基于单片机的太阳能路灯市电互补逆变光伏

摘要：设计了一种实用的公园景观路灯太阳能光伏控制器，以单片机为控制核心，实现了对路灯进行太阳能和普通市电自动双路切换供电的功能。其中逆变器具备电路过流和过载保护功能，并可以根据负载变化选择供电模式。
关键词：太阳能；光伏系统；逆变器：单片机；蓄电池

0 前言
    太阳能的利用在目前能源越来越紧张的情况下已经是迫在眉睫的任务，而如何做到在成本控制的前提下实现太阳能的高效利用则是很多太阳能产品设计的宗旨。本项目是针对户外和公园里普遍使用的路灯实现太阳能光伏控制，利用单片机控制电路实现对路灯太阳能供电和市电供电两种方式，既能解决路灯的能耗问题，又实现了在光照不足的情况下由普通220V市电保障路灯的正常供电。

1 太阳能路灯光伏控制系统结构
    图1是本项目的结构框图，核心是单片机，主要组成部分是：太阳能电池控制电路、蓄电池充放电电路、逆变电路、单片机控制电路。

    在本控制系统中，通过单片机对TL494脉宽调制(PWM)电路输出的控制，改变PWM占空比从而实现对逆变电路输出电压的调节。当太阳能电池板正常工作时，蓄电池处于充电状态，负载工作所需电压由蓄电池输出经逆变后得到，若外界光照不足而蓄电池充电电压低于设定低值时，控制器直接接通220V交流电供负载使用，确保在任何情况下都不会出现路灯不亮的情况。

2 系统硬件电路设计
    在本控制器中，硬件电路设计是关键，主要包括四个部分：太阳能电池板控制电路设计；蓄电池检测电路设计；逆变电路设计和单片机控制电路设计。
2．1 太阳能电池板控制电路
    太阳能电池板控制电路是实现对路灯太阳能供电的核心，当有光照时通过太阳能电池板实现对蓄电池的充电，在蓄电池可工作的情况下，路灯的照明由蓄电池提供。

2．2 蓄电池检测电路设计
    蓄电池在太阳能电池板工作的情况下由电池板提供充电，当路灯需要点亮时，蓄电池的直流电经过逆变器逆变后变为负载所需的等量交流电供负载使用。每组蓄电池的供电电压为12V，根据路灯功率的大小可有多组蓄电池组成，蓄电池之间采用串联的方式。充电控制电路具备电池电压检测功能，当蓄电池组电池电压低于预定值时，由太阳能电池板开始对蓄电池充电，当充电饱和后实现恒压恒流维持蓄电池的动态稳定状态。当负载需要供电时，蓄电池形成的直流电经过逆变电路逆变后变为交流电供负载使用。

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2．3 逆变电路设计
    逆变电路是把直流电再逆变成各种频率的交流电，具有高效清洁的特点。在本项目中逆变电路主要是把蓄电池传送过来的直流电逆变成负载所需的交流电，采用的是半桥逆变方式，所使用的逆变电路开关器件为IRF3205 MOSFET场效应管，对逆变电路的控制方式是PWM技术，PWM调制波由TL494专用正弦波脉宽调制电路产生。

2．4 单片机控制电路设计
    单片机是整个控制器的核心，主要用于对太阳能电池板控制电路的管理，对蓄电池充放电路的控制，产生逆变器件所需的PWM调制波，同时还承担了对蓄电池的状态检测，以及对电路中出现的过流、过载实现保护，另外还具备声光报警功能，图5是单片机控制电路部分原理图。本控制器中所使用的单片机为三星公司生产的S3C9454系列单片机，该型单片机具有体积小，价格便宜且功能全面的特点，比较适合大规模的产品生产使用。

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2．5 保护电路
    保护电路是在控制器出现负载短路或者过流时对电路进行强制性限流的作用，在本控制器中当蓄电池电压低于10．5V或者输出电流大于10A时电路进入自保护状态。图6是保护电路的部分原理图。

    在保护电路中需要对蓄电池电压和输出端电流进行采样比较，通过基准值的设定到电压低于设定要求时就自动切换负载供电方式，由蓄电池供电改为外部市电供电，从而起到保护蓄电池的作用，另外，一旦负载出现短路过流现象，电路即进入保护模式，切断外部供电以免过流造成电路器件损坏。

3 系统软件设计
    本系统的软件采用C语言设计，C语言具有应用广泛、数据处理能力强的特点。在软件控制上主要是实现以下几个功能：
    (1)对PWM输出的控制。利用单片机实现对TLA94芯片输出的PWM调制信号的控制，当负载变化或者出现保护状态时，单片机发出信号(220V OFF)关断TL494输出，切断逆变电路输入，保证逆变输出电压为零，由此要求在软件设计上应确保单片机一直采样输出端信号状态。
    (2)对蓄电池电压的检测控制。蓄电池电压正常工作值为12±1V，当电池电压低于11V时就要求电路立即停止蓄电池对负载输出供电，否则将影响电池使用寿命，在系统中有专门的电池检测电路，而单片机则一直对电池电压检测值进行采样，即电路中的Batter_Adin信号。一旦发现电压偏低时由单片机输出控制信号(RY1)及时切换继电器1使得负载灯泡供电由电池转为市电。
    (3)显示及键盘输入功能。在本系统中显示功能分为两个部分：一个是数码管显示，主要是用来显示系统工作时间：另一个是LED显示，LED的状态变化代表了电路的工作状态，其中绿灯代表正常运行，红灯代表故障。系统的显示功能主要由单片机软件实现。另外，在电路中考虑到需要对电路进行模式设定，因此增加了键盘输入电路，在本控制器中有三个拨码开关，用来实现对路灯的三路遥控输出。图7是本控制器的主程序流程图。

4 系统测试
    系统测试主要是在负载连续工作的情况下对蓄电池电压和电路过流保护状态的检查，在本控制器连接好太阳能电池板后，通过光电阻实现路灯开启关闭的自动切换，当光照度低于设定点时路灯将自行开启，如果光照度高于设定点时路灯也会自动关闭。考虑到一些突发情况在系统中设置了手动操作模式，如果出现短暂雷雨天气当光照度下降时通过人工操作防止路灯自动开启。
4．1 蓄电池放电保护测试
    蓄电池在对负载进行供电时，其电池电压将随着放电时间不断下降，当电池电压为10．5V时，控制器将切断蓄电池对负载的供电，而改为外部市电220V供电，当白天有光照时通过太阳能电池板对蓄电池进行充电，电压回到12．5V时，控制器将自动切断市电供电重新改为蓄电池供电模式。
4．2 蓄电池过充保护测试
    当太阳能电池板一直对蓄电池进行充电时，如果电池电压充电达到14．3V时，控制器关闭充电电路，而当电压下降到13．6V时，再次打开充电电路。
4．3 负载短路保护测试
    当负载功率为大于50W时，控制器关闭负载，并且在延时10s后，能够再次自动打开负载，而对于30W的负载能够正常工作(本控制器设计的负载额定功率为35W)。

5 结论
    本控制器最大的优点就是实现了双路供电的功能，避免了蓄电池电压不足时路灯无法正常工作的情况，通过单片机的优化控制，保证了系统的稳定工作。