基于PIC單片機(jī)的太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、基于PIC單片機(jī)的太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用姚小濤（華北電力大學(xué) 河北 保定 071000）摘 要： 介紹以pic16f877A單片機(jī)為核心開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能控制器的總體結(jié)構(gòu)、基本功能和應(yīng)用。重點(diǎn)闡述輸出控制、按鍵功能設(shè)計(jì)、外部電源補(bǔ)充等的控制策略和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)大量不同場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用，證明該控制器達(dá)到了功能配置靈活，適用性強(qiáng)，成本低廉，擴(kuò)展性強(qiáng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，得到市場(chǎng)的認(rèn)可。關(guān)鍵詞： Pic16f877A；按鍵可調(diào)；恒流輸出；外接電源中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16717597（2011）0920064020 引言能源是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái)，大量使用的煤炭、石油和天然氣等化石能

2、源不僅日益枯竭，且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。面對(duì)能源和環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，怎樣有效利用太陽(yáng)所恩賜的能量，是新能源開(kāi)發(fā)利用中的一個(gè)重要課題。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)各地都出現(xiàn)了不同程度的電荒，拉閘限電時(shí)有發(fā)生，太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用迫不及待，但從當(dāng)前我國(guó)太陽(yáng)能光伏使用情況和今后一段時(shí)期發(fā)展來(lái)看，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)、設(shè)備成本較高，每KW裝機(jī)成本是常規(guī)火電的10倍以上，發(fā)電成本為常規(guī)發(fā)電的2-5倍，因而影響了其大量應(yīng)用。而離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電應(yīng)用相對(duì)成本低，應(yīng)用配置靈活，無(wú)污染，可無(wú)人值守，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島、無(wú)人通訊站、燈塔、航標(biāo)、城市照明等得到應(yīng)用。其中城市照明的太陽(yáng)能應(yīng)用發(fā)展迅速，成為光伏發(fā)電市場(chǎng)的重要組成

3、部分。本文針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上獨(dú)立太陽(yáng)能光伏照明控制器在城市照明應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品功能單一，不能滿足用戶的多樣化需求，而研究開(kāi)發(fā)了控制靈活、輸出可調(diào)、成本低廉、適用性強(qiáng)的太陽(yáng)能照明控制器，并在市場(chǎng)中得到應(yīng)用。1 系統(tǒng)組成本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的控制器以PIC單片機(jī)為核心，控制兩通道A/D電壓采樣、蓄電池充放電、放電模式轉(zhuǎn)換、負(fù)載電流調(diào)節(jié)、按鍵設(shè)置、工作狀態(tài)顯示、工作參數(shù)設(shè)置保存、外部電源補(bǔ)充供電、中斷定時(shí)等功能（圖1）。真和程序燒寫(xiě)。C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)不論從程序的開(kāi)發(fā)速度、軟件質(zhì)量還是可移植性上，都是匯編語(yǔ)言所不能比擬的。很多專業(yè)的第三方公司提供支持PIC單片機(jī)的C語(yǔ)言編譯器，常見(jiàn)的有Hitech，CCS，IAR，Byt

4、ecraft等公司。其中Hitech公司的PICC編譯器穩(wěn)定可靠，編譯生成的代碼效率高，調(diào)試維護(hù)方便。因此本系統(tǒng)使用MPLAB-ICD集成PICC編譯器進(jìn)行PIC單片機(jī)C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)，完成控制功能。2 基本功能1）控制器通過(guò)A/D采樣檢測(cè)蓄電池電壓，自動(dòng)判斷12V或24V蓄電池組，并按不同電池組自動(dòng)設(shè)置控制參數(shù)。2）通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池和蓄電池電壓，控制充放電時(shí)機(jī)和蓄電池保護(hù)，通過(guò)PWM方式控制太陽(yáng)能電池以所能提供的最大電流向蓄電池充電。3）以中斷計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行時(shí)間控制。通過(guò)延時(shí)判斷，確認(rèn)各控制點(diǎn)數(shù)值，避免誤判。通過(guò)每天計(jì)算夜晚時(shí)間判斷季節(jié)變化，確定基本輸出方式。4）通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換控制恒流驅(qū)動(dòng)電

5、路，靈活控制電流輸出。5）4個(gè)發(fā)光二極管在工作時(shí)顯示蓄電池電壓高、中、低、饋電四個(gè)狀態(tài)并能區(qū)分充電或放電狀態(tài)。在按鍵設(shè)置時(shí)復(fù)用指示不同的設(shè)置狀態(tài)。6）通過(guò)按鍵可設(shè)置供電時(shí)間，轉(zhuǎn)微亮?xí)r間、輸出電流粗調(diào)、輸出電流細(xì)調(diào)，蓄電池供電或外部電源補(bǔ)充供電等。7）參數(shù)設(shè)置自動(dòng)保存，掉電不消失，首次加電自動(dòng)按默認(rèn)設(shè)置。8）以蓄電池供電為主，可設(shè)置外部電源補(bǔ)充供電。3 恒流輸出控制輸出控制是控制器的核心功能之一。本控制器設(shè)計(jì)為恒流輸出，按鍵可調(diào)，粗調(diào)從0至9A每檔加1A，細(xì)調(diào)為在粗調(diào)的基礎(chǔ)上加0.1A至0.9A每檔加0.1A。調(diào)后即保存生效，恒流穩(wěn)定輸出，不中斷運(yùn)行。圖1單片機(jī)采用PIC16f877A，該單片機(jī)

