太阳能光伏系统控制器

　　1.蓄电池过充电与过放电保护；

　　2.自动恢复放电功能；

　　3.防止蓄电池与太阳能电池反接功能。

　　 电路参数：

　　1.最大充电电流（A）：≤5

　　2.最大放电电流（A）：≤5

　　3.蓄电池额定工作电压（V）：12

　　4.太阳能电池额定输出电压（V）：18

　　5.太阳能电池最大开路电压（V）：25

　　6.过充电电压（V）：14.8

　　7.过放电电压（V）：10.8

　　8.恢复供电电压（V）：12.3

　　在气候压力日趋加大的今天，减少温室气体排放，提倡低碳生活方式已成为全球的共识。要实现低碳经济，除了通过技术创新、制度创新、产业转型等多种手段，尽量减少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提高人们的节能意识外，开发新能源的应用是更重要的手段，其中太阳能光伏发电是主要的新能源之一。在业余条件下，读者很容易利用太阳能电池自己制作一套太阳能光伏发电装置，不但非常有趣，而且可以实现自己使用新能源的愿望。

　　业余制作的太阳能光伏发电装置一般不存在和电网并网的可能，因此需要在不用电的时候用蓄电池把电能储藏起来，需要用电时再使用蓄电池中储藏的电能，要实现这一功能就需要一个太阳能光伏系统控制器，本文介绍一款用单片机电路设计制作的这种装置。

　　硬件电路设计

　　本文介绍的太阳能光伏系统控制器系统使用额定输出电压为18V的太阳能电池板，配用12V蓄电池，太阳能电池板的功率和蓄电池的容量可根据实际需要确定，同时考虑到充电时间和用电时间的长短，进行合理搭配，如额定输出功率为10W的太阳能电池板配10Ah的蓄电池比较合适。

　　太阳能光伏系统控制器的电路见图1。电路由单片机电路、充电控制电路、放电控制电路等部分组成。

　　一、单片机电路

　　IC1、R9、C3等组成单片机最小系统电路，其中R9、C3为上电复位电路，IC使用PIC12F675，它虽然只有8只引脚，功能却比较强大，引脚见图2。

　　PIC12F675片内含1KB的Flash只读程序存储器、64B数据存储器RAM和128B的EEPROM，工作速度为0~20MHz，工作电压为2~5.5V。有6个具有复用功能的I/O引脚GP0~GP5。

　　PIC12F675可以选择外部或内部振荡器，这里使用了内部振荡器，工作频率为4MHz。片内有一个带有8 位可编程预分频器的8 位定时器/计数器Timer0和一个带有预分频器的16 位定时器/ 计数器Timer1，一个看门狗定时器，4通道10位A/D转换器，一个模拟比较器。

　　VT5、VT6等组成充电控制电路，当PIC12F675的GP2脚输出低电平时，VT5截止、VT6饱和导通，太阳能电池通过VD9、VT6给蓄电池充电。

　　VT1、VT2和VT3、VT4等分别组成两路蓄电池放电控制电路，使用两路负载可增加使用的灵活性，当程序对PIC12F675的GP4、GP5脚采取不同的控制时可实现不同的功能，比如GP4作常规控制，GP5增加夜灯控制功能，只有在天黑以后蓄电池才对外供电。GP4、GP5如果采用相同的控制功能，两个输出端也可以并联使用。以第一路（负载1）为例，当GP5输出低电平时，蓄电池通过VD8、VT1向负载供电。

　　二、充放电控制器

　　本文介绍的控制器采用A/D转换的方式测量蓄电池的电压，即先把蓄电池的电压转换成数据，然后将测试数据和已储存的过充电电压、过放电电压、恢复供电电压数据进行比较，根据比较结果作出相应的控制。电路中R11、R12和R15、R16分别组成蓄电池和太阳能电池的电压取样电路，太阳能电池的电压取样电路在增加夜灯控制功能时使用。PIC12F675的GP0、GP1分别作两个通道A/D转换器的模拟信号输入端。

　　A/D转换器的参考电压选择单片机内部的VDD，即5V作为参考电压。

　　R10、VD5、C1、C2等组成单片机5V稳压 电源 。

　　VD7、保险丝FUSE组成防蓄电池反接电路，当蓄电池接反时VD7导通，通过保险丝FUSE使蓄电池短路，烧断保险丝，从而蓄电池断路，起到保护电路和负载的作用。保险丝FUSE同时也起到过载保护作用。

　　VD9能防止太阳能电池板接反。

　三、工作过程

　　接上太阳能电池板和蓄电池后，电路的工作情况如下（设蓄电池的电压为U）：

　　充电工作情况：

　　当U≤14.8V时GP2输出低电平，太阳能电池对蓄电池充电；

　　当U＞14.8V时GP2输出高电平，蓄电池停止充电。

　　放电工作情况：

　　1. 当U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5输出低电平，蓄电池对负载放电。

　　2. 当U≤10.8V时，GP4、GP5输出高电平，蓄电池停止对负载放电。

　　3. U随着充电逐渐上升，当U＞10.8V时，电路并不立刻恢复蓄电池的供电，否则会在很短的时间内因电压下降又停止供电，形成一种振荡的供电状态，即一会通一会断，为了解决这一问题，设置了一个电压的回差，当蓄电池充电恢复到U＞12.3V时，GP4、GP5再输出低电平恢复供电。

