基于AVR的太陽能控制器設計

摘 要：為了控制太陽能發電系統中蓄電池的最優充放電，利用低功耗高性能的RISC：單片機AVR作為控制電路的核心，設計一種可靠性高，性能好的太陽能智能控制器，并對控制器的控制原理進行詳細分析。測試結果表明，該控制器能正確監控和測量蓄電池的狀態，充放電效果好，性能可靠，能減少充電損耗，延長蓄電池的使用壽命。
關鍵詞：太陽能電池；PWM；控制器；AVR

??? 隨著能源危機和環境污染的加深，太陽能的研究和利用受到廣泛的關注。太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產生任何的環境污染，在太陽能的有效利用中，太陽能充電是近些年發展最快，最具活力的研究領域，是其中最受矚目的項目之一。太陽能電池發電是基于“光生伏打效應”原理，將太陽能轉化為電能，利用充電效應將太陽輻射直接轉化為電能。它具有永久性、清潔性和靈活性大的優點，是其他能源無法比擬的。

1 太陽能控制器的設計
1．1 太陽能電池的輸出特性
??? 由它的輸出特性曲線(見圖1) 可知，太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性，即當日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產生的最大電流會有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨之改變。然而當光強度一定時，電池板輸出的電流一定，可以認為是恒流源。因此，必須研究和設計性能優良的太陽能發電控制器，才能更有效地利用太陽能。

1．2 系統的硬件結構
??? 太陽能控制器硬件結構圖如圖2所示。該控制器以AVR mega 32為控制核心，外圍電路主要由蓄電池電壓及環境溫度檢測與充放電控制電路、電池板電壓檢測與分組切換電路、負載電流檢測與輸出控制電路、狀態顯示電路、串口數據上傳和鍵盤輸入電路構成。

??? 電壓檢測電路用于識別光照的強度和獲取蓄電池端電壓。溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補償。該系統采用PWM方式驅動充電電路，控制蓄電池的最優充放電。電池板分組切換控制電路用于不同光強度和充電模式下電池板的切換，該系統實現對3組電池板陣列控制。負載電流檢測電路用于過流保護及負載功率檢測。狀態顯示電路用于系統狀態的顯示，包括電壓、負載狀況及充放電狀態的顯示。串行口上傳數據電路用于系統運行參數的上傳，實現遠程監控。鍵盤輸入電路用于充電模式設定及LCD背光開啟。該控制器在有陽光時接通電池板，向蓄電池充電；當夜晚或陰天陽光不足時，蓄電池放電，以保證負載不停電。
1．3 AVR單片機
??? AVR微處理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC處理器，具有高性能、高保密性、低功耗等優點。程序存儲器和數據存儲器可獨立訪問的哈佛結構，代碼執行效率高。系統采用的mega 32處理器包含有32 KB片內可編程FLASH程序存儲器；1 KB的E2PROM和2 KBRAM；同時片內集成了看門狗；8路10位ADC；3路可編程PWM輸出；具有在線系統編程功能，片內資源豐富，集成度高，使用方便。AVR mega 32可以很方便地實現外部輸入參數的設置，蓄電池及負載的管理，工作狀態的指示等。
1．4 蓄電池的充放電控制
??? 閥控密封鉛酸蓄電池具有蓄能大，安全和密封性能好，壽命長，免維護等優點，在光伏系統中被大量使用。由閥控密封鉛酸蓄電池充放電特性圖(見圖3)可知，蓄電池充電過程有3個階段：初期(OA)電壓快速上升；中期(ABC)電壓緩慢上升，延續時間較長；C點開始為充電末期，電壓開始上升；接近D點時，蓄電池中的水被電解，應立即停止充電，防止損毀電池。所以對蓄電池充電，通常采用的方法是在初期、中期快速充電，恢復蓄電池的容量；在充電末期采用小電流長期補充電池因自放電而損失的電量。

