基于PICl6F676的太阳能控制器设计与应用

基于PICl6F676的太阳能控制器设计与应用

摘要：设计一套简易太阳能控制器，可方便控制蓄电池的充放电。该控制器采用低功耗的PICl6F676型单片机作为整个控制电路的核心，实时监测、控制蓄电池两端电压，使用液晶屏直观显示其电压和电量。采用温度补偿二极管克服环境温度变化引起的蓄电池端电压变化，并采用“自适应三阶段”充电模式。通过不同条件下调用相应的充放电子程序，以最佳的方式对蓄电池进行充放电，更好保护了蓄电池。

    近年来，随着地球上石油、煤炭等有限资源因大量开发与利用而导致能源短缺，人们对可再生能源一太阳能利用愈加重视。本文设计了一种小型太阳能控制器，该控制器能将太阳能电池板与16 V蓄电池直接耦合，采用低功耗的单片机PICl6F676作为控制回路的核心，实时监测蓄电池的端电压。在不同条件下，采用不同方式智能控制蓄电池充放电，提高太阳能电池的利用效率，并延长蓄电池的使用寿命。

1 太阳能电池板伏安特性
    太阳能电池板伏安特性曲线是光伏系统中电路设计、系统优化运行可靠性、使用寿命以及运行成本等指标的分析基础，是太阳能电池主要参数。图l给出了不同环境下所测量的8组太阳能电池板数据U-I曲线和相应的P-U曲线。其中系列1～系列5为太阳能电池板在不同太阳光光线强度下得到的曲线，系列6为太阳能电池板背朝着太阳光得到的曲线，而系列7、系列8分别为节能灯光、普通灯光照射下得到的曲线。

    若要在太阳能发电系统中得到最大功率。必须跟踪日照强度和环境温度条件，不断改变其负载阻抗，使阵列与负载达到最佳匹配，从而提高系统效率。常用的控制方式有CVT(恒定电压跟踪)和MPPT(最大功率点跟踪)。

2 太阳能控制系统
    该太阳能控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、单片机控制模块、显示设备、温度补偿模块、负载及其他外嗣元件组成，其控制系统结构框图如图2所示。

    由图2可知，太阳能电池由单片机控制模块控制向蓄电池充电。并向外电路负载供电，同时结合考虑蓄电池所处环境的变化，利用温度补偿控制调节电路保护蓄电池。

3 太阳能控制器的硬件电路
3．1 电压采集模块
    通过蓄电池两端的分压电阻进行分压，采集信号输入单片机。为减少常规电阻的非线性误差，采用4只2 kΩ精密电阻分压出1／4蓄电池电压作为单片机A／D转换的分析电压，从而减小分析电压的误差。电压采集时，外界环境光线骤变会使单片机发生误判现象，影响充电回路错误控制，因此需在软件上增加适当的延迟功能，以辨别其环境光线的“真伪”。
3．2蓄电池电压及电量显示模块
    采集处理后的电压输出到液晶LCDl602进行显示，LCDl602液晶屏每平方厘米耗电量为μA级，显示稳定。在考虑电量显示时，由于蓄电池的容量与其端电压有关，故可间接近似线性划分蓄电池的过放电UMin和过充电UMax之间的压差，可得出电量S：

式中，U为实际蓄电池两端电压。
3．3 控制器输入输出控制模块
3．3．1 输入模块
    输入模块即太阳能电池充电模块，由于太阳能电池板受光线和其材料本身的属性影响，其充电电流具有一定波动性，若将所生成的电流直接充入蓄电池或直接向负载供电，容易造成蓄电池和负载损坏，严重降低其使用寿命。因此，必须控制其充电部分，这里采用“自适应三阶段充电模式”：1)充电阶段，蓄电池电压U较低，小于12．5 V，使用恒流充电；2)当蓄电池电压U达到12．5 V时，则进入恒压浮充状态(控制占空比实现)；当电流下降到设定值时(由高精密电阻两端的压差与设定值相比较判断)，此时U达到14．5 V，恒流充电：3)当U达到设定的过充电压16 V时，恒压涓流充电，涓流小到一定程度时(通过高精密电阻两端的压差与设定值相比较判断)则切断充电回路。图3为太阳能电板向蓄电池充电电路。其中，滤波单元是由单相桥式整流电路VD和电感L滤波电路组成，VD可使太阳能电池板始终向蓄电池充电，而蓄电池不会向太阳能电池供电，且太阳能电池板在光线骤变时产生交流电或与蓄电池反接时，只能向蓄电池充电。滤波电路L滤除整流后输出电压的纹波，使充电电流更稳定。

