藏區太陽能照明壁柜磚系統的設計實現

1 引言
??? 太陽能作為一種可持續利用的清潔能源，日益受到世界各國的重視。西藏地區，地廣人稀，太陽能光伏發電成為首選。西藏地區最為迫切的問題不是廣泛建立光伏發電站，具體原因有：首先，光伏發電站的建站成本高，目前，其成本是采用燃煤發電的10倍左右；另一方面，要考慮到維護成本，如果設備在交付使用后，終身由供貨公司維護，勢必付出高昂的維護經費，尤其設備安裝在偏遠山區，維護不方便。而高昂的成本使太陽能光伏發電設備在西藏地區推廣步履維艱。該系統是為西藏地區藏式建筑設計的一個太陽能光伏發電照明系統，可嵌入到建筑材料中，使用方便。

2 設計思路
??? 通過調查發現，藏民們最希望解決照耀和手機充電問題。不難看出，采用小型化的光伏發電系統解決藏民的切身問題才是關鍵。西藏地區的陽光充分，藏式建筑多是南北朝向，并且在朝向南方的地方設置陽臺或窗戶。如果在靠南的墻上設計一個壁柜形狀的“磚”，在這塊“磚”靠墻外處安裝上太陽能光伏電池板，而“磚”靠墻內處則安裝上照明負載、手機充電接頭及控制面板，那么，這塊壁柜照明“磚”可同時解決照明和手機充電問題。光伏充電系統、蓄電池、系統控制板、太陽能光伏充電控制器等電子設備全部安裝在壁柜“磚”內，同時，為了方便更換電池，把太陽能壁柜磚設計成能夠像壁柜一樣，可以通過合頁打開(安裝高度宜為1．5 m處，方便用戶操作)。
??? 為了使該系統能夠為廣大藏民所接受，必須考慮以下幾點：(1)由于終端用戶是廣大藏區，因此系統控制界面必須考慮藏文界面、漢字界面以及藏語提示3種功能，使人機交互更加人性化，方便藏民使用；(2)在偏遠山區，夜晚藏式建筑室內光線很弱，必須增加遙控功能；(3)在系統充電時，必須考慮兩級保護措施，即：硬件電路保護和軟件電路保護，以免在誤操作情況下系統無法正常工作；(4)為了保護鉛酸蓄電池，必須使用功率稍大的太陽能電池板，提高充電效率，避免鉛酸電池處于虧損狀態，從而可以延長蓄電池的使用壽命。

3 系統硬件組成
??? 系統硬件主要由SPCE061A主控板、太陽能電池板、太陽能充放電控制器、蓄電池組成，如圖1所示。

??? 圖1中，LCD采用SPLC501模組，通過SPCE061A直接控制，配合鍵盤輸入來設置和顯示系統的相關信息；狀態指示燈直接顯示系統當前的狀態(如充電狀態)；鍵盤設計比較簡潔，主要仿造鼠標的操作來設計，使用戶對系統的設置和操作簡單化，共設置3個鍵：上翻、下翻和確認鍵；語音提示則使用SPCE061A的DA通道，經過由SPY0030構成的音頻放大電路直接輸出到揚聲器；太陽能電池板的開路電壓為20 V，考慮到對蓄電池的保護，選用8 W型號；蓄電池選用20AH，DC12V型；最后，在控制器引出多路強制開關和負載輸出接口。

4 硬件電路原理
4．1 充電主回路工作原理
??? 圖2為充電主回路原理圖。J1為太陽能電池板接入端J10是12 V的蓄電池引出端。系統主控單片機工作于5．0 V電壓下，控制電路工作無12．0V，由蓄電池提供(直接從J10引出)。J1接入太陽能電池板，整個主回路必須通過MOSFETV1→L1→VDI(2545)→F1(RF30)→J10→R14→接地形成充電回路，而該充電核心就是控制V1，由R11，VQ3(8050)，R7，R3以及電路IRF9540構成的電路是實現MOSFET V1控制的關鍵。

??? 在NPN三極管的基極通過R11與PWM相連接，而該PWM波則通過SPCE061A主控板輸出控制信號。當PWM輸出為低電平時，NPN三極管VQ3的主回路處于截止狀態，由此判斷，MOSFET處于截止狀態，太陽能電池板與蓄電池的充電回路等價于開路狀態；當PWM輸出為高電平時，VQ3導通，太陽能電池板正極→R3→R7→VQ3→接地形成回路，由于R3的分壓作用，使得MOSFET導通，充電主回路導通，蓄電池處于充電狀態。
??? 整個電路控制的核心是PWM波對MOSFET導通截止的控制，該設計采用三段式充電方法，主控板SPCE061A具備PWM輸出功能，保證本系統實現三段式充電算法，從而有效保護蓄電池。
4．2 硬件保護電路工作原理
??? 過載保護是通過采集充放電電路的狀態值(主回路的電流)實現的，當充放電電路出現異常時，不妨設放電電流較大時，則電路通過主回路使I＿DET的電位減小。圖2中，由B+→+F1→J10→I_DET→R14→接地的主回路看出，I_IDE實際接近地電位，在分析充電過程中，可近似等效為地電位。
??? 圖3為過載保護電路，由VDD→R30→R35→地，可以算出IC1B(LM358A)的同向端為0．15 V；而由R24和R25構成的反饋閉環回路則使得等式(Vo－V＿)/R25=(V_-0)/R24成立，進而可得等式：Vo=(V_R25)/R24+V-，由于運放處于深度負反饋狀態，則有V_=V+=0．15 V。I_DET的電位變化經IC1B后放大，即電位變正則在放大后電位更高，如果是負向變化(如放電)，則電位向負向變化更明顯．最終輸出的是電位變化較大的I_AD信號。

