的检测
4、路灯的电量控制
1.3 设计思路
本文设计了一种基于单片机的太阳能路灯控制器。

采用PWM 脉冲调制控制保护技术。

充放电控制器是太阳能路灯的核心部件，针对锂蓄电池充电的特殊要求，本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，省却硬件补偿的费用，降低了成本。

由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种摔制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定何效地运行。

同时设计MPPT控制器，MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。

所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。

下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。

要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。

所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。

这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp 会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V! 现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。

传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果
变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。

但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。

那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。

MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。

它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。

就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。

电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。

理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高 20%-30%。

从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。

2 方案选择及单元电路的设计
2.1 方案选择及方框图
2.1.1 方案选择
由单片机根据采集到的控制器的充放电电压电流参数，发出各种控制信号。

实现充放电控制，是使充放电系统能稳定有效地运行。

更好的保护了锂电池。

延长整个太阳能路灯系统的使用年限。

2.1.2 方框图
太阳能路灯充放电控制器的电路框图2-1所示。

太阳能电池板接收光照并把太阳能转化为电能，通过充放电控制器为锂蓄电池充电。

锂蓄电池放电同样通过通过控制器来控制LED照明电路。

图2-1
单片机作为太阳能路灯控制系统的核心。

太阳能控制器设计的好坏关系到整
个系统能否正常运行。

控制器的核心是PICl6F711。

它是目前世界上片内集成外围模块最多、功能最的单片机品种之一，是高性能的8位单片机。

它采用哈佛总线结构和
RISC技术，指令执行效率高．功耗极低．带有FLASH程序存储器，配置有5个端口33个双向输入输出引脚，这些引脚大部分有第二、第三功能．内嵌8个10位数字量精度的AD转换器，配有2个可实现脉宽涮制波形输出的CCP模块。

控制器主要的工作是白天实现太阳能电池板对蓄电池充电的控制。

晚上实现蓄电池对负载放电的控制。

2.2 部分单元电路的原理
2.2.1太阳能电池
（1）太阳能电池的种类
太阳能光伏发电系统是利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的。

太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。

它的尺寸约4平方厘米到100平方厘米。

太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50伏，一般不能单独作为电源使用。

将姗能电池单体进行串联，并联和封装后，就成为太阳能电池组件。

它的功率从几瓦到几百瓦，可以单独作为电源使用。

太阳能电池再经过串联，并联并装在支架上，就构成了大阳能电池方阵。

它可以输出几百瓦，凡千瓦或更大的功率，是光伏电站的电能产生器。

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。

目前世界上有三种己经商品化的硅太阳能电池:单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

（2）太阳能电池的保护
光伏系统在运行中要注意对太阳能电池组件(俗称太阳能板)的保护。

这种保护分为两类机械化学方面的保护和电方面的保护。

机械化学方面的保护是指在封装及安装太阳能板的时候要考虑其防腐，防风，防雹，防雨的能力电方面的太阳
能光伏发电系统的基本组成与基本原理保护是指连接旁路二极管，连接防反充二极管等。

在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，将被当作负载消耗其它有光照的太阳能电池组件所产生的能量。

被屏蔽的太阳能电池组件将发热，这叫热斑效应。

为了防止太阳能电池组件由于热斑效应而受到破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。

在太阳能板的保护中还用到一种防反充二极管，又称阻塞二极管，其作用是避免由于太阳能板在阴雨天和夜间不发电时，或太阳能板出现短路故障时，蓄电池组通过太阳能板放电。

防反充二极管串联在太阳能板中起单向导电作用。

大型系统中还要防雷。

2.2.2锂蓄电池的充电特性
路灯蓄电池选用锂离子电池。

锂电池具有重量轻容量大无记忆效应等优点，因而得到普遍应用。

锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 1.5-2倍，而且具有很低的自放电率。

此外，锂电池似乎没有记忆效应以及不含有毒物质等优点。

但是对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。

影响蓄电池寿命的因素有:放电深度，过充电程度等。

在光伏系统中蓄电池的放电深度不是恒定的，它随天气状况和季节而变。

在天气晴朗的夏日，蓄电池放电深度小;在天气阴沉的冬日，蓄电池放电深度大。

过充电程度也随季节天气变化，在冬季，蓄电池可能从没充满过，在夏天，蓄电池可能经常是满的。

为了延长蓄电池的寿命，必须合理的控制蓄电池的放电与充电。

当蓄电池放电到一定程度时，应停止放电，防止过放电减少蓄电池寿命;当蓄电池充电到一定程度时要停止充电和减小充电电流，防止不合理的过充电对蓄电池造成损害。

锂蓄电池的充电曲线如图2-2
0.25A
0.5A
0.75A 1A 1.25A
1.5A 1.75A 最大充电电流
快充到减充过渡点
浮充电压
充电终止电流
预充电流
预充到快充过渡电压
电压
电流
13V 14V
15V
16V
图2-2 锂蓄电池充电曲线
锂蓄电池的充电过程：
（1）如果开始充电时，电池电量很低，那么必须用小电流（大概0.24A）开始充电，即涓流充电。