6、囊括了PIC16f87X系列單片機(jī)的全部功能，具有高性能RISC CPU，僅35條單字節(jié)指令，擁有14位8K Flash存儲(chǔ)器，368個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）存儲(chǔ)器，256個(gè)字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)器，14個(gè)中斷源、8級(jí)深度的硬件堆棧、3個(gè)定時(shí)器、10位多通道的A/D轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制、33個(gè)可復(fù)用可編程I/O端口、在線串行編程（ICSP）能力、可編程的代碼保護(hù)等。單片機(jī)開(kāi)發(fā)使用專為其設(shè)計(jì)的在線調(diào)試工具M(jìn)PLAB-ICD。借助于該工具不需要其它仿真器和燒寫(xiě)器，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿圖2電流的控制輸出由D/A轉(zhuǎn)換和恒流輸出兩部分組成（圖2）。其流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)默認(rèn)值或按鍵的設(shè)定值計(jì)算得到要輸出電流對(duì)應(yīng)的

7、數(shù)字量，經(jīng)串行輸出接口（SPI）按照規(guī)定格式輸出到D/A轉(zhuǎn)換芯片（TLC5615），D/A轉(zhuǎn)換芯片將接收的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出到直流驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將電壓轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的恒定電流輸出提供給負(fù)載。TLC5615是帶有緩沖基準(zhǔn)輸入（高阻抗）的10位電壓輸出數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。DAC具有基準(zhǔn)電壓兩倍的輸出電壓范圍，且是單調(diào)變化的。該器件用5V單電源工作，具有上電復(fù)位（power-on-reset）功能，采用8引腳的小型（small-outline）D封裝，允許在空間受限制的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)模擬功能的數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)中使用其中6個(gè)引腳。PIC單片機(jī)由SPI串口的數(shù)據(jù)輸出端（RC5）輸出電壓

8、值的10位數(shù)字量到TLC5615的DIN端，通過(guò)控制SCLK、CS，由TLC5615接收，對(duì)應(yīng)模擬電壓值由OUT引腳輸出到比較器（LM158）同相端，比較器反相端通過(guò)采樣比較產(chǎn)生相同的電壓V，同時(shí)比較器反相端連接0.1歐電阻，由工作在放大區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管調(diào)節(jié)產(chǎn)生電流I=V/0.1。即0.1V電壓可由驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為提供1A的電流，0.01V電壓可由驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為提供0.1A的電流。反過(guò)來(lái)，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量D可由公式V=2×VREEIN×D÷1024計(jì)算得出，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)D值來(lái)控制電流的輸出恒定可調(diào)。電流的輸出控制配合時(shí)間控制完成不同時(shí)段、不同季節(jié)、不同電量等條件下的不同功

9、率輸出策略，即保證了輸出效果，又可合理控制蓄電池和負(fù)載的使用壽命。4 按鍵設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)了兩個(gè)按鍵，由復(fù)用的4個(gè)發(fā)光二極管作為顯示。功能鍵Key1完成不同設(shè)置功能的選擇。數(shù)據(jù)選擇鍵Key2完成由Key1選擇的不同功能設(shè)置的具體數(shù)據(jù)選擇。由指示蓄電池電壓的四個(gè)發(fā)光二極管復(fù)用表示不同選項(xiàng)。其操作設(shè)計(jì)為：常按Key1 5秒進(jìn)入按鍵設(shè)置狀態(tài)，其后每次短按切換功能選擇，分別為定時(shí)關(guān)斷、定時(shí)微亮、電流粗調(diào)、電流細(xì)調(diào)、外部電源補(bǔ)充供電等，在不同功能設(shè)置下短按Key2鍵進(jìn)行具體數(shù)據(jù)選擇設(shè)置。每次按鍵都進(jìn)行消抖處理，并保存一次按鍵設(shè)置?？赏ㄟ^(guò)Key1鍵結(jié)束按鍵狀態(tài)，或在按鍵設(shè)置狀態(tài)下30秒沒(méi)有任何鍵按下，則自動(dòng)

