離網(wǎng)光伏控制器

電路特色功能：蓄電池過充電與過放電保護(hù)；自動(dòng)恢復(fù)放電功能；防止蓄電池與太陽能電池反接功能。電路參數(shù)：最大充電電流（A）：《5最大放電電流（A）：<5蓄電池額定工作電壓（V）：12太陽能電池額定輸出電壓（V）：18太陽能電池最大開路電壓（V）：25過充電電壓（V）：14.8過放電電壓（V）：10.8恢復(fù)供電電壓（V）：12.3在氣候壓力日趨加大的今天，減少溫室氣體排放，提倡低碳生透方式已成為全球的共識。要實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)，除了通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等多種手段，盡量減少煤炭，石油等高碳能源消耗，并提高人們的節(jié)能意識外，開發(fā)新能源的應(yīng)用是更重要的手段，其中太陽能光伏發(fā)電是主要的新能源之一。在業(yè)余條件下，讀者很容易利用太陽能電池自己制作一套太陽能光伏發(fā)電裝置，不但非常有趣，而且可以實(shí)現(xiàn)自己使用新能源的愿望。業(yè)余制作的太陽能光伏發(fā)電裝置一般不存在和電網(wǎng)并網(wǎng)的可能，因此需要在不用電的時(shí)候用蓄電池把典儲藏起來，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲藏的電能，要實(shí)現(xiàn)這一功能就需要一個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)控制器，本文介紹一款用單片機(jī)電路設(shè)計(jì)制作的這種裝置。硬件電路設(shè)計(jì)本文介紹的太陽能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)使用額定輸出電壓為18V的太陽能電池板，配用12V蓄電池，太陽能電池板的功率和蓄電池的容量可根據(jù)實(shí)際需要確定，同時(shí)考慮到充電時(shí)間和用電時(shí)間的長短，進(jìn)行合理搭配，如額定輸出功率為10W的太陽能電池板配10Ah的蓄電池比較合適。太陽能光伏系統(tǒng)控制器的電路見圖1。電路由單片機(jī)電路、充電控制電路、放電控制電路等部分組成。一、單片機(jī)電路IC1、R9、C3等組成單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，其中R9、C3為上電復(fù)位電路，IC使用PIC12F675,它雖然只有8只引腳，功能卻比較強(qiáng)大，引腳見圖2。PIC12F675片內(nèi)含1KB的Flash只讀程序存儲器、64B數(shù)據(jù)存儲器RAM和128B的EEPROM,X作速度為0~20MHz，X作電壓為2~5.5V。有6個(gè)具有復(fù)用功能的I/O引腳GP0~GP5。PIC12F675可以選擇外部或內(nèi)部振蕩器，這里使用了內(nèi)部振蕩器，工作頻率為4MHz。片內(nèi)有一個(gè)帶有8位可編程預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer0和一個(gè)帶有預(yù)分頻器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer1,一個(gè)看門狗定時(shí)器，4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)模擬比較器。VT5、VT6等組成充電控制電路，當(dāng)PIC12F675的GP2腳輸出低電平時(shí)，VT5截止、VT6飽和導(dǎo)通，太陽能電池通過VD9、VT6給蓄電池充電。VT1、VT2和VT3、VT4等分別組成兩路蓄電池放電控制電路，使用兩路負(fù)載可增加使用的靈活性，當(dāng)程序?qū)IC12F675的GP4、GP5腳采取不同的控制時(shí)可實(shí)現(xiàn)不同的功能，比如GP4作常規(guī)控制，GP5增加夜燈控制功能，只有在天黑以后蓄電池才對外供電。GP4、GP5如果采用相同的控制功能，兩個(gè)輸出端也可以并聯(lián)使用。以第一路（負(fù)載1）為例，當(dāng)GP5輸出低電平時(shí)，蓄電池通過VD8、VT1向負(fù)載供電。二、充放電控制器本文介紹的控制器采用A/D轉(zhuǎn)換的方式測量蓄電池的電壓，即先把蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，然后將測試數(shù)據(jù)和已儲存的過充電電壓、過放電電壓、恢復(fù)供電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的控制。電路中R11、R12和R15、R16分別組成蓄電池和太陽能電池的電壓取樣電路，太陽能電池的電壓取樣電路在增加夜燈控制功能時(shí)使用。PIC12F675的GP0、GP1分別作兩個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端。