如果电压高于13V就不必进行这个步骤。

（2）当电池电压大于13V可以开始大电流充电，恒流充电。

随着充电的进行，电池电压逐渐升高。

（3）当电池电压达到或接近充满电压（如16.8V左右）时，则要开始转入恒压充电：当电流减少到大概0.25A左右，则停止充电。

2.2.3 锂蓄电池温宿补偿
锂蓄电池的容量是随温度的变化而变化的；温度升高，蓄电池的容量将增大；温度低，蓄电池的容量将减小。

如果充电电流维持不变，相应的充电倍率将不变，不同的充电倍率对应不同的过充点，因此，要采用温度补偿队蓄电池进行保护。

单片机PIC16C711通过采样温度参数，实时检测当前温度，进行温度补偿。

温度补偿使用NTC热敏电阻。

根据国家标准，温度补偿的范围为-3—7Mv/K,方案设计取中间值-5Mv/k。

2.2.4 控制器充放电电路
充放电电路图如图2-3。

图2-3 控制器充放电电路图
单片机控制充，放电驱动Q1和Q2。

（1）当蓄电池电压处于正常情况下，单片机控制的充电驱动MOS管Q1（IRFZ44）为高电平截止，三极管Q3导通，PWM占空比为零，此时太阳能电板想蓄电池恒流充电；当蓄电池电压达到13.6V时，单片机控制充电驱动Q1为高电平时，Q3导通，Q1截止，通过控制占空比，使Q1实现通断控制，此时处于恒压浮充状态；当电流下降到某值时，进行恒流充电；但蓄电池电压达到设定的过充点14.4V时，再进行恒压涓流充电；涓流小到某一值，单片机控制的充电驱动Q1进行短路保护；当蓄电池电压下降到某设定值时，Q3重新导通，Q1截止，恢复为正常充电状态。

（2）当蓄电池电压处于正常情况下，单片机控制的放电驱动MOS管Q2（IRFZ44）为低电平，三极管Q4截止，Q2导通，此时负载输出正常；当蓄电池电压低于设定的过放点时，单片机控制的放电驱动Q2为高电平，Q4导通，Q2截止，此时负载无输出；当蓄电池电压达到12.6V时，单片机控制的放电驱动T2为低电平，Q4截止，MOS管Q2导通，此时恢复对负载供电。

2.2.4 MOS管驱动电路
开关管的选择考虑到太阳能电池的功率和负载的功率不一致，可用不同的MOS管做充放电的开关管，用小功率的MOS管要考虑温度因素，必要的话必须加散热器。

为了提高可靠性，降低成本，经大量的试验和分析比较，表明在3A电流工作范围内，可选用IRFZ44，IRF540，IRF530，50N60等，基本不需加散热器；5A 电流工作范围内，须加小散热器；8A 电流工作范围内，2807，3205，150，064等要加小散热器，带载能力较强，价格高；其他MOS管要加大散热器，10A以上都
应该加大散热器。

在元件选用上，应根据具体情况加以选择。

本设计采用IRFZ44
驱动信号由单片机发出，为TTL电平，不能直接驱动MOS管，用三极管进行平转换。

电路图如图2-4：
MOS管栅极C
图2-4 M0S管的驱动电路图
图中Vd为蓄电池正极电压，R1为三极管基极限流电阻。

R2为集电极电阻。

DW为18V 稳压二极管，它与R3一起限制控制信号的电压G<18V。

输出信号与G端信号反相。

当单片机输出“1”时，G端为0V时，G端电压为Vd。

2.2.5 显示电路
目前，多数太阳能灯选用LED作为光源，LED寿命长，可以达到100000小时以上，而且工作电压低，非常适合应用在太阳能路灯系统上。

特别是LED技术已经实现了其关键性的突破，其特性在过去的几年中有了很大地提高，性能价格比也有较大地突破。

其优点如下：
1、节能：LED发光颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，人眼感到同样亮度时所需的光强就低许多，例如，在道路照明中采用98瓦的LED路灯，其照明效果就相当于250瓦的高压钠灯。

2、长寿：由于大功率LED路灯是由很多LED光源组成，即使个别损坏了也不会对正常照明产生太大影响，不像高压钠灯损坏时全灯熄灭，因此大功率LED路
灯的可靠性比高压钠灯的可靠性提高了许多倍，大功率LED路灯寿命长达5万小时是高压钠灯的十几倍，户外使用寿命长达10年以上。

