一種基于AVR單片機(jī)的太陽(yáng)能光伏直流控制器設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了一種用AVR單片機(jī)控制的傘數(shù)字化太陽(yáng)能光伏直流控制器。該控制器在AVR系列ATMEGA16L單片機(jī)的控制器，能對(duì)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的直流電進(jìn)行有效存儲(chǔ)和合理使用，實(shí)現(xiàn)了多種工作狀態(tài)的控制和蓄電池能量管理，實(shí)際運(yùn)行后，達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī);太陽(yáng)能光伏;直流控制器

0 前言

當(dāng)今世界能源短缺以及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，這些問(wèn)題迫使人們尋找和使用新的代替能源。隨著電子技術(shù)、太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)技術(shù)的提高，使得太陽(yáng)能的利用越來(lái)越普遍。太陽(yáng)能具有無(wú)地域限制的特點(diǎn)，而我國(guó)很多地方仍然處于缺電狀態(tài)，特別是一些邊遠(yuǎn)地區(qū)、旅游景區(qū)，由于非常分散，依靠電網(wǎng)供電難度大、成本高，因而選擇太陽(yáng)能供電十分必要，而在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，控制器是十分關(guān)鍵的部件之一。

目前市面上一些太陽(yáng)能控制器提高效率的手段僅僅局限在單一物理量算法研究(比如只對(duì)電壓、電流的跟蹤)，效率的提高是很有限的。我們經(jīng)過(guò)多次實(shí)際考察與測(cè)量，發(fā)現(xiàn)發(fā)電效率較高的產(chǎn)品往往價(jià)格昂貴，且適應(yīng)性差，一般都用于固定場(chǎng)合，如大型太陽(yáng)能發(fā)電站等;一些低價(jià)的控制器為了降低成本，內(nèi)部保護(hù)措施簡(jiǎn)陋，操作界面一般都采用數(shù)碼管、LED等，用戶操作以及設(shè)置都非常麻煩。本文利用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)制作了一種太陽(yáng)能光伏直流控制器，在降低成本的基礎(chǔ)上讓控制器提高太陽(yáng)能使用效率、多任務(wù)適應(yīng)能力，解決了高精度采集太陽(yáng)能電池板輸出電流、電壓數(shù)據(jù)的技術(shù)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)方框圖

2 主要硬件電路

本太陽(yáng)能光伏直流控制器的硬件電路包括前置保護(hù)電路、濾波儲(chǔ)能電路、太陽(yáng)能電池板電流電壓采樣電路、AVR單片機(jī)控制器、功率調(diào)整管、蓄電池電流電壓采樣電路、液晶顯示器12864、后置保護(hù)電路、各種接口(光電池接口、蓄電池接口、負(fù)載接口和USB接口)。

(1)前置保護(hù)電路。主要包括防高壓輸入電路、防用戶人員接線反接電路、帶自恢復(fù)的過(guò)電流器件。

(2)濾波電路。主要克服PWM在關(guān)斷狀態(tài)下，光能輸出的浪費(fèi)。

(3)光電池電流電壓采樣電路。電流采用的是霍爾電流芯片，它的精度以及隔離性都比分立元件高很多。電壓采用的是電阻分壓原理，在AD采集時(shí)，實(shí)際發(fā)現(xiàn)帶有干擾，后來(lái)用軟件均值濾波克服了硬件弊端，節(jié)約了硬件成本。

(4)液晶顯示。選用LCD的型號(hào)是12864，可顯示中文。

(5)功率調(diào)整管。使用80A驅(qū)動(dòng)能力CMOS場(chǎng)效應(yīng)管。

(6)單片機(jī)控制器。使用的AVR單片機(jī)是近年來(lái)在MCU市場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的芯片，它的高速度、低功耗、內(nèi)部自帶的一些硬件設(shè)備，體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。

(7)后置保護(hù)電路。后置保護(hù)電路主要用來(lái)對(duì)負(fù)載過(guò)電流，以及蓄電池過(guò)放電進(jìn)行一個(gè)檢測(cè)，即保護(hù)蓄電池不讓它過(guò)放電。當(dāng)它電壓過(guò)低的時(shí)候需要斷開(kāi)給負(fù)載的供電回路，另外蓄電池長(zhǎng)時(shí)間需要一次激活，用單片機(jī)時(shí)鐘計(jì)時(shí)就可以做到了，當(dāng)負(fù)載短路，可通過(guò)單片機(jī)去檢測(cè)，保護(hù)蓄電池。

