基于STC12C5A60AD智能太阳能路灯控制器的原理与实现

仝新建

(南京工业职业技术学院能源与电气工程学院，江苏南京210023)

基于STC12C5A60AD智能太阳能路灯控制器的原理与实现

仝新建

(南京工业职业技术学院能源与电气工程学院，江苏南京210023)

基于单片机为核心的智能控制器，设计了太阳能路灯控制器的硬件电路，并提供了系统软件设计。本系统采用PWM三阶段充电法及光控+时控的放电方式，有利于提高充电效率;同时该控制器具有过充、过放、过载、短路等保护措施，可以延长蓄电池使用寿命。

太阳能;控制器;单片机;PWM

引言

太阳能作为一种清洁、无污染、可再生能源得到越来越广泛的应用。太阳能路灯是太阳能应用之一，无需敷设管线，安装灵活，特别适应于电网难于到达的地方及偏远的农村、海岛等。

太阳能路灯实质上就是独立的光伏发电系统，它由太阳能板、控制器、阀控式蓄电池、照明灯具四个部分组成。系统构成如图1。白天太阳能板给蓄电池充电，夜晚蓄电池为负载提供电源，蓄电池既是负载又是电源。在太阳能路灯控制系统中，蓄电池寿命相对较低，如果没有一个合理的充放电方式，蓄电池的寿命将大大缩短，从而影响整个系统的稳定运行，因此蓄电池的检测与保护很关键。而蓄电池充电、放电都是在控制器的控制下完成的，它控制着蓄电池充放电方式，因此控制器是整个路灯系统的核心。本文以路灯控制器为研究对象，设计一款以微控制器为核心的智能路灯控制器，控制器按照蓄电池的充电规律，运用PWM三阶段充电法对蓄电池充电，提高充电效率;同时具有过充、过放保护，最大限度延长蓄电池的使用寿命［1］。

图1 太阳能系统构成

1 控制器硬件电路及工作原理

路灯控制器结构框图如图2所示，它由微控制器、电源电路、充电电路、放电电路、键盘显示电路、电压电流检测、温度补偿、时钟电路、保护电路组成。该控制器具有防雷、防反充、蓄电池防反接、负载过流、短路等保护措施，确保控制器能可靠工作。

图2 太阳能路灯控制器结构

1.1 微控制器

微控制器是整个系统核心，STC12C5A60AD是宏晶公司生产的一款单时钟、高速、低功耗、超强抗干扰单片机。片上资源丰富，内置1280字节RAM，2路PWM，8路高速10位A/D转换。微控制器根据检测太阳能板电压、蓄电池电压、环境温度等参数，选择合适的充电方式;放电时，由键盘选择适当的模式点亮照明灯具。控制器配置时钟芯片DS1302可实现控制器实时定时控制。

1．2 充电电路

充电电路用于太阳能电池对蓄电池充电。图3为充电电路图，电池板、蓄电池、开关配置成串联形式，V1、V2选用场效应管IRF3710，场效应管具有开关速度快、导通电阻小特点，充电时线路压降小，减少控制器发热量，提高充电效率。V2仅起到开关作用，V1承担充电方式的选择。图中由V3、V4、V5、V6、V8等组成的PWM驱动电路能大大减少场效应管开通、关断时间，降低开关切换功耗。

图3 充电电路

蓄电池的充电过程是:开机时关断V1、V2，然后通过单片机输出脉冲信号到V2栅极，不断检测蓄电池是否满足开通条件。一旦判断出A点电压为零，此时太阳能电池板电压高于蓄电池电压，V1、V2开通，蓄电池充电。正常充电时，单片机输出脉冲信号到V1栅极，不断地检测A点电压，一旦判断出A点电压非零，此时太阳能电池板电压低于蓄电池电压，V1、V2关断，蓄电池停止充电。