3、显色性好：大功率LED路灯显色性大大高于高压钠灯，高压钠灯以金属钠蒸汽为发光源，光线呈单一偏黄，与阳光相差甚远，而LED路灯发出的是白色光，色彩更真实，也不存在危害性的紫外光线和红外光线，不吸引昆虫。

4、无频闪：大功率LED路灯采用直流供电，加上光电独有的恒流装置，使大功率LED路灯发光恒定，彻底无闪烁。

此控制器采用两个双色LED发光二极管，LED1显示充电状态，LED2显示放电状态。

(1)充电时蓄电池电压高于13.0V时，LED1显示红色；当蓄电池电压在13.0-13.6V之间时，LED2显示橙色；当蓄电池电压高于14.4V时，LED1显示绿色。

(2)放电时当蓄电池电压高于11.1V时，LED2显示红色；当蓄电池电压在12.2-12.6V之间时，LED2显示橙色；当蓄电池电压高于12.6V时，LED2显示绿色。

两个双色LED发光二极管显示非常直观，取代了以往多个指示灯。

3 锂蓄电池电压电流的检测
3.1锂蓄电池电压的检测
PIC16C711单片机带有4路8位A／D转换器，转换器的输入电压范围为：0～5V，转换后相应的数字量范围：0～255。

将蓄电池电压Vd的最高值定于25．5V，利用电阻分压的方式将其转换为0～5V。

电路如图4-1
Vd
图4-1
Vi=R2/(R1+R2) ×Vd，取R2=20 KΩ，R1=82 KΩ，代入数值则由Vi=10/51Vd
故蓄电池电压：Vd=0-25．5V；相应模拟电压：V i=0-5.OV；相应的数字量：D=0-255。

当计算机采样值为X时，计算蓄电池电压公式为：Vx=X/10 V
A／D转换数字波动范围为±1LSB。

故电压测量波动范围±0．1V。

3.2 锂蓄电池电流的检测
检测比较大的直流的方法不多，本设计采用一个小电阻R(0.05欧姆)来检测电流，小电阻两端的电压通过运放放大，经A/D转换后输入单片机中，测得电压后除以放大倍数得到实际电压，再根据欧姆定律U=I/R计算出电流I的大小。

用一个小电阻来检测电流存在的问题是：小电阻的阻值会发生变化。

实际上绝对线性的电阻是不存在的。

例如，绝大多数金属导体的电阻都随温度的升高而升高，当电流通过导体时，将电能转化为热能，使金属的导体的温度升高，阻值就不是常数，而是随着电流或电压变化。

本系统中检测出来的充电电流跟实际的充电电流不一样，但存在一个规律是：电流越大检测出来的充电电流跟实际电流的偏差就越大，它们成线性的关系。

这是由于小电阻阻值随温度变化造成的。

表4-2是实验采集的单片机测得电流和实际电流的一些数据。

这两组数据存在线性的关系，首先利用Matlab对第一列的数据进行处理，首先求出它的关系式，假设关系式为：y1=a(1)
·x+a(2);
使用Matlab 求出系数a(1)=0.0100和a(2)=0.2100所以这组数据可以用关系式：y1=0.01x+0.21来表示。

采集的数据和线性拟合后的曲线如图4-3。

0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2051015202530350.6
0.65
40
图4-3实际电流数据采集和线性拟合
对第二列的数据进行处理，首先求出它的关系式，也假设关系式为：y2=a(1)·x+a(2);
使用Matlab 求出系数a(1)=0.0147和a(2)=0.2109所以这组数据可以用关系式y2=0.0147·x+0.2109来表示。

采集的数据和线性拟合后的曲线如图4-4。

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0510152025303540
图4-4单片机检测出的电流数据采集和线性拟合
（y2-0.2109）结合关系式y1和y2便可得到两列数据的关系式y1=0.680272·
+0.21，其中y1表示实际的电流，y2表示单片机检测出来的电流，单片机检测出来的电流y2通过上式的转换后变成y1,便是实际的电流。

4 整机电路及其工作原理
4.1整机电路原理图
控制器的整体电路图如图3-1。

图3-1 控制器整体电路图
太阳能电池板接收太能光将太阳能转化为电能由单片机根据采集到的充放电电压电流参数发出各种控制信号，实现充放电控制。

使充放电系统能稳定有效地运行。

更好的保护锂电池。

延长了整个太阳能路灯系统的使用年限。

太阳能LED 路灯系统由太阳能电池板、LED路灯控制器、锂蓄电池以及LED路灯模块组成。

在整个系统中，充放电控制器处在核心地位，其工作的好坏直接决定了整个系统的
性能。

本文设计的控制器以PWM充电技术为核心，具备蓄电池过充、过放保护、太阳能电池过压保护、负载短路保护等多种保护功能。

4.1.1 充电部分的控制
本方案采用PWM 脉冲调制控制保护技术，不仅能有效地保护蓄电池，防止过充电现象的发生，还能快速、平稳地为蓄电池充电。

所谓PWM控制就是控制输出波形的占空比，周期并不改变，通过开关管的导通与闭合来控制充放电。

锂电池的充电曲线图如图2-2，蓄电池的电压低于13V时，单片机输出一个相应占空的脉冲，控制三极管(Q1)通和断的时问，从而控制场效应管IRFZ44(Q3)的通和断，使到充电的电流为0．24A 左右，此时处于预充状态。