3 工作原理

本系統(tǒng)以ATMEL公司研發(fā)的AVR系列AFMEGA16L單片機(jī)作為控制器，應(yīng)用了目前普遍認(rèn)可、較為成熟的”電壓擾動(dòng)法”技術(shù)，采用具有高效率的最大功率跟蹤點(diǎn)算法(MPPT)，通過(guò)傳感器采集太陽(yáng)能光伏發(fā)電板輸出電壓以及輸出電流，經(jīng)過(guò)10位A/D轉(zhuǎn)換后，計(jì)算當(dāng)前功率，并與前一次功率進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)功率變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制PWM占空比，改變太陽(yáng)能光伏電池板所接負(fù)載的阻抗，使得電池板輸出阻抗與負(fù)載阻抗相等，達(dá)到阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。本系統(tǒng)具有微處理控制器脈寬調(diào)制(PWM)充電、溫度傳感器補(bǔ)償電池充電、帶自恢復(fù)過(guò)載保護(hù)(如發(fā)生短路，以及人為操作引起的過(guò)電流，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電源輸出，液晶提示存在”過(guò)電流故障請(qǐng)檢查!”待故障排除可正常運(yùn)行，不損壞電路器件)、過(guò)充保護(hù)、短路保護(hù)(帶自恢復(fù))、雷電保護(hù)、反向放電保護(hù)、極性反接保護(hù)(帶自恢復(fù))、欠壓保護(hù)(遇到陰雨天，太陽(yáng)光線不足的情況下，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到太陽(yáng)能電池輸出電壓過(guò)低后，會(huì)斷開(kāi)充電回路，并在液晶上提示“光電池輸出過(guò)低!”)。本系統(tǒng)互聯(lián)控制管理方便，能通過(guò)按鍵任意設(shè)定負(fù)載工作時(shí)間，增加了USB接口，使用具有中文顯示工作狀態(tài)的液晶顯示屏，操作簡(jiǎn)便，直觀明了。

4 軟件流程圖

5 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)通過(guò)霍爾電流采集模塊和電壓分壓模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高精度采集，具有抗干擾性和隔離性好的特點(diǎn)。

(2)通過(guò)前置保護(hù)電路，有效地防止高壓輸入，以及防止用戶反接電路。

(3)通過(guò)濾波儲(chǔ)能電路實(shí)現(xiàn)了在功率調(diào)整管關(guān)斷時(shí)的光能存儲(chǔ)。

(4)通過(guò)蓄電池電流電壓采集電路、后置保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了防止出現(xiàn)負(fù)載短路或蓄電池電壓過(guò)低的現(xiàn)象。

(5)使用高性價(jià)比、低功耗的AVR16位單片機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的51單片機(jī)，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)采用軟件處理方法中的“電壓擾動(dòng)法”。

(6)采用液晶顯示器12864對(duì)本太陽(yáng)能光伏直流控制器的電流、電壓、功率直觀顯示，方便操作，減少誤操作事故發(fā)生。

(7)通過(guò)設(shè)置USB接口電路，使現(xiàn)有技術(shù)中的光伏直流控制器的應(yīng)用范圍得到了拓寬。

(8)通過(guò)利用其自擴(kuò)展接口的相互連接，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)控制器上設(shè)定工作狀態(tài)即可對(duì)若干臺(tái)控制器同時(shí)進(jìn)行相同的設(shè)定，使管理效率大為提高。

(9)通過(guò)按鍵設(shè)置電路可以對(duì)所控制的負(fù)載啟動(dòng)和關(guān)閉的具體時(shí)間進(jìn)行直接設(shè)定，使用方便、節(jié)能。

6 實(shí)物圖

7 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)制作的太陽(yáng)能光伏直流控制器，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，具有性價(jià)比高、效率高、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多種工作狀態(tài)的控制和蓄電池能量管理。