具有自动跟踪功能的太阳能充放电控制系统

刘玉敏 高松岩 于 镝 钱 坤

(东北石油大学电气信息工程学院)

具有自动跟踪功能的太阳能充放电控制系统

刘玉敏 高松岩 于 镝 钱 坤

(东北石油大学电气信息工程学院)

以STC89C52单片机为核心，设计了一个太阳能充放电控制系统。该系统能够自动跟踪太阳光，同时采用 PWM的方式控制电池的充放电模式。分析了系统的控制策略，给出了系统主要部分的硬件设计图，阐述了系统软件设计思路。通过系统软、硬件联机调试，实现了太阳能电池板自动跟踪太阳光，蓄电池状态的实时监测，太阳能电池板状态的实时监测及蓄电池充放电节奏的优化控制等功能，达到了增强太阳能电池板吸收效率和保护蓄电池的目的。

自动跟踪 充放电控制器 太阳能 PWM脉宽调制

太阳能光伏发电是目前世界各国争先发展的绿色能源技术之一。太阳能装置环保、节能、无污染，在国民经济的各个领域都有广泛的应用。在进行太阳能光伏发电时，由于太阳光线照射的不均匀性导致电压输出不稳定，而不稳定的电压不能直接应用于负载，这时必须应用蓄电池。因此如何提高太阳能板的吸光效率、延长蓄电池的使用寿命就成了一个主要研究课题。太阳光在一天中的强度是不同的，而传统的太阳能充电系统，太阳能板位置固定不动，更导致了吸收的不均匀，使电压不稳定。同时传统的充放电系统中，经常会出现对蓄电池的“过充电”和“过放电”现象，导致对蓄电池的保护不够充分，减少了蓄电池的使用寿命。笔者研究了一种基于单片机的能够自动跟踪太阳光的充放电控制系统。该系统以STC89C52单片机作为核心构成硬件电路，实现太阳能电池板自动跟踪太阳光，蓄电池和太阳能板电压的实时采集和显示，蓄电池过充、过放保护和短路保护等功能，从而达到提高设备效率和延长使用寿命的目的[1]。

1 方案分析

目前，大部分太阳能吸光板位置都是固定的，导致太阳光的吸收效率不高。本系统的吸光板可以自动跟踪太阳光，使太阳光始终垂直照射在吸光板上，最大限度地吸收太阳光。系统采用单轴跟踪的方式，以光敏电阻代替传感器，在一定时间内电机转动一角度后，采集此时的光强，将转动一周后采集的数据通过比较来寻找光强最大的位置。这种跟踪方式思路清晰、操作简单，非常适合小型的太阳能装置。

吸光板吸收到足够的太阳光，最终要将光能转化成电能并存储到蓄电池中。以合理有效的形式对蓄电池充电能适当延长电池的使用寿命。本系统采用脉宽调制策略(PWM)解决上述问题。PWM方法就是利用MPU的数字输出控制模拟电路。该方法在固定时钟频率下，控制开关的通断时间来调整信号的占空比，实现对输出电压的控制[2]。它让电池保持“间歇式”的充电方式。在充电的间歇期，蓄电池将化学反应产生的气体重新化合，来减轻蓄电池内部的压力，保证下一次充电的效率。本系统在线检测蓄电池电压，采用PWM的控制模式，控制蓄电池的充放电频率，使它达到最优状态，达到保护蓄电池的目的。系统通过编程输出PWM控制信号来控制光电耦合器的“通”和“断”，从而控制MOS管的“开”和“关”，实现蓄电池充放电的优化操作。

2 方案设计

本系统采用的单片机为STC89C52芯片。系统通过光强检测电路来寻找光强最强点，以步进电机驱动吸光板达到最佳位置，以分压采集电路采集蓄电池和太阳能电池板的电压，同时在1602液晶芯片上进行实时显示，电压数据经过A/D转换输入到单片机中进行处理，单片机输出PWM控制信号，信号经过MOS管后，控制充放电电路。太阳能充放电控制系统构架如图1所示。

图1 太阳能充放电控制系统构架

3 系统硬件电路设计

系统硬件电路主要由光强度检测电路、步进电机跟踪控制电路、充放电控制电路、光耦驱动电路、E2PROM数据存储电路、电压采集(显示)电路及A/D转换电路等组成。

3.1光强检测电路

光强检测电路要检测太阳光最强的位置，为步进电机转动提供依据。根据光敏电阻在光照时阻值会发生变化的特性，系统在太阳能板的东西两侧分别放置一个同样的光敏电阻，当太阳光垂直照射太阳能板时，两个光敏电阻接收到同样的光照强度，阻值相等。此时为太阳能板最佳吸光角度，不需要调整它的方向；当太阳光没有垂直照射太阳能板时，两个光敏电阻处于不同的光照强度下，其中光照强的光敏电阻阻值减小，导致输出电压变大。单片机通过对输出电压值的对比，实现对光敏电阻的补偿。具体的光强检测电路如图2所示。