    图4为温度补偿电路，已知在温度环境变化较大的地区，蓄电池容量将随之变化，原先设定的各个充电情况已不再适合，需对以上的各点进行相应修正(软件编程设置实现)，否则同样会降低蓄电池的使用寿命，所以增加该温度补偿模块很有必要。该温度补偿电路主要由温度补偿二极管构成，其P-N结电压直接加到端口上，利用二极管在常温附近，温度每升高1℃，其PN结正向压降会减少2～2．5 mV的特性进行温度补偿。

    当然家用蓄电池不能总采用控制器控制使其免于过充保护，一般蓄电池还需考虑蓄电池长期充放电，析气和失水导致的蓄电池酸液分层现象，使得蓄电池容量衰减和产生记忆效应。因此，有必要定期屏蔽掉蓄电池过充保护，使其电压过充，以减少上述不良影响。
3．3．2 输出模块
    输出模块即蓄电池向负载供电模块。当蓄电池满足放电条件时，控制器将打开放电同路的继电器，向负载供电。

    图5为两级电保护装置，以防外界短路或其他情况造成的电流骤增而损坏蓄电池以及其他电子元件。第1级保护(软硬件方式)采集高精密电阻两端电压，当满足设定最大放电电流与高精密电阻阻值之积(即两端电压)且持续20 s时，确认短路，此时单片机控制切断放电回路。第2级保护(硬件保护)为防止第1级电流过大且未持续20 s，将对电路造成损害，此时增加SR30系列自恢复保险丝，当流经的电流达到额定值时。自恢复保险丝温度上升、电阻迅速增大，电流迅速减小，当过流消失时，电子保险丝自动回复到初始状态，无需手动更换，简化控制器维护，大大提高系统的安全性能。

3．4 稳压电路
    稳压电路是由高精密电阻、稳压器L7809CV、L7805CV，滤波电容等元件构成，如图6所示。图6中使用4个2 kΩ精密电阻分出 1／4蓄电池电压作为单片机A／D转换分析电压，从而减小分析电压的误差。考虑到实际中蓄电池的电压控制在11．5～16 V之间，并且三段集成稳压器的最佳压差为2．5~4 V。先使用L7809CV将蓄电池电压稳压在9 V，再使用L7805CV将9 V电压稳定在5 V。这样L7809CV的最大压差为6 V，L7805-CV的压差为4 V，在稳压器上附加散热铝片即可确保稳压器不会因过热而损坏。为提高单片机工作的稳定性，使用2个5 V电源分别向单片机和继电器供电，避免相互干扰。

4 太阳能控制器的软件设计
    图7给出该太阳能控制器软件设计控制流程。

    涓流充电时，仅当检测的涓流小到设定值时才关闭充电回路；温度补偿时△μ(可正、可负)为程序中相应的充放电点电压值的改变值。还要考虑环境光线强度的骤变以及用电的瞬时电流的突变等情况对系统控制的影响，故需在软件上增加适当的延迟功能。
    此外在试验进行时，遇到蓄电池的“滞回效应”，即蓄电池处于过充电点与过放电点时，由于用电负载的存在，电源系统在保护值处不断振荡，将对电子元件造成损坏。则程序设计时需进行“判断是否第一次上电”，调用不同临界值的子程序，蓄电池两端电压回落或上升到规定值时，使其正常工作。

5 结束语
    设计了一个基于PICl6F676型单片机的太阳能控制器，其功耗低，性能稳定；并采用“自适应三阶段充电模式”自动以最佳方式控制蓄电池充放电；考虑温度补偿功能，以保证在外界环境温度的变化下能自动改变各种“充放电点”，可在温差变化较大的地区使用。且考虑了蓄电池的记忆效应，滞回效应，在负载电路使用二级保护装置，更好保护蓄电池。
    该太阳能控制器，在模拟试验成功的基础上进行现场试验，也已取得初步成功。若在该控制器的基础上，进一步完善手动控制电路及后续的逆变电路，可提高电路稳定性及整体功能，进而使其具有良好的市场前景。