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單片機的太陽能路燈控制器設計
 
發布時間:2009.11.27 新聞來源:單片機的太陽能路燈控制器設計 瀏覽次數:
 

  本文介紹基于單片機的太陽能路燈控制器的設計,對12 V和24 V蓄電池可自動識別,可實現對蓄電池的科學管理,指示蓄電池過壓、欠壓等運行狀態,具有兩路負載輸出,每路負載額定電流可達5 A,兩路負載可以隨意設置為同時點亮、分時點亮以及單獨定時等工作模式,同時具有負載過流、短路?;すδ?;具有較高的自動化和智能化水平。

  2硬件電路組成及工作原理

  2.1系統硬件結構

  太陽能路燈智能控制器系統硬件結構如圖1所示,該系統以STCl2C5410AD單片機為核心,外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集,用于太陽光線強弱的識別以及蓄電池電壓的獲取。單片機的P3口的兩位作為鍵盤輸入口,用于工作模式等參數的設置。

 

  2.2 STCl2C5410AD單片機

  STCl2C5410AD是STCl2系列單片機,采用RISC型CPU內核,兼容普通8051指令集,片內含有10 KB Flash程序存儲器,2 KB Flash數據存儲器,512 B RAM數據存儲器。同時內部還有看門狗(WDT);片內集成MAX810專用復位電路、8通道10位ADC以及4通道:PWM;具有可編程的8級中斷源4種優先級,具有在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP),片內資源豐富、集成度高、使用方便。STCl2C5410AD對系統的工作進行實施調度,實現外部輸入參數的設置、蓄電池及負載的管理、工作狀態的指示等。為充分使用片內資源,本文所設置的參數寫入Flash數據存儲器內。 2.3鍵盤電路

  P3.4(TO)接F1鍵,用于設置狀態的識別及參數設置;P3.5(T1)接F2鍵,用于自檢及"加1"功能,根據程序流程,分別實現不同功能。

  2.4電壓采集與電池管理

  太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時本系統支持太陽能板反接、反充?;?。

  蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路??刂破鶻囟細涸?,以保證負載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路,控制器由于自身得不到電力,不會有任何動作。當充電電壓高于?;さ繆?15 V)時,自動關斷對蓄電池的充電;此后當電壓掉至維護電壓(13.2V)時,蓄電池進入浮充狀態,當低于維護電壓(13.2 V)后浮充關閉,進入均充狀態。當蓄電池電壓低于?;さ繆?11 V)時,控制器自動關閉負載開關以?;ば畹緋夭皇芩鴰?。通過PWM充電電路(智能三階段充電),可使太陽能電池板發揮最大功效,提高系統充電效率。本系統支持蓄電池的反接、過充、過放。

  2.5負載輸出控制與檢測電路

  本系統設計了兩路負載輸出,每路輸出均有獨立的控制和檢測,具有完善的過流、短路?;ご朧?電路原理如圖2所示。設計了兩級?;ぃ旱諞患恫捎昧擻蒖7(0.01 Ω康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路,配合單片機的A/D轉換及外部中斷響應來實現負載過流及短路?;?,是一種硬件 軟件的方式,LM358的輸出送PL.7(A/D轉換)口,用作過流信號識別,當電流超過額定電流20%并維持30 s以上時,確認為過流;短路電流整定為10 A,響應時間為毫秒數量級。第二級采用了電子保險絲?;?,當流經電子保險絲的電流驟然增加時,溫度隨之上升。其電阻大大增加,工作電流大大降低,達到?;さ緶紡康?,響應時間為秒數量級,過流撤消或短路恢復后電子保險絲恢復成低阻抗導體,無須任何人為更換或維修。系統采用了兩級?;ご朧┖?,在長達數小時的負載短路實驗后,控制器仍沒出現電路燒毀現象。解決了用傳統保險絲只能對電路進行一次性?;ひ約耙壞┢骷棧儔匭肴宋壞奈侍?,同短路后需手動復位或斷電后重新開啟的系統相比,也具有明顯的優點。簡化了太陽能路燈控制器維護,提高了系統的安全性能。

