基于PICl6F676的太陽能控制器設計與應用

摘要：設計一套簡易太陽能控制器，可方便控制蓄電池的充放電。該控制器采用低功耗的PICl6F676型單片機作為整個控制電路的核心，實時監測、控制蓄電池兩端電壓，使用液晶屏直觀顯示其電壓和電量。采用溫度補償二極管克服環境溫度變化引起的蓄電池端電壓變化，并采用“自適應三階段”充電模式。通過不同條件下調用相應的充放電子程序，以最佳的方式對蓄電池進行充放電，更好保護了蓄電池。

??? 近年來，隨著地球上石油、煤炭等有限資源因大量開發與利用而導致能源短缺，人們對可再生能源一太陽能利用愈加重視。本文設計了一種小型太陽能控制器，該控制器能將太陽能電池板與16 V蓄電池直接耦合，采用低功耗的單片機PICl6F676作為控制回路的核心，實時監測蓄電池的端電壓。在不同條件下，采用不同方式智能控制蓄電池充放電，提高太陽能電池的利用效率，并延長蓄電池的使用壽命。

1 太陽能電池板伏安特性
??? 太陽能電池板伏安特性曲線是光伏系統中電路設計、系統優化運行可靠性、使用壽命以及運行成本等指標的分析基礎，是太陽能電池主要參數。圖l給出了不同環境下所測量的8組太陽能電池板數據U-I曲線和相應的P-U曲線。其中系列1～系列5為太陽能電池板在不同太陽光光線強度下得到的曲線，系列6為太陽能電池板背朝著太陽光得到的曲線，而系列7、系列8分別為節能燈光、普通燈光照射下得到的曲線。

??? 若要在太陽能發電系統中得到最大功率。必須跟蹤日照強度和環境溫度條件，不斷改變其負載阻抗，使陣列與負載達到最佳匹配，從而提高系統效率。常用的控制方式有CVT(恒定電壓跟蹤)和MPPT(最大功率點跟蹤)。

2 太陽能控制系統
??? 該太陽能控制系統主要由太陽能電池、蓄電池、單片機控制模塊、顯示設備、溫度補償模塊、負載及其他外嗣元件組成，其控制系統結構框圖如圖2所示。

??? 由圖2可知，太陽能電池由單片機控制模塊控制向蓄電池充電。并向外電路負載供電，同時結合考慮蓄電池所處環境的變化，利用溫度補償控制調節電路保護蓄電池。

3 太陽能控制器的硬件電路
3．1 電壓采集模塊
??? 通過蓄電池兩端的分壓電阻進行分壓，采集信號輸入單片機。為減少常規電阻的非線性誤差，采用4只2 kΩ精密電阻分壓出1／4蓄電池電壓作為單片機A／D轉換的分析電壓，從而減小分析電壓的誤差。電壓采集時，外界環境光線驟變會使單片機發生誤判現象，影響充電回路錯誤控制，因此需在軟件上增加適當的延遲功能，以辨別其環境光線的“真偽”。
3．2蓄電池電壓及電量顯示模塊
??? 采集處理后的電壓輸出到液晶LCDl602進行顯示，LCDl602液晶屏每平方厘米耗電量為μA級，顯示穩定。在考慮電量顯示時，由于蓄電池的容量與其端電壓有關，故可間接近似線性劃分蓄電池的過放電UMin和過充電UMax之間的壓差，可得出電量S：

式中，U為實際蓄電池兩端電壓。
3．3 控制器輸入輸出控制模塊
3．3．1 輸入模塊
??? 輸入模塊即太陽能電池充電模塊，由于太陽能電池板受光線和其材料本身的屬性影響，其充電電流具有一定波動性，若將所生成的電流直接充入蓄電池或直接向負載供電，容易造成蓄電池和負載損壞，嚴重降低其使用壽命。因此，必須控制其充電部分，這里采用“自適應三階段充電模式”：1)充電階段，蓄電池電壓U較低，小于12．5 V，使用恒流充電；2)當蓄電池電壓U達到12．5 V時，則進入恒壓浮充狀態(控制占空比實現)；當電流下降到設定值時(由高精密電阻兩端的壓差與設定值相比較判斷)，此時U達到14．5 V，恒流充電：3)當U達到設定的過充電壓16 V時，恒壓涓流充電，涓流小到一定程度時(通過高精密電阻兩端的壓差與設定值相比較判斷)則切斷充電回路。圖3為太陽能電板向蓄電池充電電路。其中，濾波單元是由單相橋式整流電路VD和電感L濾波電路組成，VD可使太陽能電池板始終向蓄電池充電，而蓄電池不會向太陽能電池供電，且太陽能電池板在光線驟變時產生交流電或與蓄電池反接時，只能向蓄電池充電。濾波電路L濾除整流后輸出電壓的紋波，使充電電流更穩定。