3.2步进电机跟踪控制电路

太阳跟踪装置是通过对机械执行机构角度的控制来实现对太阳运行轨迹的跟踪的。步进电机能够将电脉冲信号转变为角位移或者线位移。在正常负载的环境下，电机接收到一个脉冲信号，从而转过一个相应的步距角。脉冲信号的频率和数量控制电机的转速和位置，与负载的大小无关。本系统采用ULN2003芯片控制电机的驱动，ULN2003芯片的1～4管脚分别与单片机的P3.0～P3.3管脚连接，ULN2003芯片的13～16管脚分别接入J9的排针，电机也插在J9的排针上(图3)。

图2 光强检测电路

图3 步进电机跟踪控制电路

3.3充放电控制电路

充放电控制电路如图4所示。太阳光照具有不均匀性，阴天或晚上光线没有白天强或没有光线，此时太阳能电池板没有吸收太阳能量或吸收的较少，电压就会低于蓄电池的电压。为了防止蓄电池电流反向流入太阳能电池板，这时D4生效，起到防止反充，保护太阳能电池板不被烧坏的目的。D5为稳压管，用来保证蓄电池提供给负载的电压为12V。D6为续流二极管，当用户将蓄电池反接至控制器时，续流二极管D6和蓄电池构成一个闭合电路，这样就可将部分能量释放掉，从而保护控制器不被毁坏。AD1和AD2分别为太阳能电池板和蓄电池的电压采集点。适当选择R7、R8、R9和R10的阻值，根据串联分压原理缩小太阳能电池板的电压，从而实现用模数转化芯片对模拟信号进行采样。电容C4、C5起到抑制电压波动的作用，保证太阳能电池板在给蓄电池充电时电压能够处于一个稳定状态。Q2和Q3分别用来控制充电电路和放电电路的导通和关闭。当检测到蓄电池的电压小于12.0V时，Q2完全导通，此时蓄电池为均充状态；当蓄电池的电压在12.0～14.5V之间时，Q2导通与不导通的占空比例缩小，此时蓄电池为浮充状态；当蓄电池的电压比15.0V大时，Q2截止，此时蓄电池为停止充电状态，同时Q3关闭，负载也被截止了；当蓄电池的电压低于10.8V时，Q3关闭，蓄电池处于停止放电状态，同时截断负载。

图4 充放电控制电路

3.4光耦驱动电路

光耦驱动电路能够在单片机控制和充放电电路之间起到隔离作用，从而增强系统的可靠性。光耦驱动电路如图5所示，MOS管Q2起到控制充电电路“开”和“关”的作用。光耦内部有一个发光二极管，当PWM的输出为低电平时，二极管和右侧三极管都不导通，且三极管两管脚间的电阻相当大，等同于开关“断开”。稳压管D7使电阻R13右侧电压保持在10V左右。此时MOSEFT的电压大于零，MOS管Q2启动使充电电路开启；当PWM的输出为高电平时，发光二极管和右侧三极管导通，且三极管两管脚间的电阻减小，等同于开关“接通”。这时输入的电压经光耦流向接地端，MOSEFT的电压小于零，Q2截止且充电电路关闭。

图5 光耦驱动电路

3.5E2PROM数据存储电路

本系统采用AT24C02芯片记录并存储电路异常时蓄电池的电压。普通存储器在硬件上需要增加掉电检测电路，并需要备用电池提电。这会使单片机接口占用过多，导致电路复杂，同时电池的不可靠性也给电路带来了潜在的风险。AT24C02芯片是一个具有I2C总线接口内含256字节的串行存储器。该存储器可将数据保存百年之久，并可反复擦写十万次以上。I2C串行总线有两根信号线：SDA(双向数据线)和SCL(串行时钟线)。与总线相连的所有设备的SDA都与总线的SDA相连；与总线相连的所有设备的SCL都与总线的SCL相连。E2PROM数据存储电路如图6所示。

图6 E2PROM数据存储电路

3.6电压采集电路

电压采集电路如图7所示。将两个阻值比为3∶1的电阻串联之后并联到蓄电池或太阳能电池板的两端。AD2为电压采集点，它位于两个电阻的中间。由分压公式可计算出采集到的电压值等于实际电压的三分之一。当蓄电池充满时，采集到的电压值为5V左右，符合A/D转换芯片PCF8591对数值的输入要求[3]。

