基于PIC单片机的太阳能路灯控制器 - 工业/测控 - 电子工程

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<strong>1 引言</strong>

由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆．可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。但是现有的太阳能照明系统存在效率低下，成本较高的缺点，这对太阳能照明系统提出了提高效率，降低成本的要求。为了应对这种需求，本文设计了一种基于PIC单片机的新型太阳能路灯控制器。

本系统采用PIC单片机对太阳能路灯控制系统进行控制，在蓄电池的充电阶段根据太阳能电池的特性设计并实现了太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)，这种方法有效地提高了太阳能电池的利用率。

<strong>2 太阳能路灯系统结构</strong>

太阳能路灯系统由：太阳能电池、太阳能控制器、蓄电池、照明电路四部分组成，其中太阳能控制器是整个系统的核心部分，负责调节整个系统的工作。太阳能路灯控制系统组成框图如图1所示。


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图1太阳能路灯控系统组成框图

<strong>3 太阳能电池的最大功率跟踪技术</strong>

光伏阵列的输出特性具有非线性特性，并且其输出受光照强度，环境温度等因素的影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(maximum power point，MPPT)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途经就是实时调整光伏电池的丁作点，使之始终工作在最大功率点附近。

目前常用的太阳能最大功率点跟踪方法有扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等。本文采用电导增量法实现最大功率点跟踪。本系统采用电导增量法实现最大功率点跟踪控制。电导增量法是MPPT控制常用算法之一。通过光伏阵列P-U曲线可知输出功率最大值Pmax处的斜率为零，所以有：

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公式(2)为达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时．光伏阵列工作在最大功率点。

电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。这种控制算法控制精确，响应速度快，适用于大气条件变化快的场合。这种MPPT控制算法最大的优点是在光照强度发生变化时，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也比扰动观测法小。

<strong>4 太阳能路灯控制器设计</strong>

常规的太阳能控制器的作用是对蓄电池的充放电进行控制，当达到过充点时，切断太阳能电池板与蓄电池的连接；达到过放点时，切断蓄电池与负载的连接，从而达到对蓄电池的保护作用。并没有提高太阳能利用率的措施，这样就会造成太阳能路灯需要较大功率的太阳能电池才能满足供电需求，从而使得整个系统成本大幅度提到，给太阳能路灯的大面积推广造成很大的障碍。本文设计的控制器以PIC16F616为控制芯片，使用SEPIC拓扑设计主电路，实现对太阳能电池的最大功率点跟踪以提高其利用率。

4．1 PIC16F616介绍

太阳能控制器模块以PIC16F616单片机为核心。该模块需要对太阳能电池进行最大功率点跟踪(MPPT)、对蓄电池的充放电进行管理、以及对照明电路进行控制。

PIC16F616的主要特性：

(1)高耐用性闪存：闪存耐写次数达100,000次；闪存数据保存期：>40年
(2)低功耗特性：4MHz、2．0V时典型值为220 μA
(3)MD转换器：10位精度；8路外部输入通道
(4)增强型捕捉、比较和PWM模块：10位PWM，带有可编程“死区”

4．2 系统结构

系统结构如图2所示。所选用单片机具有片内PWM模块，通过调整PWM波的占空比可以实现对太阳能最大功率点(MPPT)的跟踪和对蓄电池充放电进行管理。


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4．3 太阳能路灯控制器主电路设计

主电路采用SEPIC拓扑，如图3所示。该拓扑输入电压与输出电压同极性，可以通过调节开关管占空比升高或降低输出电压。单片机主要控制开关管Sl的占空比，来实现最大功率点跟踪控制和对蓄电池的智能化管理。开关管S2用来实现对照明电路的控制。单片机首先采样蓄电池两端的电压，判断是否需要对其进行充电，如果蓄电池此时需要充电，单片机给开关管S1信号对蓄电池进行充电，同时单片机对太阳能电池板的电压电流进行采样．采样后的数据进行分析计算后作出调节S1占空比的决策。实现对太阳能电池最大功率点的跟踪。该电路控制简单，除了实现基本的控制功能外，还可以通过程序实现对蓄电池和照明电路的保护功能。


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图3 太阳能路灯控制器主电路

<strong>5 系统软件设计</strong>

该系统软件流程图如图4所示。主电路的PWM脉冲由单片机直接给出。固定频率30 kHz。由太阳能输出特性曲线可知，通过调节占空比，改变太阳能电池端电压，可以使太阳能电池输出电压为输出特性曲线上对应的最大功率点电压。

本系统符合GB/T 19064-2003中对太阳能控制器的所有要求．包括充满断开(HVD)和恢复功能、欠压断开(LVD)和恢复功能、负载短路保护、内部短路保护、反向放电保护、极性反接保护等功能。除了具有太阳能控制器的基本功能外，系统还加入了最大功率跟踪控制和对系统运行中的特殊情况的处理．例如太阳能电池板短时间被遮挡或天气骤然变化造成的充电电压跌落；路灯由于故障无法正常照明，实现了照明系统的智能控制。


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图4 系统软件流程图

<strong>6 实验结果及分析</strong>

图5为在实验室条件下使用15W太阳能电池板时，太阳能路灯控制器在使用增量电导法控制策略时光伏阵列端电压波形。从图中可以看出太阳能控制器控制太阳能电池板端电压在最大功率点电压附近摆动，并且对于天气的变化可以迅速响应。而传统的太阳能路灯控制器将会使太阳能电池板的工作电压箝位在蓄电池电压，然而蓄电池电压一般不是当前太阳能电池板的最大功率点电压。


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<strong>7 结语</strong>

在传统的太阳能路灯控制器应用的过程中，大多数产品由于没有按照光伏电池的工作特点和运行规律来进行设计，造成了系统成本的提高。本文所设计的太阳能路灯控制器继承了最大功率点跟踪功能，着重解决了如何提高太阳能电池使用率的问题，有效地降低了系统成本。因此，这种太阳能路灯的设计方法值得大力推广和应用。

本文作者创新点：将最大功率点跟踪技术引入了光伏发电系统最普遍的应用太阳能路灯控制器中，可以有效的控制系统成本，值得推广和应用。


作者：李晶，张维戈，王健强  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第7-2期

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