??? I_AD信號通過IC1A開環電壓比較器，與基準電壓V_REF(1．4V)進行比較，在未過充時，I_AD信號的輸出電位應為2．107 5 V，高于IC1A同向端的基準電壓1．4 V，則電路輸出為低，即地電位。此時，該狀態不會對由VQ1、VQ2、VQ5、VQ6所組成的控制回路產生影響，即由R21和VD9所形成的支路等價于斷開。
??? 如果是過放情況，主回路的電流增加，I_DET的電位減小→IC1B的輸出I_AD電位更低(小于比較器的基準電壓V_REF)→比較器輸出的電位由低變為高(INT1為高電平)。此時，VQ2和VQ6(是控制回路另一路)在INT1高電平的作用下，經VD9(或VD5)→VQ6(或VQ2)→地，而VQ2和VQ6的集電極均通過電阻與電源正極相連，因此，VQ2和VQ6無條件強制導通，V1_Driver，V2_Driver被強制拉至低電平，照明輸出負載將被強制關斷，這樣就避免過放電(即負載短路)。

5 軟件部分設計
??? 該系統具備藏文界面和漢文界面，用戶可根據實際需要切換。系統參數設置靈活，必須考慮最低充電電壓、最低放電電壓等系統參數的設置；為使操作更人性化，該系統具備自動關燈設置功能，報警次數設置等其他輔助功能。考慮到該系統主要用于藏區偏遠山區，操作簡潔，人機交互界面友好是首要考慮因素。該系統的輸入使用3個按鍵，即：上翻鍵，下翻鍵和確認鍵。這種鍵盤設計類似鼠標的按鍵，操作和設定方便。
5．1 系統程序設計
??? 圖4為主程序流程。該程序是一個死循環，在循環過程中，完成系統設置、充電控制、放電控制等功能。

??? (1)系統設置子函數提供人機交互的接口。首先，該子函數對系統初始化，進而進人系統設置主界面。在進入二級界面(如充電電壓設置、放電電壓設置等)之前，必須通過向上或向下的按鍵選擇要進入的二級界面菜單。同時，必須按確認鍵才能夠進入二級界面菜單．該子程序提供20 s不操作就自動返回的功能。
??? (2)充電控制子函數通過采樣太陽能電池板的輸出電壓與蓄電池電壓的A/D轉換值，確定蓄電池是否需要充電，在充電方式調整的子函數中進行相應處理。同時，三段式充電算法也在該子函數中實現；充電控制子函數也對過充進行檢測；通過使用R14電阻采集當前回路電流，通過放大器精密放大，由A/D通道計算電壓值，從而可逆推陳出新出當前回路電流值。
??? (3)放電控制子函數放電控制子函數首先采集放電回路電流值，判斷系統是否處于過流狀態。如果過流，則使用軟件方式強制關斷；否則，進一步檢測蓄電池是否處于低電壓狀態。如果低于預設門坎電壓，則啟動報警并關斷輸出回路；如果大于預設的門限電壓，則檢測輸出回路是否已經開啟，同時判斷定時時間，以實現定時關閉照明負載的功能。
5．2 軟件保護部分
??? 過充電和過放電保護由兩級保護組成，一級是采用軟件保護，通過采集充放電回路的電路狀態，由軟件關斷外部電路實現；另一級則是硬件強制關斷保護如圖3所示，即在電路網絡出現過充電或者過放電時，硬件電路自動判斷該電路的異常狀態，強制關閉外部電路。而軟件保護包括3部分：電路突發異常、電池過放、電池過充。
??? 這3種情況的軟件保護都是通過采集系統的數據，進一步分析系統所處的狀態，通過單片機對系統控制而實現對系統保護；而硬件強制關斷在系統處于過流放電的情況下(如負載短路)，不管軟件保護是否啟動，硬件強制關斷會自動響應，關閉負載輸出，對系統起到保護作用。

6 測試結果
??? 結合西藏地區的實際情況，考慮到偏遠藏區照明和手機充電的需求，結合藏式建筑的特點，設計了藏區太陽能照明壁柜磚。設計完成后，先后到拉薩的郊區、山南地區的農牧區等地區進行實地測試，效果較好。表1為設備指標測試結果。因此，該設計在應用方面具有一定的新意，是一個較為經典的藏區藏式建筑照明和手機充電需求的解決方案。