基于单片机的微型太阳能电站低功耗系统设计

秦晓梅， 巢 明， 程春雨， 陈 景， 孙 鹏， 王开宇

(大连理工大学 电工电子国家级实验教学示范中心； 电工电子国家级虚拟仿真实验教学中心，辽宁 大连 116023)

0 引 言

能源是人类赖以生存的主要条件之一，人类社会的文明和经济发展很大程度上是建立在化石能源开发利用的基础之上。然而，到了21世纪的今天，由于化石能源在开采与使用过程中衍生的日益严峻的环境污染，以及不可再生的化石能源储量的日益枯竭[1]，使绿色、清洁、环保、可持续性的能源愈加引起人们的广泛关注，其中太阳能是最典型的可再生新能源[2]。太阳是万物之母，能源之源，它具有取之不尽、用之不竭、清洁安全、绿色环保等特点。国家以往杀鸡取卵、竭泽而渔的发展方式走到了尽头，顺应自然、保护生态的绿色发展昭示着未来。为深化教学改革，建设一流本科实践教学，将实验课程内容与社会热点问题相结合设计实验教学案例，提高学生对实践教学的兴趣，使高等教育更具时代意义，更是高校教师的使命感及社会责任感。

《单片机原理及实验》是电类专业的必修课，该课是一门实践性较强的综合性实验课程，融合了电路理论、计算机基础、数字电路与系统、模拟电子技术、计算机原理、微机接口技术等相关知识，是电类专业课程教学的重要组成部分[3]。传统的单片机实验教学大都是基于实验箱来模拟工程场景而设计教学案例，如交通灯控制、电梯运行控制、自动报时系统等，无法激发学生的学习兴趣、调动学生的学习热情，不利于学生动手能力、创新能力的培养。

为了更好地激发学生潜能，树立学生的社会责任感， 培养学生的主人翁意识，中心结合当今社会热点问题设计教学案例，向太阳要能源，基于单片机设计微型太阳能电站低功耗控制系统。当光线条件适宜时，通过太阳能电池板吸收太阳光，将光能转换为电能。利用此电能对铅酸电池进行充电，整个充电过程由单片机系统进行控制及显示，从而实现智能充电；同时铅酸电池还为其他负载进行供电，整个过程绿色环保，节能减排。实验实施过程中，为了锻炼学生，将实验内容层次化、开放化，充分调动学生的主动性和能动性，切实有效地提高学生的动手和工程实践能力[4-6]。

1 系统的总体架构

基于单片机的太阳能电站控制系统由18 V单晶硅太阳能电池板(也称光伏传感器)、6 V铅酸蓄电池[7]、充电控制电路、单片机系统模块电路、低压差开关型稳压器、多路A/D转换模块、12864显示模块、多路场效应管供电控制电路等环节构成，如图1所示。

本系统由单片机为核心的主控板和具有一定功能的n块负载板组成。总体架构如下：① 由单片机的主控器控制太阳能板对铅酸电池的充电，以保证对全系统的供电：通过太阳能电池板将光能转换为电能，为铅酸电池充电。由单片机通过PWM信号控制场效应管，以控制充电电流的大小，通过多路AD转换器分别采集铅酸电池的电压和太阳能板的输出电压，作为调节PWM信号占空比的判断依据。② 根据需要由主控器实现对负载板电源的通/断控制管理，以保证电池的正常使用：由多路场效应管(MOS管)构成多块负载板供电控制电路。当电池电压过低时由主控器发出指令，切断负载板的供电电源，以进一步降低整个系统的功耗，保护电池不会因过度放电而损坏。

图1 系统框图

根据铅酸电池的工作参数和太阳能板的输出特性，合理的设计出PWM的函数方程，从而实现充电电路的智能输出控制与管理，确保电池充电的高效率和安全性，如图2所示。

图2 PWM函数方程

通过显示电路实时显示太阳能板的输出电压、铅酸电池的电压以及对应的PWM信号的占空比。

2 单晶硅太阳能电池板

单晶硅太阳能电池板的光电转换效率较高，通常为15%左右，最高达到24%，是目前所有太阳能电池中光电转换效率最高的，采用透明度较高的防水环氧树脂封装成低铁钢化玻璃封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年，工作温度范围在-40～90 ℃之间。本系统采用单晶硅太阳能电池板输出最大功率为50 W，输出峰值电压为18 V。