??? 蓄電池放電過程主要有三個階段：開始(OE)階段電壓下降較快；中期(EFG)電壓緩慢下降且延續較長的時間；在最后階段G點后，放電電壓急劇下降，應立即停止放電，否則將會給蓄電池照成不可逆轉的損壞。因此，如果對閥控密封鉛酸蓄電池充放電控制方法不合理，不僅充電效率降低，蓄電池的壽命也會大幅縮短，造成系統運行成本增加。在蓄電池的充放電過程中，除了設置合適的充放電閾值外，還需要對充放電閾值進行適當的溫度補償，并進行必要的過充電和過放電保護。
??? 根據閥控密封鉛酸蓄電池的特點，控制器利用MCU的PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷；若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，由于自身控制器得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓(15 V)時，自動關斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓(13．2 V)時，蓄電池進人浮充狀態，當低于維護電壓(13．2 V)后，浮充關閉，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓(10．8 V)時，控制器自動關閉負載，以保護蓄電池不受損壞。若出現過放，應先進行提升充電，使蓄電池的電壓恢復到提升電壓后再保持一定時間，防止蓄電池出現硫化。通過PWM控制充電電路(智能三階段充電)，可使太陽能電池板發揮最大功效，提高系統充電效率。

1．5 溫度補償
??? 采用數字溫度傳感器DS18820檢測蓄電池環境溫度。對蓄電池的充電閾值電壓溫度補償系數取-4mV／(℃·單體)。補償后的電壓閾值可以用以下公式表示：Ve=V+(t-25)αn。其中，Ve為補償后的電壓閾值；V為25℃下的電壓閾值；t為蓄電泄環境溫度；α為溫度補償系數；n為串聯的單體數。控制器對過放電壓閾值不做補償。
1．6 MOSFET驅動電路
??? 設計的控制器屬于串聯型，即控制充電的開關是串聯在電池板與蓄電池之間的。串聯型控制器相對于并聯型控制器能夠更有效地利用太陽能，減少系統的發熱量。設計中用MOSFET實現開關。MOSFET是電壓控制單極性金屬氧化物半導體場效應晶體管，所需驅動功率較小。而且MOSFET只有多數載流子參與導電，不存在少數載流子的復合時間，因而開關頻率可以很高，特別適合作為PWM控制充電開關。為此，設計中采用P溝道MOSFET。P溝道MOSFET的導通電壓Vth<0，由圖4可以實現MOSFET的驅動。當Q2導通時，由于Q2的Vce很小，可以認為Q1的G極接地，Vgs<0，當Vin達到一定值時，Q1導通。

1．7 鍵盤電路
??? 采用單按鍵的輸入方式，用于開液晶背光和設定充電模式。初始化時將PC7輸出高電平，在程序運行過程中，通過定時中斷檢測是否有按鍵按下。當有按鍵按下時間不超過10 s時，則打開液晶背光，10 s后背光關閉。當有按鍵按下時間超過10s時，進入模式設定。在設定模式下，每按一次模式加1，按下按鍵10 s后或者10 s按鍵無任何動作，模式保存到E2PROM中，退出設定模式。
1．8 狀態顯示和告警電路
??? 控制器用LCD1602液晶顯示系統的狀態信息，包括蓄電池電壓、負載功率等。 LCD1602采用7線驅動法，Vo接1 kΩ電阻到地，用于調節液晶顯示對比度。顯示數據和指令通過LCD1602的DB4～DB7寫入，同時具備有聲光告警功能。當出現過壓或過放時，相應的發光二極管閃爍以及蜂鳴器告警，同時相應告警繼電器接通。
1．9 數據上傳
??? 控制器用RS 232串行口將系統電壓、溫度、充放電狀態以及負載情況數據上傳，實現遠程監控。

2 控制器的軟件流程圖
??? 主程序主要完成對I／O、定時器和PWM的初始化，同時根據電池板和蓄電池的狀態調用相應的充放電子程序。控制器參數的測量主要由中斷服務程序完成。

3 結 語
??? 在此設計的太陽能控制器性能穩定，具有過充過放保護和溫度補償。經過測試，系統顯示出良好的控制效果，不僅提高了太陽電池的工作效率，同時也保護了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有一定的社會效益和廣泛的推廣價值.