AVR单片机太阳能控制器.docx
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AVR单片机太阳能控制器
AVR单片机的太阳能电池控制器设计
一、实现功能
控制器主要的工作是白天实现太阳能电池板对蓄电池充电的控制;当夜晚或阴天阳光不足时,蓄电池放电,以保证负载不停电。
同时具有光控、时控功能,能够在白天夜间自动切换。
太阳能灯具市电切换专用控制器,采用无触点控制技术,负载控制方式采用光控和时控,具有电池组件防反充保护功能、蓄电池防反接保护、电池组件反接保护、电池板防反充保护、负载短路保护、温度补偿、市电切换等功能。
项目实现功能:
(1)要能X若高于蓄电池电压,则可开
启充电;若低于蓄电池电压,则不能开启充电,否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而
造成电量损耗。
(2)负载放电电流达到12A时控制器通过蜂鸣器报警,提示用户负载已经过载请降低负
载功率运行;当放电电流达到15A时,控制器会自动切断负载输出,以保护控制器不被烧坏。
切断负载输出后,控制器要能够自动检测负载功率,当负载功率降低到额定功率以下时,控
制器又可自动开启负载。
(3)当蓄电池电压低于10.8时,自动关断负载(欠压关断),同时有报警提示;当从低于10.8V回升到13.2V时自动接通负载(欠压恢复)。
(4)当蓄电池电压高于14.8V时,自动关断负载(过压关断),同时有报警提示;当从高于14.8V回落到14.7V时自动接通负载(过压恢复)。
(5)当蓄电池处于浮充状态时电压值控制在13.7V。
(6)当用户将太阳能电池板接反至控制器时,要有报警功能,并且具有保护控制器不被毁坏的功能。
(7)当用户将蓄电池接反至控制器时,要有报警功能,并且具有保护控制器不被毁坏的功能。
(8)当负载发生短路时,控制器要具有自我保护能力,同时能检测出短路状态并给予报警提示;当短路解除时能够自动恢复正常功能。
(9)不同的温度对蓄电池的浮充电压点是不同的,要有自动检测温度功能,并且能够自动调节蓄电池的各个电压点。
(10)最后,以上设计中的所有参考点都可手动调节,同时可手动微调以校准单片机的户AD参考电压,使所有控制器的参考点统一。
1)、控制器的功能和特点:
1、蓄电池管理功能:
保证蓄电池工作在最佳充电和放电状态,避免蓄电池出现“过容量充电”或“过容量放电”,从而保证蓄电池的正常使用寿命。
2、具有光控(太阳光照强度控制)、时控(路灯或用电器输出的定时控制)、温控(随着环境温度的变化自动调整控制参数)等多种控制功能。
3、作为太阳能路灯控制器使用时,具有“傍晚起控、上半夜路灯全亮(时间可调)、下半夜和白天路灯全灭”的自动控制功能,用户通过面板按键预选参数可以改变上半夜路灯全亮的时间设置(见下面的使用方法)。
4、具有数据采集和数码显示功能:
通过微电脑芯片中的多路A/D模数转换电路,可以自动采集太阳能电源系统中的多个工作参数(蓄电池电压、太阳电池光伏电压、上半夜路灯全亮的定时时间等),通过3位数码管进行手动循环显示。
5、具有温度自动补偿控制功能:
随着环境温度的改变,可以自动改变蓄电池管理程序控制参数的设定值,以防止出现蓄电池冬天“欠充电”或夏天“过充电”的现象。
6、具有多种自动保护功能:
例如太阳电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护、夜间防反充保护、输出短路保护等。
控制器出厂时,缺省设置的时间是6小时。
二、硬件结构图
1、外围电路
以ATMel48为核心器件,外围电路主要有:
太阳能电池板电压检测、蓄电池电压检测(电压采集电路)、充放电控制电路、负载输出控制与电流检测电路、市电切换电路。
(状态显示、串口数据上传、键盘输入电路)
电压检测电路用于识别光照的强弱和获取蓄电池端电压。
温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿。
该系统采用PWM方式驱动充电电路,控制蓄电池的最优充放电。
负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。
键盘输入电路用于充电模式设定及LCD背光开启。
(状态显示电路用于系统状态的显示,包括电压、负载状况及充放电状态的显示。
)
(串行口上传数据电路用于系统运行参数的上传,实现远程监控。
)
D1为太阳能电池板防反接、反充二极管,采用快恢复二极管,C1、C2为滤波电容,Q为场效应开关管,L为储能电感,D2为续流二极管。