3 充电管理控制电路

整个系统的关键环节在于对铅酸电池的充电管理。充电管理控制电路由绝缘栅增强型P沟道场效应管IRF9540、光电耦合器、限流保护电阻等构成，如图3所示。

图3 充电管理控制电路

采用P沟道MOS管做开关的原因是其导通时内阻特别低，约为0.01 Ω，由于工作于PWM的开关状态，所以自身功耗可以忽略。如果选用三极管做开关，导通时内阻要远远大于0.1 Ω，不适于低功耗系统设计。P沟道MOS管的特点是低电平导通，之所以采用P沟道，是因为在设计的电路中，高电平是太阳能电池板的电压，该电压是个变化量(18～0 V)，用其做控制电平不稳定，如果用低电平控制的话一定是稳定的。

系统采用的MOS管属于绝缘栅型器件，是电压控制型元件，输入阻抗很高，接近于无穷大。当有人靠近或周围有电磁场干扰时，很容易在栅极(即G极)累积一个电场的电压，造成误操作。因此设计电路时一定要加一个负偏电阻，阻值约为0.1～1 MΩ，这样当没有信号输入时，始终是截止的。

用光电耦合器做场效应(MOS)管的驱动信号源，光电耦合器的输入端接至单片机产生的PWM信号，PWM是占空比可调的方波信号。当PWM信号为高电平时，通过300 Ω的限流电阻驱动光耦内部的发光二极管亮，使得内部的光敏三极管导通，此时C、E结压差为零，光耦的输出为零，这样使P沟道MOS管的栅极电压为0 V，S极与D极导通，太阳能板向电池充电的回路导通；反之当PWM信号为低电平时，光耦的发光二极管不亮，内部的光敏三极管截止，此时光耦输出为高电平，使P沟道MOS管的栅极电压为高电平， S极与D极截止，充电的回路断开。利用PWM信号占空比的变化改变电池充电电流变化，占空比越大充电电流就越大，反之占空比越小充电电流越小。

光耦作为MOS管的控制输入端，理论上MOS管的反偏电阻和光耦的负载电阻用一个即可，但是经实验证明，如果用0.1～1 MΩ电阻，光耦的输出端的信号就变成了较为迟钝的充放电波形，使MOS管进入线性状态而发热并消耗大量的能量。这种现象的原因是由于该电阻过大，当光敏三极管在导通到截止或截止到导通变化时因电阻太大造成分布电容上的电压很难马上释放掉，其波形就不是正常的PWM信号了。因此用0.1 MΩ电阻就可以解决这个问题，而且对MOS管没有任何影响，因为MOS管不取电流，只取电压，只是当光耦输出为低电平期间会消耗5 mA的电流，而带来的益处则是能保证MOS管快速的导通与截止，避免其过热并保证电路长期稳定的工作。

4 单片机模块

该系统中单片机模块所承担的工作是：由单片机通过PWM信号控制场效应管，以控制充电电流的大小；通过多路AD转换器分别采集铅酸电池的电压和太阳能板的输出电压，作为调节PWM信号占空比的判断依据；驱动显示器件显示充电的状态信息等。

本设计采用PIC18F452单片机作为主控器，其内部具有8路10位ADC通道，1个CCP模块，自带上电自动复位功能、WDT看门狗电路等[8]。单片机最小系统如图4所示。

图4 PIC18F452单片机最小系统

其中ADC电路，可根据需要设置为10位或8位转换精度。既可以直接使用内部的VCC做转换基准电源以简化系统设计，也可以使用外接的“专用基准电源Uref”做输入，以提高转换精度。ADC模块的转换时钟频率可以通过编程来设置，可选由“系统时钟”的分频或“内部自带RC振荡器”两种振荡源作为转换时钟，当采用“内部自带RC振荡器”模式时，可在单片机处于“SLEEP”状态下正常实现AD的转换。

CCP模块可以实现“输入捕捉Capture”、“输出比较Compare”和“脉宽调制PWM—Pulse Width Modulation”等功能。

设计有SLEEP模式，以满足系统的低功耗设计要求。当系统执行SLEEP指令进入睡眠状态后，系统时钟fosc停振，单片机自身的工作电流可以降低到15 μA。睡眠状态可由WDT(看门狗)或与系统时钟无关的中断唤醒。

