太阳能庭院灯控制系统设计

李 盾

河南省索克实业有限公司，河南 郑州 450000

在能源日趋紧张的今天，太阳能作为一种取之不尽的新型能源，越来越多的应用于工业和民用。太阳能电池是将光能转换成电能的器件，当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路，产生一定的输出功率。

1 概述

一套完整的太阳能庭院灯系统由太阳能电池、控制电路、蓄电池、LED灯等组成。白天，太阳光通过太阳能电池向蓄电池充电；夜晚，蓄电池经控制电路向LED灯供电。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 单片机外围电路

本电路控制IC选用ATMEGA16单片机，外围电路包括电源电路、复位电路、晶振等。

2.2 光控电路

分压电路由光敏电阻和10K电阻R串联构成。光敏电阻一端接Vcc，10K电阻R一端接地，光敏电阻另一端接ATMEGA16的PA2端。因Vcc为+5V，则UR≥2.5V时，LED驱动电流停止工作，充电电路开始启动，反之充电电路关闭，LED灯开始放电。

2.3 测量电路

电压测量采用电阻分压法，通过比例变换电路，将被测电压引入至单片机的A/D输入端口PA1。同时选用运放LM324构成负反馈电路，满足虚短和虚断的条件，根据分压原理，得到蓄电池电压与Vin的关系，将其代入单片机软件，根据ATMEGA16的A/D采样数据，可得到蓄电池两端的实际电压。

将电阻串联到电流通路中，通过该电阻将被测电流转换成电压，并通过运放比例电路将电压引入ATMEGA16的A/D采样端口PA0。由于运放所构成的是负反馈电路，满足虚短和虚断的条件，可得被测电流与VIin的关系，将其代入单片机软件，根据ATMEGA16的A/D采样数据，反推可得到被测电流的实际数值。

2.4 充电控制电路

充电电路采用DC/DC变换，内含一个降压变换电路。降压电路由开关管、钳位二极管、ATMEGA16、储能电感和滤波电容组成。开关管与直流输入电压串联，在开关周期T内，导通时间为Ton。导通时，钳位二极管电压为Vdc；关断时，钳位二极管电压迅速降为0。使用钳位二极管可防止开关管损坏。

钳位二极管压降为0时，其电压波形为矩形波。Ton时间段电压为Vdc，其余时间段电压为0，钳位二极管的电压均值为Vdc×Ton/T。储能电感和滤波电容接于钳位二极管和Vout之间，此时输出点Vout成为幅值等于Vdc×Ton/T的无尖峰无纹波的直流电压。

降压电路工作在开环状态下，单片机不断检测太阳能电池的输出功率，并根据蓄电池充电控制策略来产生PWM控制开关管的导通时间。开关管导通时，电压电流变化同时开始，同时结束。开关管电流从0上升至Io的同时，其电压从最大值Vdc下降至0。导通时的平均功率为：P（Ton）=Io×Vdc×Ton/6。一个周期的平均功率为（Io×Vdc/6）（Ton/T）。关断时，平均功率不变。因此，交流开关损耗为：Pac=（Io×Vdc/3）（Ton/T）。

充电采取三段式充电法，即先采用恒流法充电，再采用恒压法充电，最后采用小电流充电来补充蓄电池自身的损耗。

本系统可采用2块17V太阳能板及一只12V蓄电池。先用恒流法充电，当蓄电池电压达到14.8V时，改用恒压法充电；当充电电路的电流为0.35A时，采用小电流浮充，使得蓄电池的电压保持在13.8V。恒流法充电时，当电路电流小于恒流值时，增大开关管的PWM占空比使之达到恒流值；当电路电流大于恒流值时，减小开关管的PWM占空比使之减小到恒流值。恒压法充电时，当电路电压小于14.8V时，增大开关管的PWM占空比使之达到14.8V；当电路电压大于14.8V时，减小开关管的PWM占空比使之达到14.8V。小电流充电时，当电路电流小于恒流时，增大开关管的PWM占空比使之达到恒流值；当电路电流大于恒流时，减小开关管的PWM占空比使之减小到恒流值。

2.5 LED灯驱动电路

蓄电池输出的电压经LM7805降压后，可驱动混联的LED发光二极管，LED灯应串联限流电阻。

3 软件设计

系统的软件部分主要是充电管理和放电管理。充电模块根据光控部分发出的信号控制降压电路和放电时间，并实时检测充电电流和电压，以调整脉冲信号。充电电路工作时，供电电路中断，通过ATMEGA16端口的PB2端输出低电平，此时供电电路处于断路状态。供电电路工作时，充电电路中断，通过ATMEGA16的PD7端口输出的PWM占空比为0，使得ATMEGA16的PB2端口输出高电平，供电电路工作。

充电电路使用了定时计数器1作为PWM信号源，具有两路独立的比较输出单元，充电时采用了PD7，其分辨率为：RFPWM=log（TOP+1）/log2。因定时计数器精度不应低于1%，故RFPWM=7，即精度为1/128，相应的TOP值为0x7F。定时计数器1的PWM频率为：ƒPWM=ƒCPU/N（TOP+1）。在8MHz晶振、定时计数器1工作在7位精度下，计数时钟不分频N=1，ƒPWM=8M/（127+1）=62.5KHz，精度和速度都满足本系统要求。

定时计数器1的初始化函数为：

本系统采用2分频，使用8MHz晶振。稳定运行后，每次单次转换，采样保持时间为1.5周期，转换时间为13周期，共计14.5周期/4MHz=3.6μs。电路采用多次ADC采样取平均值的方法，故使用ATMEGA16的内建ADC具有可行性。

4 结论

本系统充电模块能实现三阶段充电模式，即先恒流充电，再恒压充电，最后小电流浮充，依靠单片机ATMEGA16调节输出PWM的占空比，来控制充电电路开关管的通断。电压测量电路和电流测量电路在充电工作时，检测电路中的电压和电流，已确定恒流、恒压和浮充模式，大大提高了蓄电池的充放电效率。

本系统不仅可用于民用太阳能庭院灯，可加以改进，应用于通信卫星供电、太阳能交通灯、太阳能发电家用系统、光伏水泵、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、高速公路路标等多领域。

[1]王长贵.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]桑野幸德.太阳电池及其应用[M].北京：科学出版社，2000.