A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)內(nèi)部的VDD，即5V作為參考電壓。R10、VD5、C1、C2等組成單片機(jī)5V穩(wěn)壓電'源VD7、保險(xiǎn)絲FUSE組成防蓄電池反接電路，當(dāng)蓄電池接反時(shí)VD7導(dǎo)通，通過保險(xiǎn)絲FUSE使蓄電池短路，燒斷保險(xiǎn)絲，從而蓄電池?cái)嗦罚鸬奖Ｗo(hù)電路和負(fù)載的作用。保險(xiǎn)絲FUSE同時(shí)也起到過載保護(hù)作用。VD9能防止太陽能電池板接反。VDDGP5/T1CKI/0SC1/CLKINGP4/AN3/T1G/OSC2/CLKOUTGP3/MCLR/VPPVDDGP5/T1CKI/0SC1/CLKINGP4/AN3/T1G/OSC2/CLKOUTGP3/MCLR/VPPVSSGPO/ANO/CIN+/ICSPDATGP1/AN1/CIN-/VREF/ICSPCLKGP2/AN2/TOCKI/INT/COUT三、工作過程接上太陽能電池板和蓄電池后，電路的工作情況如下（設(shè)蓄電池的電壓為U）：充電工作情況：當(dāng)U<14.8V時(shí)GP2輸出低電平，太陽能電池對蓄電池充電；當(dāng)U>14.8V時(shí)GP2輸出高電平，蓄電池停止充電。放電工作情況：當(dāng)U由大于12.3V下降到10.8V前，GP4、GP5輸出低電平，蓄電池對負(fù)載放電。1.當(dāng)U<10.8V時(shí)，GP4、GP5輸出高電平，蓄電池停止對負(fù)載放電。2.U隨著充電逐漸上升，當(dāng)U>10.8V時(shí)，電路并不立刻恢復(fù)蓄電池的供電，否則會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)因電壓下降又停止供電，形成一種振蕩的供電狀態(tài)，即一會(huì)通一會(huì)斷，為了解決這一問題，設(shè)置了一個(gè)電壓的回差，當(dāng)蓄電池充電恢復(fù)到U>12.3V時(shí)，GP4、GP5再輸出低電平恢復(fù)供電。3.軟件設(shè)計(jì)程序在MPLABIDE編譯器中進(jìn)行編譯，使用匯編語言編寫。程序由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、延時(shí)子程序、數(shù)值比較子程序等組成。主程序主要用來進(jìn)行初始化，設(shè)置單片機(jī)的工作模式，將各種控制電壓值寫入有關(guān)存儲單元。定時(shí)中斷服務(wù)子程序使用了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Timer。，Timer0使用內(nèi)部時(shí)鐘源，預(yù)分頻器采用256分頻。由于PIC12F675的內(nèi)部振蕩器振蕩頻率為4MHz，1個(gè)指令周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，因此一個(gè)指令周期為Ips,經(jīng)256分頻后Timer0的8位計(jì)數(shù)器TMR0計(jì)數(shù)脈沖的周期為256ps，因此如果它的初始值取61，則計(jì)滿256個(gè)數(shù)的時(shí)間為256x(256—61)=49920(ps)?50ms,即每過50ms產(chǎn)生一次中斷。程序中設(shè)置了一個(gè)計(jì)數(shù)變量N,每中斷1次計(jì)1個(gè)數(shù)，每計(jì)滿20個(gè)數(shù)時(shí)測量一下蓄電池的電壓，即每過1s測一下蓄電池的電壓，程序根據(jù)測量結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令。PIC12F675有4通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，這里使用了AN0和AN1兩個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果10位二進(jìn)制輸出到ADRESH和ADRESL寄存器中，輸出格式采用左對齊，即前8位存入ADRESH，后兩位存入ADRESL，如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為5V，能轉(zhuǎn)換的最大模擬電壓值就是5V，因此取樣電路要使用分壓電阻，當(dāng)輸入的模擬電壓值為5V時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023=1111111111B，這時(shí)ADRESH=11111111B=FFH,ADRESL=11000000B=C0H。