10、結(jié)束按鍵狀態(tài)恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)。按鍵結(jié)束后設(shè)置立即生效，且最后的設(shè)置結(jié)果已經(jīng)保存，5 外接電源補(bǔ)充在以太陽(yáng)能供電為主的情況下，外接電源的補(bǔ)充可用兩種方式：一種是外接電源對(duì)蓄電池補(bǔ)充充電，當(dāng)判斷蓄電池在太陽(yáng)光照輻射充電不能滿足負(fù)載需求時(shí)，外接電源介入向蓄電池補(bǔ)充充電。這種方式可以保持蓄電池電量充足，蓄電池壽命可以得到很好的控制，但充放電控制較復(fù)雜，增加軟硬件開(kāi)銷。更重要的是如果蓄電池出現(xiàn)故障，或性能變差，則仍會(huì)影響負(fù)載供電，失去外接電源補(bǔ)充的意義。另一種方式是本設(shè)計(jì)采用的方式即外接電源補(bǔ)充向負(fù)載供電（圖1）。在控制器的控制下，當(dāng)蓄電池在向負(fù)載供電過(guò)程中，電量不足，電壓低于設(shè)定的饋電電壓值時(shí)，停止放電

11、。此時(shí)外接電源介入，接替蓄電池向負(fù)載補(bǔ)充供電。在確認(rèn)蓄電池經(jīng)白天充電恢復(fù)滿足供電條件后，晚上負(fù)載打開(kāi)之前外接電源切出，負(fù)載交還蓄電池。即使蓄電池不饋電，在任何負(fù)載關(guān)閉的條件下，繼電器也連接到外接電源端，由單片機(jī)控制關(guān)閉負(fù)載，這樣避免在蓄電池不供電時(shí)，產(chǎn)生微小的靜態(tài)電流造成電池能量損耗。按此設(shè)計(jì)可更好的保證負(fù)載照明效果，且外接電源供電和蓄電池供電互不影響。設(shè)置一個(gè)指示燈就可區(qū)分運(yùn)行狀態(tài)為蓄電池供電或外接電源供電。6 總結(jié)本文所研究開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能控制器已在城市街燈、景觀燈、庭院燈及其它多種場(chǎng)合得到應(yīng)用。通過(guò)大量實(shí)踐運(yùn)行檢驗(yàn)，證明該控制器性能穩(wěn)定、功能配置靈活、成本相對(duì)低廉、適用性強(qiáng)，能夠滿足多數(shù)應(yīng)用

12、場(chǎng)合。同時(shí)控制器在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了充分的優(yōu)化，僅使用了Pic16F877A單片機(jī)的23個(gè)引腳，仍留有17個(gè)功能引腳未用。單片機(jī)程序編譯后，程序存儲(chǔ)器ROM僅使用39.7%仍有60.3%的空閑，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM使用25.3%仍有74.7%的空閑。節(jié)省的軟硬件資源為功能擴(kuò)展提供了空間。同時(shí)Pic單片機(jī)系列眾多，Pic16F877是其中兼具個(gè)性與共性，功能全面的一個(gè)。其上運(yùn)行的程序可稍加修改或不修改就可在其它PIC型號(hào)單片機(jī)上運(yùn)行。因此本系統(tǒng)擴(kuò)展性和兼容性及成本控制能力更強(qiáng)，能夠針對(duì)現(xiàn)有功能以外的特定應(yīng)用，快速二次開(kāi)發(fā)，提高效率。參考文獻(xiàn)：1李學(xué)海，PIC單片機(jī)原理M.北京航空航天大學(xué)出版社，200

13、5.2胡杰、吳心義、張志超、董利民等，基于太陽(yáng)能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，329（18）：200-204.3陳文治、潘永才、覃書(shū)芹、吳風(fēng)雄，基于ARM7的太陽(yáng)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.信息通信，2010（5）：41-44.4張仁朝、謝謹(jǐn)，基于Atmega128單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，科技廣場(chǎng)J.2010（8）：130-133.5李慧娟、梁光榮，太陽(yáng)能電源低壓鈉燈智能控制器的設(shè)計(jì)，電子設(shè)計(jì)工程J.2010，18（8）：153-156.（上接第103頁(yè)）在選擇拉線時(shí)，要選擇鍍鋅鋼絞線或者鍍鋅鐵線等抗腐蝕的拉線，凡是需要掩埋在地下的鐵件（如拉線棒）都應(yīng)該采取相應(yīng)的抗腐

14、蝕措施，以避免因腐蝕造成拉線固定失靈。在腐蝕特別嚴(yán)重的地區(qū)，拉線棒的直徑必須加大2-4mm。當(dāng)水平拉線必須跨越道路時(shí)，拉線對(duì)路面中心的垂直距離應(yīng)當(dāng)大于6米；如果水平拉線必須跨越電車行車線，拉線對(duì)路面中心的垂直距離應(yīng)當(dāng)大于9米。只有這樣才能避免拉線對(duì)機(jī)動(dòng)車輛造成影響。按照規(guī)定，在“空曠地區(qū)配電線路連續(xù)直線電桿超過(guò)10基時(shí)，宜裝設(shè)防風(fēng)拉線”。在對(duì)空曠地區(qū)的電桿設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量控制耐張段的距離在800-1000米之間，這樣不但可以減少電桿故障的發(fā)生率，而且在維修時(shí)也可以降低搶修的難度。2.3 拉線角度的設(shè)計(jì)如果線路拉力比較大，這時(shí)拉線與地面的安裝夾角不得大于45度，如果線路的拉力比較小，并且拉線的埋設(shè)