摘要： 介紹了以單片機(jī)為的太陽能路燈控制器的設(shè)計方案，對系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計做了說明。系統(tǒng)以較少的按鍵實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置，采用PWM技術(shù)對蓄電池進(jìn)行充電管理，采取了負(fù)載過流、短路保護(hù)措施。系統(tǒng)具有可靠性高、操作簡單等特點(diǎn)。

　　1 引言

　　隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)以及資源的日漸緊張，新能源的利用已快速進(jìn)入人們的生活。太陽能路燈以太陽光為能源， 白天充電、晚上使用， 無需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線， 可任意調(diào)整燈具的布局， 安全節(jié)能無污染， 充電及開/關(guān)過程采用光控自動開關(guān)， 無需人工操作， 工作穩(wěn)定可靠， 節(jié)省電費(fèi)， 免維護(hù)， 太陽能路燈的實(shí)用性已經(jīng)得到人們的認(rèn)可。

　　本文介紹基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器的方案設(shè)計， 對12 V 和24 V 蓄電池可自動識別， 可實(shí)現(xiàn)對蓄電池的科學(xué)管理， 指示蓄電池過壓、欠壓等行狀態(tài)， 具有兩路負(fù)載輸出， 每路負(fù)載額定電流可達(dá)5 A, 兩路負(fù)載可以隨意設(shè)置為同時點(diǎn)亮、分時點(diǎn)亮以及單獨(dú)定時等工作模式， 同時具有負(fù)載過流、短路保護(hù)功能； 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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　太陽能路燈智能控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示， 該系統(tǒng)以STC12C5410AD 單片機(jī)為， 外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)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(qiáng)弱的識別以及蓄電池電壓的獲取。單片機(jī)的P3 口的兩位作為鍵盤輸入口， 用于工作模式等參數(shù)的設(shè)置。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 STC12C5410AD 單片機(jī)

　　STC12C5410AD 是STC12 系列單片機(jī)， 采用RISC型CPU 內(nèi)核， 兼容普通8051 指令集， 片內(nèi)含有10 KB Flash 程序存儲器， 2 KB Flash 數(shù)據(jù)存儲器，512 B RAM 數(shù)據(jù)存儲器， 同時內(nèi)部還有看門狗（WDT） ; 片內(nèi)集成MAX810 專用復(fù)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(yōu)先級， 具有在系統(tǒng)編程（ ISP） 和在應(yīng)用編程（ IAP） , 片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。

　　STC12C5410AD 對系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度， 實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等。為充分使用片內(nèi)資源， 本文所設(shè)置的參數(shù)寫入Flash 數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。

　　2.3 鍵盤電路

　　P3.4（T0）接F1 鍵， 用于設(shè)置狀態(tài)的識別及參數(shù)設(shè)置； P3.5（T1）接F2 鍵， 用于自檢及"加1"功能， 根據(jù)程序流程， 分別實(shí)現(xiàn)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(qiáng)弱的判斷， 因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護(hù)。

　　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(jìn)行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路， 控制器將關(guān)斷負(fù)載， 以保證負(fù)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(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓（ 15 V） 時， 自動關(guān)斷對蓄電池的充電； 此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓（ 13.2V） 時， 蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)， 當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（ 13.2 V） 后浮充關(guān)閉， 進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（11 V）時， 控制器自動關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路（ 智能三階段充電） , 可使太陽能電池板發(fā)揮功效， 提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過充、過放。

　　2.5 負(fù)載輸出控制與檢測電路

　　本系統(tǒng)設(shè)計了兩路負(fù)載輸出， 每路輸出均有獨(dú)立的控制和檢測， 具有完善的過流、短路保護(hù)措施，電路原理如圖2 所示。設(shè)計了兩級保護(hù)： 級采用了由R7（0.01 Ω康銅絲）以及運(yùn)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(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載過流及短路保護(hù)， 是一種硬件+軟件的方式， LM358 的輸出送P1.7（A/D 轉(zhuǎn)換）口， 用作過流信號識別， 當(dāng)電流超過額定電流20%并維持30 s 以上時， 確認(rèn)為過流； 短路電流整定為10 A, 響應(yīng)時間為毫秒數(shù)量級。

圖2 負(fù)載輸出控制與檢測電路

　　第二級采用了電子保險絲保護(hù)， 當(dāng)流經(jīng)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(dá)到保護(hù)電路目的， 響應(yīng)時間為秒數(shù)量級， 過流撤消或短路恢復(fù)后電子保險絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體， 無須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級保護(hù)措施后， 在長達(dá)數(shù)小時的負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)后， 控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險絲只能對電路進(jìn)行性保護(hù)以及一旦器件燒毀必須人為更換的問題， 同短路后需手動復(fù)位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比， 也具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。簡化了太陽能路燈控制器維護(hù)， 提高了系統(tǒng)的安全性能。