  2.6硬件設計過程中的注意事項

  (1)感應雷?;さ緶酚ι杓圃諤裟艿緋匕逡呷肟詿?,?;さ緶分芪? mm內不能布置其他器件。

  (2)防止太陽能電池板反接的二極管必須采用快恢復二極管,這種二極管導通內阻小,充電時發熱量小,不用散熱器也可以連續充電,充電效果好。

  (3)充電、負載放電電路的印刷線路寬度至少為4 mm~5 mm,線路上用搪錫處理以增加過電流能力,大電流導線從一層過渡到另一層時,要放置3~5個過孔。

  (4)過流、短路?;さ緶費∮玫牡緦魅⊙繾枰酆峽悸塹緦?、功率及熱穩定性三個因素。電阻增大則電路效率下降,本系統選用電阻為0.01 Ω,過電流能力在10 A以上的康銅絲作為電流取樣電阻,來產生取樣電壓,取樣電壓最多不超過0.2 V,故采用運放LM358對其進行放大。

  (5)器件的布局和PCB的布線采用??榛絞?,大電流信號與小電流信號要分離,對放大電路的線路尤其要精心布置。數字地和模擬地分開,注意電源線和地線的布局。

  3系統軟件設計

  與本設計方案的硬件電路對應的軟件程序包括:主程序、定時中斷程序、A/D轉換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負載管理子程序。單片機的軟件編程以Keil C編譯器的Windows集成開發環境μvision2作為開發平臺,采用C51高級語言編寫。

  3.1軟件編程要點

  (1)本系統采用較少的按鍵實現了諸多功能,如負載工作模式的設置、雙燈同時工作還是分時工作、負載工作時間的設定、自檢功能等,為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實際上是一鍵多用的一種嘗試,還可以推廣到更復雜的人機對話的設計。其思路可參見按鍵處理流程圖。

  (2)鍵盤在定時中斷服務程序中讀取,用中斷間隔時間實現鍵盤的去抖,不必編寫另外的延時程序,提高了CPU的利用效率。鍵盤值存入數據緩沖區,在主程序中讀數據緩沖區的內容,執行鍵盤功能散轉子程序。

  (3)環境光線(閃電、禮花燃放)對太陽能電池板的采樣電壓有明顯影響,故在白天、黃昏的識別時。要進行軟件延時,一般控制在2~3 min。

  (4)外部中斷為高優先級中斷,編制子程序實現負載過流、短路?;な?,要充分考慮到負載啟動瞬間會產生數倍于額定電流的沖擊電流.沖擊電流維持時間在3ms~5 ms,應在軟件上采取措施,避免短路與負載開啟的誤判。確定負載過流、短路后,切斷負載輸出。負載切斷后,每隔一段時間,如20 s,應試接通負載開關,當發現過流、短路信號已消除,則恢復負載的輸出。否則負載開關仍然保持斷開。

  (5)為?;じ涸?燈具),蓄電池過放?;せ指詞庇τ萌砑柚靡桓齷夭畹繆?,這樣負載開關不會出現顫抖現象,有利于延長燈具的使用壽命。 (6)根據STC12C5410AD的Data Flash的特點,數據寫入時必須啟動ISP/IAP命令,CPU等待IAP動作定時后,才繼續執行程序,要先關斷中斷(EA)?;褂ψ⒁饈菪慈隓ata Flash存儲器,不能跨越扇區。

  3.2單片機軟件編程

  系統單片機軟件流程如圖3、4所示。

    4 結束語

  本文所設計的太陽能路燈控制器可適用12 V或24 V工作的光伏系統,可以直接驅動直流節能燈或通過逆變器驅動無極燈等作為照明光源,也可以驅動一些直流低壓負載用于城市亮化??刂破韉牧鉸犯涸厥涑隹梢雜糜諢檔籃腿誦械賴惱彰?。照明時間和工作模式可以靈活設置。著重解決了如何對蓄電池及負載進行有效管理的問題。提高了太陽能電池板的使用效率,延長了蓄電池的使用壽命,防止因線路問題而造成意外事件的發生。本文所設計的控制器已在江蘇S238省道得到應用,具有設計可靠、成本低廉的特點,具有較高的實用價值。

 
 
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