蓄电池的电压高于1 3V 时，单片机输出一个高电平(相当于PWM 占空比为1)，三极管(Q1)导通，场效应IRFZ44(Q3)处于截断状态，此时太阳能电池板以最大的电流为蓄电池充电一一恒流充电。

当蓄电池电压接近或等16．8V 时，通过控制占空比，也使场效应管IRFZ44(Q3)实现通断控制，使充电状态处于恒压浮充状态。

当电流小于一个值(0．24A)时，单片机就输出一个低电平，使场效应管IRFZ44(Q3)完全导通，停止给蓄电池充电。

4.1.2 放电照明部分的控制
当单片机控制照明灯的控制脚输出高电平(5V)的时候，三极管Q2就会导通，三极管02集电极E的电压变低(约为0V)，此时加到场效应管(Q4)栅极的电压就会变低，场效应管就截止，流过照明灯的电流减少到0。

相反，当单片机控制照明灯的控制脚输出低电平(OV)的时候，三极管Q2就会截止，三极管Q2集电极E的电压高，此时加到场效应管(Q4)栅极的电压也就高，场效应管就导通，流过照明灯(LED灯)的电流大，照明灯打开。

4.2 整机工作原理
控制器的整体工作原理图如图3-2。

图3-2 太阳能路灯控制器的工作原理图
太阳能LED路灯系统由太阳能电池板、LED路灯控制器、锂蓄电池以及LED 路灯模块组成(如图1所示)。

在整个系统中，充放电控制器处在核心地位，其工作的好坏直接决定了整个系统的性能。

本文设计的控制器以PWM充电技术为核心，具备蓄电池过充、过放保护、太阳能电池过压保护、负载短路保护等多种保护功能。

控制器是连接太阳能电池板，蓄电池和负载的钮带。

它必须具备以下几个基本功能：①过压保护：当蓄电池电压高于一定值时，停止充电。

②欠压保护：当蓄电池电压低于一定值时，停止放电。

③恢复充电：当蓄电池电压低于一定值时，重新恢复充电。

④恢复放电：当蓄电池电压高于一定值时，重新恢复放电。

⑤状态指示：太阳能电池板的供电状态和负载接通情况应指示。

⑥防雷击：因太阳能电池板多半放置在户外，而且有一定的高度，容易受雷击，增加防雷击功能是必要的。

为了使控制器适应太阳能街灯等环境，充分利用现有的硬件资源增加白天黑夜的检测功能，以便白天关负载，黑夜自动点亮，满足各种用户需求。

作为可扩展功能。

5 系统软件设计
5.1 设计思路
以单片机为核心的控制软件具有实时性、灵活性、通用性及运行可靠性的特点，现在对太阳能充电控制器软件的设计思路介绍如下：
1、首先主程序要完成系统初始化，为了在初始化的过程中，防止中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭中断，完成初始化后，再打开中断。

2、由于本系统是11V／14.4V自动识别，因此要在程序中必须判别。

具体为，当蓄电池两端电压大于13.4V时，满足14.4V的系统，否则为11V系统，判别系统后转到相应的程序处继续执行。

3、判断太阳能极板的两端电压，来区分是白天还是黑天。

若为白天，转为白天的处理程序；若为黑天转到黑天的处理程序。

4、白天处理程序中，要判断蓄电池的两端电压，在决定是否采取充电控制，充电控制方式采用PWM控制。

并有指示灯时刻现实蓄电池两端电压处于何种状态，让用户一目了然。

5、充电过程会发热，所以要有温度补偿程序，保护蓄电池。

6、黑天处理程序中，按照选择的工作模式工作，工作模式即为负载的工作时间。

7、定时处理程序主要完成系统程序的工作时序，定时处理能使整个程序有条不紊的按照系统的要求完成任务。

控制器软件的设计完全按照结构化的程序设计方法来完成，将整个程序细分为若干个子程序，方便调试与检查。

开发系统采用通用编程器TOP一2048，利用C 语言使得整个软件开发变得简单、快速、易于调试。

主软件流程见图5-1。

系统源代码见附录3。

同时就几个主要的子程序做简单的介绍。

5.2系统主程序流程
主程序流程图如图5-1所示。