5 系统低功耗设计

在太阳能电站控制系统的设计中，除了要考虑对电池充电的电流控制外，降低整个系统的功耗是非常重要的环节。若系统自身功耗过大，对铅酸电池形成很大的供电负担，特别是当太阳光减弱或消失后，整个系统将由铅酸电池独立供电，降低了系统工作的持续性，这种状况的持续会造成电池过度放电，系统也会因电压降低而停止工作，过低的电压甚至会损坏电池。

在系统设计中除了采用低功耗元器件和单片机外，选用具备SLEEP技术的单片机是降低系统功耗的关键因素。系统正常工作时主控器板子的电流消耗为45 mA，其中单片机本身消耗电流35 mA。当进入SLEEP状态时，自身的电流则由35 mA下降为微安级。

具体实现方案是系统设计中有一个低功耗的光敏传感器模块，当太阳光线消失且电池电压低于6 V时，系统执行SLEEP命令，单片机时钟系统停震，自身的电流由35 mA下降为μA级。主控器在进入SLEEP前通过主控器单片机的引脚输出高电平(对应P沟道MOS管)将其供电全部切断，使整个硬件系统(包括主控器和负载板电路)的功耗降为最低，使铅酸电池的供电电流趋近于零，如图5所示。当外界的阳光增强时，光敏电阻组件的INTx端会向主控器发出中断申请，以唤醒睡眠状态下的主控单片机，使整个系统恢复工作并向电池充电。负载板供电控制电路板如图6所示。

图5 系统的低功耗设计

光敏电阻测光模块由光敏电阻、LM339比较器、电位器W等组成，如图7所示。选择一个适当的光线，调节电位器，使比较器处于一个接近反转的状态，即比较器的同相端(+)与反相端(-)的电压近似相等。当环境光线继续变亮时，光敏电阻的阻值变小，比较器的反相端(-)的电压下降，这样同相端的电压高于反相端的电压，比较器输出一个高电平；反之如果环境光线变暗时，光敏电阻的阻值增加，反向端的电压要高于同相端，因此比较器输出零电平。将此信号送入单片机的中断输入引脚，借此可以用来查询或引发单片机的中断。LM339是OC门结构，因此要有一个10 kΩ左右的上拉电阻。

图6 负载板供电控制电路板

图7 光敏电阻测光电路

为了保证电池在安全的电压范围内工作，除了在充电状态下利用PWM技术控制电池的充电电流，防止因过充电而损坏电池以外，在电池放电过程中也要对电池的电压进行监测、控制。

当环境光线变暗，太阳能板失去为电池充电能力后，整个系统由电池独立提供能源，此时系统对电池电压进行检测，如果电池电压低于6.0 V时，则切断负载板的供电并将主控器进入到SLEEP状态，在这种情况下，单片机自身功耗电流降为十几μA，加之所有的负载板断电，使电池处于微供电状态，有效防止电池因过度放电而损坏。

当环境光线逐渐变亮时，光敏电阻模块会通过INTx信号产生中断，唤醒处于SLEEP状态下主控器并恢复所有负载板供电，整个系统被唤醒进入正常工作状态。睡眠技术及中断唤醒操作流程如图8所示。

图8 睡眠技术及中断唤醒操作流程图

6 实验案例

这种基于社会热点问题、从实际应用出发设计的教学案例，具有模块化、层次化、多方案、工程化、综合性的特点，如图9所示。各个功能模块都可以选用不同的电子元器件，采用不同的设计方案，学生可以根据自身的能力兴趣选择不同层次的方案来进行综合设计性实验[9-12]。

图9 教学案例特点

该实验案例经过2年的实施，深受学生喜爱，同时也吸引了很多(包括非电类的)学生在小学期的实验室开放周中进行实践。学生设计制作的基于单片机的微型太阳能电站低功耗控制系统实物如图10所示，同时选出优秀的作品用于在实验室展板中为其他系统板进行供电。

图10 学生作品展示

7 结 语

为深化教学改革，建设一流本科实践教学，将实验课程结合社会热点问题设计实验教学案例，对学生的综合设计能力、实践动手能力以及创新能力都有了很大的提升[13-16]，同时也为后续的教学环节以及各类竞赛积累了宝贵的经验。

在系统功能方面，仍有许多地方值得进一步探索与提高，以训练学生的综合设计能力。如通过机械旋转平台实现太阳能板与阳光的自动跟踪功能，进一步提高系统的充电效率等。中心将在实践中继续探索，进一步提高系统的实用性，全方位训练学生的实践能力及创新能力，提高教学质量。