??? 圖4為溫度補償電路，已知在溫度環境變化較大的地區，蓄電池容量將隨之變化，原先設定的各個充電情況已不再適合，需對以上的各點進行相應修正(軟件編程設置實現)，否則同樣會降低蓄電池的使用壽命，所以增加該溫度補償模塊很有必要。該溫度補償電路主要由溫度補償二極管構成，其P-N結電壓直接加到端口上，利用二極管在常溫附近，溫度每升高1℃，其PN結正向壓降會減少2～2．5 mV的特性進行溫度補償。

??? 當然家用蓄電池不能總采用控制器控制使其免于過充保護，一般蓄電池還需考慮蓄電池長期充放電，析氣和失水導致的蓄電池酸液分層現象，使得蓄電池容量衰減和產生記憶效應。因此，有必要定期屏蔽掉蓄電池過充保護，使其電壓過充，以減少上述不良影響。
3．3．2 輸出模塊
??? 輸出模塊即蓄電池向負載供電模塊。當蓄電池滿足放電條件時，控制器將打開放電同路的繼電器，向負載供電。

??? 圖5為兩級電保護裝置，以防外界短路或其他情況造成的電流驟增而損壞蓄電池以及其他電子元件。第1級保護(軟硬件方式)采集高精密電阻兩端電壓，當滿足設定最大放電電流與高精密電阻阻值之積(即兩端電壓)且持續20 s時，確認短路，此時單片機控制切斷放電回路。第2級保護(硬件保護)為防止第1級電流過大且未持續20 s，將對電路造成損害，此時增加SR30系列自恢復保險絲，當流經的電流達到額定值時。自恢復保險絲溫度上升、電阻迅速增大，電流迅速減小，當過流消失時，電子保險絲自動回復到初始狀態，無需手動更換，簡化控制器維護，大大提高系統的安全性能。

3．4 穩壓電路
??? 穩壓電路是由高精密電阻、穩壓器L7809CV、L7805CV，濾波電容等元件構成，如圖6所示。圖6中使用4個2 kΩ精密電阻分出 1／4蓄電池電壓作為單片機A／D轉換分析電壓，從而減小分析電壓的誤差。考慮到實際中蓄電池的電壓控制在11．5～16 V之間，并且三段集成穩壓器的最佳壓差為2．5~4 V。先使用L7809CV將蓄電池電壓穩壓在9 V，再使用L7805CV將9 V電壓穩定在5 V。這樣L7809CV的最大壓差為6 V，L7805-CV的壓差為4 V，在穩壓器上附加散熱鋁片即可確保穩壓器不會因過熱而損壞。為提高單片機工作的穩定性，使用2個5 V電源分別向單片機和繼電器供電，避免相互干擾。

4 太陽能控制器的軟件設計
??? 圖7給出該太陽能控制器軟件設計控制流程。

??? 涓流充電時，僅當檢測的涓流小到設定值時才關閉充電回路；溫度補償時△μ(可正、可負)為程序中相應的充放電點電壓值的改變值。還要考慮環境光線強度的驟變以及用電的瞬時電流的突變等情況對系統控制的影響，故需在軟件上增加適當的延遲功能。
??? 此外在試驗進行時，遇到蓄電池的“滯回效應”，即蓄電池處于過充電點與過放電點時，由于用電負載的存在，電源系統在保護值處不斷振蕩，將對電子元件造成損壞。則程序設計時需進行“判斷是否第一次上電”，調用不同臨界值的子程序，蓄電池兩端電壓回落或上升到規定值時，使其正常工作。

5 結束語
??? 設計了一個基于PICl6F676型單片機的太陽能控制器，其功耗低，性能穩定；并采用“自適應三階段充電模式”自動以最佳方式控制蓄電池充放電；考慮溫度補償功能，以保證在外界環境溫度的變化下能自動改變各種“充放電點”，可在溫差變化較大的地區使用。且考慮了蓄電池的記憶效應，滯回效應，在負載電路使用二級保護裝置，更好保護蓄電池。
??? 該太陽能控制器，在模擬試驗成功的基礎上進行現場試驗，也已取得初步成功。若在該控制器的基礎上，進一步完善手動控制電路及后續的逆變電路，可提高電路穩定性及整體功能，進而使其具有良好的市場前景。