　　软件设计

　　程序在MPLAB IDE编译器中进行编译，使用汇编语言编写。程序由主程序、定时中断服务子程序、A/D转换子程序、延时子程序、数值比较子程序等组成。

　　主程序主要用来进行初始化，设置单片机的工作模式，将各种控制电压值写入有关存储单元。

　　定时中断服务子程序使用了定时器/计数器Timer0，Timer0使用内部 时钟 源，预分频器采用256分频。由于PIC12F675的内部振荡器振荡频率为4MHz，1个指令周期为4个时钟周期，因此一个指令周期为1μs，经256分频后Timer0的8位计数器TMR0计数脉冲的周期为256μs，因此如果它的初始值取61，则计满256个数的时间为256×（256－61）=49920（μs）≈50ms，即每过50ms产生一次中断。程序中设置了一个计数变量N，每中断1次计1个数，每计满20个数时测量一下蓄电池的电压，即每过1s测一下蓄电池的电压，程序根据测量结果发出相应的控制指令。

　　PIC12F675有4通道10位的A/D转换器，这里使用了AN0和AN1两个通道，转换结果10位二进制输出到ADRESH和ADRESL寄存器中，输出格式采用左对齐，即前8位存入ADRESH，后两位存入ADRESL，如图3所示。A/D转换器的参考电压为5V，能转换的最大模拟电压值就是5V，因此取样电路要使用分压电阻，当输入的模拟电压值为5V时转换结果为1023=1111111111B，这时ADRESH=11111111B= FF H，ADRESL=11000000B=C0H。以蓄电池电压取样为例，当其电压为14.8V时，经分压后GP0输入的模拟电压为12.8×R12/（R11+R12）=12.8×2/（2+6.2）=3.61（V），对应的A/D转换结果为1023×3.61／5=739，程序中把每次检测蓄电池电压进行A/D转换值同739比较大小，当值大于739时即认为充电结束。程序中要用到的蓄电池各种控制电压值所对应的A/D转换结果见表1。

表1

名称 电压（V） A/D转换结果 ADRESH ADRESL
过充电电压14.8 739B8H C0H
过放电电压 10.8 539 86H C0H
恢复供电电压 12.3 614 99H80H

表2

序号 元件 名称位号 型号规格 数量
1 单片机 IC PIC12F6751
2 R10 金属膜 1/4W 680Ω 1
3 R7、R8 金属膜 1/8W 1kΩ 2
4 R1、R4、

R12、R16金属膜 1/8W 2kΩ 4
5电阻器R11 金属膜 1/8W 6.2kΩ 1
6R15 金属膜 1/8W 6.8kΩ 1
7R2、R5、

R9、R13金属膜 1/8W 10kΩ 4
8R3、R6、R14金属膜 1/8W 20kΩ 3
9 电容器 C2 瓷片 0.1μF 1
10 电解电容器 C1100μF/16V1
11 C3 10μF/16V 1
12 二极管 VD1、VD2、VD6 10V稳压二极管 3
13 VD5 5V稳压二极管1
14 VD7 1N5401 1
15 VD8、VD9 SB560（5A60V） 2
16 发光二极管 VD3φ3 绿色 1
17 VD4 φ3 红色1
18 三极管 VT2、VT4、VT5 2SC945 3
19 场效应管 VT1、VT3、VT6I RF 3205 3
20 集成电路插座 DIP8 1
21 保险丝 FUSE 5A1
22 电路板PCB板 1

　　制作与调试

　　先将目标文件gfkzq.HEX写入单片机PIC12F675，按图4对有关配置位进行设置，具体烧写方法见《无线电》杂志以前的文章。控制器的印制电路图见图5，也可以使用万能电路板进行安装。元器件的型号规格和数量见表2。

　　图6是笔者制作的控制器实物（图中只装配了一路控制输出）。调试时主要是测试电压控制点是否准确，只要调准一个电压控制点，其他几个电压控制点也就基本准确了，这里选择调节过充电电压。由于控制器的A/D转换器的参考电压选择单片机的5V工作电压，因此5V稳压电源电压的大小影响到控制电压的精度，调试时用数字万用表测量此电压，误差较大（超过±0.2V）时应调换5V稳压二极管。

　　接下来在充电的过程中测量蓄电池的电压，当充电指示发光二极管由点亮到熄灭时的电压即为过充电电压，当此值偏离14.8V较大时，可通过改变取样电阻R11、R12的分压比来调整，当测量值大于14.8V时，减小R11或增加R12的阻值，调大分压比；反之增加R11或减小R12的阻值，调小分压比。使用时控制器输出的是蓄电池的12V直流电源，当用电器使用220V交流电源时，还要接入一个输入电压为DC12V的逆变器，逆变器的额定功率根据蓄电池的容量和使用要求确定。