　　2.6 硬件設(shè)計過程中的注意事項

　?。?1） 感應(yīng)雷保護(hù)電路應(yīng)設(shè)計在太陽能電池板引線入口處， 保護(hù)電路周圍4 mm 內(nèi)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(fù)二極管， 這種二極管導(dǎo)通內(nèi)阻小， 充電時發(fā)熱量小， 不用散熱器也可以連續(xù)充電， 充電效果好。

　?。?3） 充電、負(fù)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(dǎo)線從一層過渡到另一層時， 要放置3~5個過孔。

　　（ 4） 過流、短路保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降， 本系統(tǒng)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(chǎn)生取樣電壓， 取樣電壓多不超過0.2 V, 故采用運(yùn)放LM358 對其進(jìn)行放大。

　　（ 5） 器件的布局和PCB 的布線采用模塊化方式， 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(shù)字地和模擬地分開， 注意電源線和地線的布局。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　與本設(shè)計方案的硬件電路對應(yīng)的軟件程序包括： 主程序、定時中斷程序、A/D 轉(zhuǎn)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(fù)載管理子程序。單片機(jī)的軟件編程以Keil C 編譯器的Windows 集成開發(fā)環(huán)境μvision2 作為開發(fā)平臺， 采用C51 語言編寫。

　　3.1 軟件編程要點(diǎn)

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

　?。?2） 鍵盤在定時中斷服務(wù)程序中讀取， 用中斷間隔時間實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)緩沖區(qū)， 在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容， 執(zhí)行鍵盤功能散轉(zhuǎn)子程序。

　?。?3） 環(huán)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(jìn)行軟件延時， 一般控制在2~3 min.

　?。?4）外部中斷為高優(yōu)先級中斷， 編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過流、短路保護(hù)時， 要充分考慮到負(fù)載啟動瞬間會產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流， 沖擊電流維持時間在3 ms~5 ms, 應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路與負(fù)載開啟的誤判。確定負(fù)載過流、短路后， 切斷負(fù)載輸出。負(fù)載切斷后， 每隔一段時間， 如20 s, 應(yīng)試接通負(fù)載開關(guān)， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號已消除， 則恢復(fù)負(fù)載的輸出， 否則負(fù)載開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。

　?。?5） 為保護(hù)負(fù)載（ 燈具） , 蓄電池過放保護(hù)恢復(fù)時應(yīng)用軟件設(shè)置一個回差電壓， 這樣負(fù)載開關(guān)不會出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象， 有利于延長燈具的使用壽命。

　?。?6） 根據(jù)STC12C5410AD 的Data Flash 的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入時必須啟動ISP/IAP 命令， CPU 等待IAP動作定時后， 才繼續(xù)執(zhí)行程序， 要先關(guān)斷中斷（ EA） .

　　還應(yīng)注意數(shù)據(jù)寫入Data Flash 存儲器， 不能跨越扇區(qū)。

　　3.2 單片機(jī)軟件編程

　　系統(tǒng)單片機(jī)軟件流程如圖3、4 所示。

圖3 按鍵程序流程。

圖4 電壓檢測子程序流程

　?。?）ADC 子程序

　　INT8U ADC（INT8U number）using 2

　　{number=number&0x07;//通道號不超過7

　　ADC_CONTR = ADC_CONTR&0xe0; //清ADC_

　　FLAG、AD 不啟動

　　ADC_CONTR = ADC_CONTR|number; //選擇通道

　　ADC_CONTR = ADC_CONTR|0x08;//啟動A/D 轉(zhuǎn)換

　　while（（ADC_CONTR&0x10）！ =0x10）； //等待A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

　　return （ADC_DATA）；//結(jié)果返回

　　}

　?。?） 外部0 中斷響應(yīng)子程序

　　void Service_INT0（） interrupt 0 using 1

　　{ if（P3_2） //高電平，認(rèn)為是干擾信號觸發(fā)中斷

　　return;

　　delay1（5000）；//10ms 延時

　　if（P3_2==0）

　　{load_switch_1=LSTOP;//負(fù)載開關(guān)1 關(guān)

　　LOOP1_DL=1;//置負(fù)載短路標(biāo)志

　　}

　　}

　　4 結(jié)束語

　　本文所設(shè)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(tǒng)， 可以直接驅(qū)動直流節(jié)能燈或通過逆變器驅(qū)動無極燈等作為照明光源， 也可以驅(qū)動一些直流低壓負(fù)載用于城市亮化?？刂破鞯膬陕坟?fù)載輸出可以用于機(jī)動車道和人行道的照明， 照明時間和工作模式可以靈活設(shè)置。著重解決了如何對蓄電池及負(fù)載進(jìn)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(fā)生。本文所設(shè)計的控制器已在江蘇S238 省道得到應(yīng)用， 具有設(shè)計可靠、成本低廉的特點(diǎn)， 具有較高的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn):

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