基于PIC的太陽能與市電互補(bǔ)照明系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

利用太陽能照明是人類開發(fā)利用太陽能的一個(gè)主要用途，然而，由于太陽能輻射的不連續(xù)性和間歇性，以及目前單純太陽能照明系統(tǒng)的投資和成本較高、部分 技術(shù)不夠成熟等原因，太陽能照明系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在連續(xù)陰雨天時(shí)，由于蓄電池電壓不足而導(dǎo)致負(fù)載不能點(diǎn)亮的情況。將太陽能與市電組成雙電源互補(bǔ)供電照明系統(tǒng)， 不僅可以有效解決太陽能利用不穩(wěn)定的問題，還可以適當(dāng)減小太陽能電池和蓄電池的容量，降低開發(fā)利用太陽能技術(shù)的成本，同時(shí)滿足系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求。

1 控制器的主要功能及組成

本文所設(shè)計(jì)的控制器供街道和住宅小區(qū)夜間利用太陽能和市電互補(bǔ)照明系統(tǒng)使用，根據(jù)照明實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)控制器具有如下功能：

(1)支持12 V直流系統(tǒng)工作電壓;

(2)支持最大至4 A的充放電電流;

(3)支持直流、脈沖兩種充電方式;

(4)具有深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能;

(5)蓄電池電量不足時(shí)，自動切換到市電電源供電;

(6)能檢測太陽能電池的電壓，自動轉(zhuǎn)換工作模式;

(7)能檢測蓄電池的電壓，對蓄電池的充、放電過程進(jìn)行控制;

(8) 具有防反充電保護(hù)、過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和負(fù)載短路保護(hù)功能;

(9)具有電子時(shí)鐘和計(jì)時(shí)功能。

圖1所示為以PIC16F877A為核心的控制器外圍電路示意圖[3]。主要由PIC單片機(jī)(內(nèi)部含A/D)、時(shí)鐘電路、電壓采樣電路、開關(guān)驅(qū)動電 路、時(shí)鐘控制和數(shù)碼管顯示電路組成。單片機(jī)PIC16F877A是控制器的核心，外圍電路包括開關(guān)控制電路(C1～C3)、數(shù)碼管顯示及驅(qū)動 (A～G/Dig_EN1~Dig_EN6)電路、工作狀態(tài)顯示等。

2 主要電路設(shè)計(jì)及器件選型

2.1 PIC16F877A

單片機(jī)是控制器的核心，系統(tǒng)工作時(shí)需要采集太陽能電池和蓄電池的電壓。太陽能電池的輸出電壓受溫度和太陽輻射強(qiáng)度等外界因素影響較大，這就要求系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)性比較高，即要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。故設(shè)計(jì)中選用了內(nèi)部含有A/D模塊、具有14位指令寬度的中檔PIC單片機(jī)16F877A，屬PIC中級產(chǎn)品， 在保持低價(jià)格的前提下具有很高的性能。

本文設(shè)計(jì)的控制器主要用到PIC16F877A的如下一些資源：

(1)16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB片內(nèi)SRAM，10 000次擦寫壽命。程序存儲空間足夠大，不需要額外擴(kuò)展存儲器;10 000次的擦寫壽命方便進(jìn)行程序調(diào)試;

(2) 2個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。用于按鍵去抖和計(jì)時(shí);

(3) 1個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。用作調(diào)節(jié)PWM控制信號的占空比，控制充電開關(guān);

(4) 8路10位ADC。使用其中的2路ADC通道分別對太陽能電池工作電壓、蓄電池工作電壓采樣;

(5) 使用2個(gè)中斷源，外部中斷和定時(shí)器中斷，分別用于計(jì)時(shí)和按鍵;

(6) 可編程I/O口。部分I/O口使用其第二功能，其他用于控制器系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

2.2 電壓采樣電路

控制器需要采集2路電壓信號，分別是太陽能電池輸出電壓和蓄電池端電壓，這兩路信號均為變化的直流模擬信號，采樣信號應(yīng)能如實(shí)地反映檢測量。設(shè)計(jì)中 利用精度為0.1%的精密電阻組成簡單的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，并在分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端并聯(lián)漏電流很小的精密電容和電感進(jìn)行濾波，以減小電流泄漏對測量精 度的影響。采樣電路如圖2所示。

2.3 控制開關(guān)驅(qū)動電路

控制器的主要控制對象是3個(gè)控制開關(guān)C1～C3。分別是蓄電池的充電開關(guān)、蓄電池放電(供電)開關(guān)和市電供電開關(guān)。開關(guān)的狀態(tài)由單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的工 作狀態(tài)進(jìn)行控制：白天太陽能電池向蓄電池充電，開關(guān)C1閉合，太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，儲存在蓄電池中，當(dāng)蓄電池電壓出現(xiàn)過充時(shí)，控制器斷開充電開 關(guān)C1;晚上主要由蓄電池向負(fù)載供電，開關(guān)C2閉合，當(dāng)蓄電池電壓不足(欠壓)時(shí)，蓄電池供電開關(guān)C2斷開，控制器自動切換為市電給負(fù)載供電(C3閉 合)。圖3、圖4和圖5分別為蓄電池充電、放電和市電供電時(shí)開關(guān)的驅(qū)動電路。

在充電控制電路中，用肖特基二極管來實(shí)現(xiàn)防蓄電池反充電保護(hù)，防止晚上蓄電池向太陽能電池反充電。同時(shí)設(shè)計(jì)了防止蓄電池過充的保護(hù)電路，為了控制蓄 電池的充電方式，充電控制信號為單片機(jī)輸出的PWM信號。蓄電池放電（供電）開關(guān)的控制信號由單片機(jī)輸出的高低電平直接控制，實(shí)現(xiàn)了深夜半功率供電功能。 市電供電開關(guān)電路中使用繼電器。

3 控制器性能測試

本文對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制器的功能進(jìn)行了初步測試，部分測試結(jié)果如下。

(1)指示燈測試系統(tǒng)工作狀態(tài)

蓄電池脈沖充電情況測試。當(dāng)TVcc>0.7 V時(shí)，天亮；此時(shí)12 VVcc15 V，蓄電池脈沖充電，脈沖充電指示燈DS2點(diǎn)亮。

(2)示波器測試蓄電池充電波形

用示波器檢測充電開關(guān)Q2的柵電壓，檢測蓄電池的充電情況。蓄電池脈沖充電情況下的輸出波形為脈沖波形。

另外，還分別對控制器供電控制功能、充電和供電方式轉(zhuǎn)換功能以及控制器工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試和分析，測試結(jié)果表明系統(tǒng)控制器可以很好地完成各項(xiàng)功能，并且運(yùn)行良好。

本文所設(shè)計(jì)的基于PIC16F877A的系統(tǒng)控制器，充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等特點(diǎn)。經(jīng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)證明，控制器各項(xiàng)功能完成良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景，對太陽能LED照明系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有參考意義。