2、各部件组成
2.1太阳能电池板
太阳能电池阵列是太阳能路灯控制系统的输入[1],为整个系统提供照明和控制所需电能,白天将太阳能电池阵列所接收的光能转换为电能,对蓄电池进行充电;晚上,太阳能电池停止充电,输出端开路。
在众多太阳能电池中较常用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池3种。
多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单,价格比单晶低,适合用于太阳光充足日照好的东西部地区。
单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定,适合用于阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区。
非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低,适合室外阳光不足的情况下使用。
目前单晶硅和多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%~15%左右,如何提高转换效率是当前太阳能应用的研究重点之一。
太阳能电池方阵工作电压一般为负载工作电压的1.4倍。
2.2蓄电池
阀控密封铅酸蓄电池具有蓄能大,安全和密封性能好,寿命长,免维护等优点,在光伏系统中被大量使用。
蓄电池的容量可用式
(1)进行估算[2]:
蓄电池用量=(安全系数)1.4×(蓄电池放电容量修正系数)1.5×负载工作电流×日工作时数×最长连续阴雨天数
(1)
蓄电池容量过小,不能够满足夜晚照明的需要;蓄电池过大,则始终处在亏电状态,影响蓄电池寿命,同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷(路灯)相匹配。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%~30%,才能保证给蓄电池正常负电。
由阀控密封铅酸蓄电池充放电特性图(见图3)可知,蓄电池充电过程有3个阶段:
初期(OA)电压快速上升;中期(ABC)电压缓慢上升,延续时间较长;C点开始为充电末期,电压开始上升;接近D点时,蓄电池中的水被电解,应立即停止充电,防止损毁电池。
所以对蓄电池充电,通常采用的方法是在初期、中期快速充电,恢复蓄电池的容量;在充电末期采用小电流长期补充电池因自放电而损失的电量。
蓄电池放电过程主要有三个阶段:
开始(OE)阶段电压下降较快;中期(EFG)电压缓慢下降且延续较长的时间;在最后阶段G点后,放电电压急剧下降,应立即停止放电,否则将会给蓄电池照成不可逆转的损坏。
因此,如果对阀控密封铅酸蓄电池充放电控制方法不合理,不仅充电效率降低,蓄电池的寿命也会大幅缩短,造成系统运行成本增加。
在蓄电池的充放电过程中,除了设置合适的充放电阈值外,还需要对充放电阈值进行适当的温度补偿,并进行必要的过充电和过放电保护。
2.3照明负载
一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
(1)低压节能灯:
功率小,光效较高,使用寿命可达2000h,一般适合太阳能草坪灯、庭院灯;
(2)低压钠灯:
低压钠灯光效高,但需逆变器,因而价格贵,整个系统造价高,采用较少;
(3)无极灯:
功率小,光效较高。
该灯在220V普通市电条件下使用,寿命可以达到50000h,但在太阳能灯具上使用时寿命大大减少和普通节能灯差不多;
(4)LED灯光源:
寿命长,可达1000000h,工作电压低,光效较高。
随着技术进步,LED的性能将进一步提高,LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
2.4单片机控制芯片
3、控制部分
3.1电源、蓄电池电压采集
太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断,因而可以作为白天、黄昏的识别信号。
同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。
蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。
利用微控制器的PWM功能对蓄电池进行充电管理。
3.2蓄电池的充放电控制
保证蓄电池工作在最佳充电和放电状态,避免蓄电池出现“过容量充电”或“过容量放电”,从而保证蓄电池的正常使用寿命。