1．3 放电及保护电路

放电及保护电路如图4所示。场效应管控制负载的接入与断开，负载的过流、短路不仅对负载本身有损害而且对蓄电池也有损伤，缩短蓄电池的使用寿命，本电路有完善的保护措施。放大与比较电路U1选用LM358，采样电阻R22将负载电流转化为电压信号，经U1A放大后送入单片机和U1B，当放电电流超过1.2倍额定电流30S时过载保护动作。短路时(大于额定电流3倍)单片机发出关断指令，同时电压比较器翻转关断场效应管V10，负载断电得到保护。短路保护采用硬件加软件的形式，具有反应速度快，同时能自动检测短路状态，无需手动操作，使负载恢复到正常的工作状态［2，3］。

图4 放电及保护电路图

2 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，包括充电管理、放电管理、键盘显示、温度读取、时间读取、AD转换等模块程序［4］。

2．1 主程序流程图

系统软件的主要程序流程如图5所示。

2．2 主要模块程序设计

充电管理程序控制太阳能板对蓄电池充电。系统选用阀控式铅酸蓄电池，根据阀控式铅酸蓄电池充电特性，选择智能三阶段充电方式。不仅提高充电效率，而且能延长蓄电池的使用寿命。在每个阶段设置合适的充电阀值，对相应的阀值进行温度补偿，并对过充点进行必要的保护。其流程图如图6［5］。

放电管理程序控制夜晚路灯开关时间，总的设计思路是光控+时控。天黑时点亮，深夜关闭，天亮前1小时再次点亮。这样可节约电能，特别在连续阴雨天情况下，能够延长照明天数，减小蓄电池的放电深度，保护蓄电池。放电管理流程图如图7。

3 实验测试结果

采用两块输出功率16W，最大输出电压22V的太阳能电池板，蓄电池选用12V/7Ah的阀控式密封铅酸蓄电池，通过控制器对蓄电池进行充电测试。表1为实测的蓄电池充电电压。由于充电电流随着

图5 主程序流程图

图6 蓄电池充电流程图

光照强度的变化而变化，单位时间内电压上升的幅值也不一样。图8为浮充时PWM控制的波形图。蓄电池充满后转入浮充状态，调节PWM占空比，控制充电电流，使蓄电池电压稳定在浮充电压上。

表1 蓄电池充电时实测的端电压

图7 蓄电池放电流程图

图8 浮充时PWM波形

4 结束语

本文充分利用了单片机的软硬件资源设计一款太阳能路灯控制器，实现对蓄电池充、放电的智能化管理。采用PWM充电方式及光控加时控的放电方式，提高了蓄电池的使用寿命。该控制器具有可靠的保护措施，但由于充电采用直充方式，影响充电效率，有待于进一步改善。

［1］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［M］．北京:化学工业出版社，2009．

［2］何朝阳，戴君，吴立琴．基于STC12C5410AD的太阳能路灯控制器设计［J］．国外电子元器件，2007(3):27-30．

［3］朱珠，方荣惠，孙彪，张永昊．基于PIC16F676的太阳能控制器［J］．电子设计工程，2010．(2):40-42．

［4］王景景，闫春娟，陈琦．单片机原理及应用［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［5］闭金杰，罗小曙，杨日星，张露．基于AVR的太阳能控制器设计［J］．现代电子技术，2009，(10):167-169．

(责任编辑陈晓润)

Theory and Realization of Solar Smart Road Lamp Controller based on STC12C5A60AD

TONG Xin-jian
(Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China)

This paper introduces the hardware circuit and software of the intelligent controller based on MCU．This system uses“threestage PWM charging”mode and“light and time control discharging”mode，which are of great benefits to high charging of efficiency．In addition，the controller has protection measures of overcharge，over discharge，overload and short circuit to extend the service life of battery．

solar energy;controller;MCU;PWM

TP399

A

1671-4644(2014)02-0020-04

2013-12-17

仝新建(1966-)，男，南京工业职业技术学院实验师。