图7 电压采集电路

3.7电压显示电路

本设计用液晶1602芯片来实时显示蓄电池和太阳能电池板的电压值。电压显示电路如图8所示。图中引脚WR为读/写信号，它与单片机P2.6引脚连接实现读写控制；引脚RS为寄存器选择信号，它与单片机P2.5引脚连接实现数据和命令选择；引脚E为使能端与单片机P2.7引脚连接实现片选；液晶VO端通过连接电位器接地来调节显示对比度，以防5V电压过大烧坏背景灯；数据输入端DB0～DB7接单片机的P0口来传送电压数据。

图8 电压显示电路

3.8A/D转换电路

PCF8591构成的典型A/D转换电路如图9所示，图中引脚A1、A2和VSS一起接地；基准电源端VREF和VDD一起接电源；模拟信号AGND和内部、外部时钟选择线EXT一起接地；SDA、SCL为I2C总线的数据线、时钟线，分别接单片机的P3.7、P3.6口；AIN0和AIN1分别是蓄电池和太阳能电池板的电压采集信号输入。采集电压信号内部转换后从I2C总线的数据线SDA接单片机P3.7口，蓄电池电压和太阳能电池板电压就可以被在线监测。

4 系统软件设计

主程序采用模块化设计思想，主要完成光强度检测、电机转动、蓄电池电压和电池板电压的采集转换和LCD显示、 PWM脉宽充电控制、电压数据存储及异常报警等，其流程如图10所示。系统启动之后首先初始化，主要包括对LED灯、蜂鸣器、A/D转换模块、液晶显示模块和数据存储模块的初始化。之后对蓄电池电压和电池板电压进行采集和判断，如果蓄电池电压小于0V，说明电池接反了，必须立即停止；如果蓄电池电压高于14.5V，说明蓄电池电压过高，应立即关断负载；如果蓄电池电压大于12.0V并小于太阳能电池板电压，采用PWM方式充电[4]。

图9 PCF8591构成的典型A/D转换电路

5 系统测试

为了测试本系统的性能，对具有自跟踪功能和不具有自跟踪功能的系统工作效率进行了比较。采用两个尺寸都为153mm×76mm×9mm的单晶硅太阳能板，在同一时间置于室外对20 000mAh的蓄电池进行充电，结果为可自动跟踪的太阳板的充电时间为8.5h，位置固定的太阳板的充电时间为10.0h。可自动跟踪的系统比太阳能板固定的系统充电时间短了1.5h。可见笔者设计的系统具有实用性，能更有效地利用太阳光，充电效率更高，具有一定的经济价值。

6 结束语

完成了能自动跟踪太阳光的充放电控制系统的硬件电路设计和软件设计.该系统能够自动跟踪太阳光源，在软件程序的控制下，能够通过输出PWM 信号控制开关MOS管的通断，实现对蓄电池分阶段采用不同方式进行充放电的目的。经实验和测试表明，本系统具有环保、高效、安全及使用寿命长等优点。

图10 主程序流程

[1] 沈丽.太阳能光伏储存技术研究[J].信息通信,2016,(7):25～26.

[2] 赵水英,孙旭霞,李生民.基于PWM与STC89C52的太阳能应用控制系统设计[J].河北北方学院学报(自然科学版),2014,30(6):9～14.

[3] 张燕红,郑仲桥.基于单片机AT89C52的数据采集系统[J].化工自动化及仪表，2010,37(3):110～112.

[4] 卢琳，殳国华，张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].电力电子技术,2007，41(2)：96～98.

DesignofSolarChargingandDischargingControlSystemwithAutomatic-trackingFunctionBasedonSingleChipMicrocomputer

LIU Yu-min, GAO Song-yan, YU Di, QIAN Kun

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

The STC89C52 SCM-cored solar charging and discharging control system was designed to track sunlight automatically and adopt PWM to control charge and discharge modes simultaneously. In addition, the system’s control strategy was analyzed and design plan of the main hardware was presented, including ideas relating to software design. Through on-line debugging of the hardware and software, the functions like the auto-tracking, the real-time monitoring of the condition of battery and solar panel and the optimization of charging-discharging frequency can be realized so that purposes of enhancing absorption efficiency of the solar panel and protecting the storage battery can be reached.

auto-tracking, charge and discharge controller, solar energy, PWM

国家青年科学基金项目(51404074)。

刘玉敏(1978-)，副教授，从事智能控制理论的研究，liuyumin330@163.com。

TH865

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1000-3932(2017)11-1023-05

2017-07-17)