以蓄電池電壓取樣為例，當(dāng)其電壓為14.8V時(shí)，經(jīng)分壓后GP0輸入的模擬電壓為12.8xR12/(R11+R12)=12.8x2/(2+6.2)=3.61(V)，對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為1023x3.61/5=739，程序中把每次檢測蓄電池電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換值同739比較大小，當(dāng)值大于739時(shí)即認(rèn)為充電結(jié)束。程序中要用到的蓄電池各種控制電壓值所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果見表1。表2序號元件名稱位號型號規(guī)格數(shù)量TOC\o"1-5"\h\z單片機(jī)ICPIC12F6751R10金屬膜1/4W680Q1R7、R8金屬膜1/8W1kQ2R1、R4、R12、R16金屬膜1/8W2kQ4電阻器R11金屬膜1/8W6.2kQ1R15金屬膜1/8W6.8kQ1R2、R5、R9、R13金屬膜1/8W10kQ4R3、R6、R14金屬膜1/8W20kQ3TOC\o"1-5"\h\z電容器C2瓷片0.1gF1電解電容器C1100吁/16V1C310吁/16V1二極管VD1、VD2、VD610V穩(wěn)壓二極管3VD55V穩(wěn)壓二極管1VD71N54011VD8、VD9SB560(5A60V)216發(fā)光二極管VD3中3綠色1VD4歸紅色1三極管VT2、VT4、VT52SC9453場效應(yīng)管VT1、VT3、VT6IRF32053集成由路包座DIP81保險(xiǎn)絲FUSE5A1電路板PCB板1制作與調(diào)試

先將目標(biāo)文件gfkzq.HEX寫入單片機(jī)PIC12F675,按圖4對有關(guān)配置位進(jìn)行設(shè)置，具體燒寫方法見《無線電》雜志以前的文章?？刂破鞯挠≈齐娐穲D見圖5,也可以使用萬能電路板進(jìn)行安裝。元器件的型號規(guī)格和數(shù)量見表2。圖6是筆者制作的控制器實(shí)物（圖中只裝配了一路控制輸出）。調(diào)試時(shí)主要是測試電壓控制點(diǎn)是否準(zhǔn)確，只要調(diào)準(zhǔn)一個(gè)電壓控制點(diǎn)，其他幾個(gè)電壓控制點(diǎn)也就基本準(zhǔn)確了，這里選擇調(diào)節(jié)過充電電壓。由于控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓選擇單片機(jī)的5V工作電壓，因此5V穩(wěn)壓電源電壓的大小影響到控制電壓的精度，調(diào)試時(shí)用數(shù)字萬用表測量此電壓，誤差較大（超過±0.2V）時(shí)應(yīng)調(diào)換5V穩(wěn)壓二極管。接下來在充電的過程中測量蓄電池的電壓，當(dāng)充電指示發(fā)光二極管由點(diǎn)亮到熄滅時(shí)的電壓即為過充電電壓，當(dāng)此值偏離14.8V較大時(shí)，可通過改變?nèi)与娮鑂11、R12的分壓比來調(diào)整，當(dāng)測量值大于14.8V時(shí)，減小R11或增加R12的阻值，調(diào)大分壓比；反之增加R11或減小R12的阻值，調(diào)小分壓比。使用時(shí)控制器輸出的是蓄電池的12V直流電源，當(dāng)用電器使用220V交流電源時(shí)，還要接入一個(gè)輸入電壓為DC12V的逆變器，逆變器的額定功率根據(jù)蓄電池的容量和使用要求確定。

表1名稱電壓（V）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADRESHADRESL過充電電壓14.8739B8HC0H過放電電壓10.853986HC0H恢復(fù)供電電壓12.361499H80H太陽能光伏發(fā)電裝置在不用電的時(shí)候用蓄電池把電能儲藏起來，需要用電時(shí)再使用蓄電池中儲藏的電能，要實(shí)現(xiàn)這一功能就需要一個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)控制器。這個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)控制器系統(tǒng)使用額定輸出電壓為18V的太陽能電池板，配用12V蓄電池，太陽能電池板的功率和蓄電池的容量可根據(jù)實(shí)際需要確定，同時(shí)考慮