基于ATmega88PA智能太阳路灯控制器的设计

余振标　普清民　钟雄旭

针对目前太阳能充电控制器的用户设置不便，以及对蓄电池的保护不够充分而是蓄电池寿命缩短的情况，设计了以AVR单片机为核心的太阳能路灯控制器硬件电路，并提供了系统软件设计。本系统采用PWM充电法及光控+时控的放电方式，有利于提高充电效率；同时该控制器具有过充、过放、过载、短路等保护措施，可以延长蓄电池使用寿命。

【关键词】太阳能 控制器 单片机 PWM

当今世界资源的日渐紧张，太阳能作为一种用之不尽的绿色能源越来越受到人们的重视。随着太阳能电池、大功率LED等器件制造技术的进步，太阳能的利用越来越普遍；其中太阳能LED路灯是最典型和广泛的应用之一。在太阳能路灯控制系统中，蓄电池寿命相对较低，如果没有一个合理的充放电方式，蓄电池的寿命将大大缩短，从而影响整个系统的稳定运行。

针对目前市面上常见的一些的控制器使用不合适的充放电控制方式易导致蓄电池损坏，出于成本的考虑缺少对蓄电池保护的措施，使系统使用寿命降低；同时操作界面设计过于简单，如指示灯、单个数码管等，用户操作设置较为麻烦。本文设计一款以AVR单片机为核心的智能路灯控制器，控制器按照蓄电池的充电规律，运用PWM充电法对蓄电池充电，提高充电效率，电路并具有过充、过放保护，最大限度延长蓄电池的使用寿命；同时，在降低成本的基础上优化用户的操作界面。

1 系统设计

太阳能路灯控制系统主要由太阳能电池板、控制器、阀控蓄电池和LED路灯构成，如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 核心控制器件的选择

使用单片机可使充电工作做得简单而效率又高。在能满足太阳能控制器功能要求的前提下，其核心控制器件尽可能选择性能可靠、成本地的器件。本文选择了Atmel公司的ATmega88PA单片机，该芯片先进的RISC结构，是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它具有片内PWM信号发生器、10位AD转换器、可编程EEPROM等外设；该芯片仍然在量产，价格较低，非常适合用于性价比较高的太阳能控制器当中。

2.2 输入输出电路

本控制器显示沿用了同类大部分控制器共同特点：三个发光二极管分别指示太阳能电池、蓄电池、负载的工作状态，数码管显示设置工作模式。数码管则采用了一位半数码管，即显示“18”字形。该种数码管的引脚分布与一位数码管一样，稍不一样的是左边半位“1”字形的控制引脚就是对应了普通一位数码管的小数点的控制引脚，因此一位半数码管可以采用静态方式驱动，即保证了数码管工作时的亮度，又使控制程序简化。同时，ATmega88PA单片机的IO端口能输出20mA的电流，可以直接驱动数码管，不需要另加串并转换驱动芯片，如74HC164、74HC595等串并转换驱动芯片，节省成本。输入电路采用两个按键，一个用于功能选择，一个是用于参数调整，比起市面常见的一个按键操作方便。

2.3 充电控制电路

太阳能控制器的充电线路有并联和串联两种类型，由于并联型控制器的电子开关器件与太阳能板并联，当充满电后它会对太阳能板输出端短路，影响了太阳能板的使用寿命；为此，本文选择串联方式，电路见图2所示。保险管F1与场效应管T1、T2器件构成了太阳能板对蓄电池的充电回路，其中场效应管T1是开关器件，T2是充电控制器件。T1与T2的特殊连接方法使得电路具有防反充和防太阳能电池反接的保护功能，与一般的充电回路有防反充二极管的电路相比，由于没有二极管的损耗，较好地提升了控制器的效率。为了进一步提高控制器的效率，T1、T2选用IRF3205，该开关管的导通沟道电阻低达8毫欧，使得其工作时损耗很少。

电路中的RVl为压敏电阻，它能吸收雷电经太阳能板和引线进入控制器的闪压。R1、R2、R12、R28、D5组成太阳能板电压检测电路，在ADC1处采样到的测量值送入单片机模数转换输入引脚；用于控制太阳能板工作指示灯和启停路灯。F1和D3构成了蓄电池防反接保护电路，当蓄电池接反时，F1能快速熔断，保护控制器和负载不损坏。

2.4 放电控制电路

图3中的T3、Q4、D6、R14、R15、R16和RS1构成了放电回路，R10、R11、R12构成了蓄电池电压检测电路。当ADC2处检测到蓄电池电压高于11V时，单片机输出CON2控制信号使负载接通供电，同时负载指示灯点亮，反之不切断供电，指示灯熄灭；RS1用于检测负载过载或短路，ADC3处信号送至放大器调理后接入单片机模数转换输入引脚，当过载或短路时，立刻切断蓄电池供电，同时指示灯闪烁。

图3中的D4、D5、C1、C2、R13、Q3把电池输入的电源稳定在约10V，这个电压再通过78L05的稳压电路产生5V电压给单片机使用。

2.5 温度补偿电路

太阳能电池板对蓄电池的充电分为直充、浮充和涓流充电三个阶段，每一个阶段都有一个充放电电压点。蓄电池的这些电压点是会随温度变化而改变的，因此，设计电路时，必须对蓄电池的充放电电压设定点做温度修正补偿。蓄电池电压与温度呈负温度特性的关系，根据国家标准，单节（2V） 铅酸电池的温度补偿系数是3mV/℃～7mV/℃之间，本文电路补偿系数为25mV/℃。

利用负温度系数热敏电阻与固定阻值电阻串联构成温度补偿电路，电路见图4所示。通过不断检测其两端电压值，来判断当前的环境温度，从而确定当前状态下蓄电池的过充点保护电压、恢复电压和浮充电压。在程序设计中通过查表程序来实现这一功能。本系统在25℃时过充点保护电压、恢复电压和浮充电压分别为14.4V、13.0V和13.8V。

3 系统软件设计

本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序等。

对太阳能充电控制器系统软件的设计思路介绍如下：

（1）首先完成系统初始化，完成初始化后，再打开终端。

（2）Atmega48 微控制器通过对太阳能极板的两端电压检测和分析来区分白天和黑夜。如果是白天，则运行白天的处理程序；如果是黑夜，则运行黑夜的处理程序。

（3）进行白天程序处理时，Atmega48微控制器通过对蓄电池电压的检测和分析，来决定太阳能极板是否对蓄电池进行充电（充电采用 PWM 控制方式）。充电管理程序控制太阳能板对蓄电池充电。系统选用阀控式铅酸蓄电池，根据阀控式铅酸蓄电池充电特性，选择智能三阶段充电方式。不仅提高充电效率，而且能延长蓄电池的使用寿命。在每个阶段设置合适的充电阀值，对相应的阀值进行温度补偿，并对过充点进行必要的保护。

（4）进行黑天程序处理时，Atmega48微控制器通过对蓄电池电压的检测和分析，来决定蓄电池是否对负载进行供电；负载控制子程序根据设置情况确定负载的工作方式，同时，在供电时检测是否有过载或短路，有则立刻切断输出。

程序流程图见图5所示。

4 结束语

本文充分利用了单片机的软硬件资源设计一款太阳能路灯控制器，实现对蓄电池充、放电的智能化管理。采用PWM 充电方式及光控加时控的放电方式，提高了蓄电池的使用寿命。该控制器具有可靠的保护措施，但由于充电采用直充方式，影响充电效率，有待于进一步改善。

参考文献

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作者单位

中山职业技术学院 广东省中山市 520804endprint