一种基于STC单片机的太阳能光伏控制器的设计探讨

丁南菊 李泓 陈首清

（1.无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028;2.无锡商业职业技术学院，江苏 无锡214153）

随着世界经济的快速发展，引发了人们对资源枯竭、环境污染等一系列问题的担忧，节能减排、保护环境、发展低碳经济已成为人们的共识。太阳能是最具发展潜力的清洁能源，具有取之不尽、用之不竭、可再生、使用中零碳排放的特点。中小型独立光伏发电系统一般由太阳能电池组件、蓄电池、光伏控制器、负载及电力电子变换电路组成。其中光伏控制器是系统自动运行的核心，其性能直接影响光伏发电系统的可靠性、工作效率和使用寿命，特别是影响蓄电池组的使用寿命，蓄电池的过充电或过放电都将缩短蓄电池的使用寿命，给用户造成经济损失，因此本文将对影响蓄电池使用寿命的关键部件——太阳能光伏控制器的设计进行重点讨论和分析。

1 系统总体设计

光伏系统主要由太阳能电池组件、蓄电池、控制电路和负载构成。如图1所示。

太阳能光伏控制器应具有的主要功能如下：

（1）防止蓄电池过充：当蓄电池电压上升到蓄电池充满电压时，进行充满控制，自动切换为浮充充电模式，否则蓄电池将过充电，从而影响蓄电池寿命。

（2）防止蓄电池过放：当蓄电池电压下降到过放电电压时，进行过放电控制，自动将负载切离，否则蓄电池将过放电，从而影响蓄电池寿命。

（3）蓄电池短路或反接保护：当蓄电池短路或反接时，控制器熔断器能快速熔断，不造成器件损坏。

（4）防反充:当太阳能电池方阵不向蓄电池充电时，阻断蓄电池电流倒流向太阳能电池方阵。

（5）负载短路过载保护：当控制器向负载输出电流大于设定值时，控制器能切断负载。防止过载造成损坏。

（6）温度补偿：在不同的工作环境温度下，对蓄电池设置与工作温度对应的合理的充放电终止电压。

本设计充电方式采用PWM脉宽调制型三阶段充电，可以随着蓄电池的充满，电流逐渐减小，符合蓄电池对于充电过程的要求，能够有效地消除极化，有利于完全恢复蓄电池的电量。

2 太阳能控制器硬件电路的设计

2.1 主电路

本设计使用的太阳能电池板工作电压为18V，功率60W，采用免维护铅酸蓄电池，额定电压12V，容量20AH。太阳能电池是一种直流源，本设计采用DC/DC变换电路，使太阳能电池输出的直流电变换成蓄电池充电所需的按特定规律变换的直流电。类型为BUCK变换电路。如图1所示。DC/DC变换电路由二极管D1、电感L1、电容C1组成。

2.2 控制单片机

在本设计中，控制单片机采用宏晶科技生产的STCl2C5A60S2单时钟/机器周期单片机，该单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，指令代码完全兼容8051，内部集成MAX810专用复位电路，具有2路8位PWM，8路10位高速A/D转换（25万次/秒），工作电压3.5V-5.5V,工作频率范围0-35MHz,60 KB系统编程的Flash内存，1280字节的片内RAM，可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口，硬件实现的ISP/IPA在线系统可编程/在线应用可编程，可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序。

2.3 MOSFET驱动电路

在太阳能电池对蓄电池充电电路中及蓄电池对负载放电电路中采用功率场效应晶体管作为开关管来控制接通与断开。本设计电路功率较小，所以两个开关管采用N沟道MOSFET管，考虑电路电压及电流情况，选择AO3404型号。连接太阳能电池与蓄电池的MOSFET的驱动电路采用高速MOSFET 驱动器MCP1402，可提供500 mA的峰值电流。这些器件还具有低直通电流、匹配的上升/ 下降时间和传输时延特性，使得它们成为高开关频率应用的理想选择。可由4.5V 至18V的单电源供电。如图2所示。MCP1402输入口接单片机P1.3PWM信号输出口，输出通过限流电阻Rg接MOSFET栅极。连接蓄电池与负载的MOSFET采用三极管驱动。