根据阀控密封铅酸蓄电池的特点,控制器利用MCU的PWM功能对蓄电池进行充电管理。
若太阳能电池正常充电时蓄电池开路,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤;若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路,由于自身控制器得不到电力,不会有任何动作。
充电过程:
当充电电压高于保护电压(15V)时,自动关断对蓄电池的充电;
当电压至维护电压(13.2V)时,蓄电池进人浮充状态,
当低于维护电压(13.2V)后,浮充关闭,进入均充状态。
当蓄电池电压低于保护电压(10.8V)时,控制器自动关闭负载,保护蓄电池不受损坏。
若出现过放,应先进行提升充电,使蓄电池的电压恢复到提升电压后再保持一定时间,防止蓄电池出现硫化。
通过PWM控制充电电路(智能三阶段充电),可使太阳能电池板发挥最大功效,提高系统充电效率。
3.2.1蓄电池充放电策略
作为太阳能路灯照明系统储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题,要选择合适的充放电策略。
所有的蓄电池充电过程都有快充、过充和浮充3个阶段,每个阶段都有不同的充电要求。
现行的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、间隙式充电法等,这些充电方法各有利弊。
本文设计的控制器采取综合使用各充电方法应用于3阶段充电。
(1)快充阶段:
蓄电池能够接受最大功率时,采取太阳能电池最大功率点跟踪对蓄电池进行充电。
当蓄电池端电压达到转换门限值后,进入过充阶段。
(2)过充阶段:
采用恒压充电法,给蓄电池一个较高的恒定电压,同时检测充电电流。
当充电电流降到低于转换门限值时,认为蓄电池电量已充满,充电电路转到浮充阶段。
(3)浮充阶段:
蓄电池一旦接近全充满时,其内部的大部分活性物质已经恢复成原来的状态,这时候为防止过充,采用比正常充电更低的充电电压进行充电。
3.2.2设计策略
充电:
V≤10.8保护电压终止负载
过放情况下,首先欲充一段时间
10.8 13.2≤V<14.8浮充阶段 15≤V关断充电 放电: 3.3负载输出控制与检测电路 系统设计了两路负载输出,每路输出均有独立的控制和检测,具有完善的过流、短路保护措施,电路原理如图2所示。 设计了两级保护: 第一级采用了由R7(0.01Ω康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路,配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现负载过流及短路保护,是一种硬件+软件的方式,LM358的输出送PL.7(A/D转换)口,用作过流信号识别,当电流超过额定电流20%并维持30s以上时,确认为过流;短路电流整定为10A,响应时间为毫秒数量级。 第二级采用了电子保险丝保护,当流经电子保险丝的电流骤然增加时,温度随之上升。 其电阻大大增加,工作电流大大降低,达到保护电路目的,响应时间为秒数量级,过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体,无须任何人为更换或维修。 系统采用了两级保护措施后,在长达数小时的负载短路实验后,控制器仍没出现电路烧毁现象。 解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护以及一旦器件烧毁必须人为更换的问题,同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比,也具有明显的优点。 简化了太阳能路灯控制器维护,提高了系统的安全性能。 3.4温度补偿 采用数字温度传感器DS18820检测蓄电池环境温度。 对蓄电池的充电阈值电压温度补偿系数取-4mV/(℃•单体)。 补偿后的电压阈值可以用以下公式表示: Ve=V+(t-25)αn。 其中,Ve为补偿后的电压阈值;V为25℃下的电压阈值;t为蓄电池环境温度;α为温度补偿系数;n为串联的单体数。 控制器对过放电压阈值不做补偿。 3.5显示及报警 具备有声光告警功能。 当出现过压或过放时,相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警。 显示模块有工作正常提示,蓄电池过充、蓄电池欠压等显示功能,可采用两个双色
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