2.4 电压、电流检测电路

检测电路包括对光伏电池电压、蓄电池端电压、蓄电池充电电流、负载电流的检测。对光伏电池电压、蓄电池电压采用电阻分压式采样电路，然后接到单片机的A/D端。对电流检测采用电流传感器ACS712来测量，该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。具有低噪声，响应时间快，使用方便、性价比高、绝缘电压高等特点，主要应用于电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护等,采用单电源5V供电。系统选用ACS712ELCTR一05B—T进行电流检测，电流检测范围为±5A。典型应用电路如图3所示。ACS712串联在电路中，12管脚流入电流，34管脚流出电流。ACS712的电压输出VOUT和被检测的电流IP间的关系为：VOUT=(2/30)IP+2.5（V）。 电 压 输 出 端VOUT接单片机A/D输入端。如图3所示。

2.5 温度检测电路

相关研究表明：当蓄电池温度低于25℃时，蓄电池的充满电压应适当提高，相反，高于该温度时蓄电池的充满电压应适当降低，否则会损坏蓄电池。故需对蓄电池的温度进行监测。本文采用的温度传感器为DSl8B20，它将地址线、数据线、控制线合为一根双向串行传输数据的信号线，CPU只需一根端口线就能与DSl8B20通信，能直接将环境温度转化成数字信号，以数码信号与单片器传输，简化了传感器与单片机的接口电路，电源电压范围为3.0V-5.5V。温度测量范围为-55℃～125℃。测温分辨率可达0.0625℃。

3 太阳能光伏控制器软件的设计

3.1 蓄电池充电状态分析

为提高太阳能电池的利用率和蓄电池充电效率，延长蓄电池使用寿命，采用三阶段式充电方式。

阶段一：蓄电池处于快速充电阶段，选用的蓄电池可充电速率与太阳电池输出电流相匹配，开关管完全导通，充电电流就等于电池板的输出电流，此时便处于快速充电状态。随着充电过程的进行，蓄电池电动势不断升高，使蓄电池端电压不断升高，从而达到快充停止电压，进入充电阶段二。

阶段二：蓄电池处于恒压充电阶段，给蓄电池一个恒定电压充电，由对蓄电池端电压的采样，反馈到单片机，单片机输出PWM信号控制BUCK变换电路的占空比使蓄电池的充电端电压保持恒定。随着充电过程的进行，BUCK变换电路占空比变小，充电电流变小，当充电电流低于Ioct时，进入充电阶段三。

阶段三：蓄电池处于浮充阶段，充电电压为一个基于温度补偿后的浮充电压，对蓄电池做浮充恒压充电，以补偿蓄电池自放电电流。

表1 充电参数（25℃）

对于蓄电池过放、电路过载的保护，只要检测负载电流及蓄电池电压，通过程序进行比较，便能进行控制，及时切断负载。对于12V密封铅酸蓄电池，充放电阶段各个参考值设置如表1。其中快充停止电压、恒压充电电压及浮充电压均需温度补偿。通常蓄电池的温度补偿系数为-（3-5）mV/℃。

3.2 程序流程图

控制器的主要工作流程如图4、5所示。当系统开始运行后，单片机先进行参数初始化，如表1。然后单片机进入主循环程序。读取蓄电池端电压、太阳能电池电压、蓄电池环境温度，当太阳能电池板电压大于蓄电池端电压时，进入充电模式，选择合适的充电方式进行充电，选择充电方式子程序如图5所示。接着执行负载控制程序，对过载和过放电情况进行判断，如出现过载及过放电时及时切断负载。接着再回到蓄电池端电压、太阳能电池电压、蓄电池环境温度读取，如此循环往复。主程序采用C语言来编程。

图4 主程序流程图

图5 选择充电方式子程序流程图

结语

本文提出了一种基于STC单片机的太阳能光伏控制器的设计方法，通过实验测试，光伏系统各部分电路工作稳定，转换效率高，控制精准，蓄电池具有良好的三阶段充电曲线。适用于在小功率光伏发电系统中推广应用。

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