摘要：太陽(yáng)能控制器是太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中的核心部分，設(shè)計(jì)了一種基于Atmega48單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制器。該控制器采用PWM脈沖調(diào)制控制技術(shù)通過(guò)對(duì)蓄電池電壓、充電電流等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電控制和保護(hù)功能。測(cè)試表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、性價(jià)比高，具有良好的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能控制器；Atmega48單片機(jī)；PWM；充放電控制

    作為一種新興的綠色能源，太陽(yáng)能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全的特點(diǎn)，是理想的可再生能源。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要組成部分，被認(rèn)為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對(duì)于緩解能源危機(jī)，減少環(huán)境污染和溫室效應(yīng)具有重要的意義。
    太陽(yáng)能路燈就是典型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用產(chǎn)品之一，它是以太陽(yáng)能作為電能供給，用來(lái)提供夜間道路照明。因?yàn)椴恍枰碾娋W(wǎng)電能、不需要架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，不污染環(huán)境、安全可靠，因而在公共照明及亮化裝飾領(lǐng)域有著廣闊的前景。

1 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組、燈具等部分組成。若需輸出電源為交流220 V或110 V，還需要配置逆變器。太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池的光生伏特效應(yīng)原理，白天太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)能光子能量產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將光能轉(zhuǎn)換為電能貯存起來(lái)，蓄電池充電到一定程度時(shí)，控制器內(nèi)的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，切斷充電電源。到夜晚或路燈周?chē)庹斩容^低時(shí)，蓄電池通過(guò)控制器給照明燈供電。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不被過(guò)放電，保護(hù)蓄電池?？刂破骺刂浦铍姵氐墓╇?，到設(shè)定的時(shí)間后切斷，保證蓄電池的正常使用。整個(gè)系統(tǒng)還具有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過(guò)負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，保證系統(tǒng)設(shè)備的安全。
    在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中，太陽(yáng)能控制器是整個(gè)路燈系統(tǒng)中的核心部件，它控制著整個(gè)系統(tǒng)使其合理穩(wěn)定地運(yùn)行，它的性能在一定程度上決定了整個(gè)路燈系統(tǒng)的性能好壞。控制器的主要功能對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行控制，防止蓄電池過(guò)充電及深度充電。在溫差較大的地方，控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。

2 太陽(yáng)能路燈控制器整體設(shè)計(jì)方案
    太陽(yáng)能路燈控制器采用一鍵式輕觸開(kāi)關(guān)，來(lái)完成所有操作及設(shè)置。要求控制器具有短路、過(guò)載、獨(dú)特的防反接保護(hù)，充滿、過(guò)放自動(dòng)關(guān)斷、恢復(fù)等全功能保護(hù)措施，詳細(xì)的充電指示、蓄電池狀態(tài)、負(fù)載及各種故障指示?？刂破餍枰ㄟ^(guò)單片機(jī)對(duì)蓄電池的電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù)進(jìn)行采樣，采用高效PWM蓄電池的充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
    太陽(yáng)能路燈控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，該控制器以單片機(jī)作為核心，外接晶振電路、太陽(yáng)能電池電壓采集電路、蓄電池電壓采集電路、充放電控制電路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路、溫度檢測(cè)電路、數(shù)碼管顯示電路、功能指示電路等組成。

    太陽(yáng)能電池電壓采樣模塊完成太陽(yáng)電池電壓的采樣；蓄電池電壓采樣模塊完成蓄電池電壓的采樣；輸出驅(qū)動(dòng)模塊提供POWER MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓以及保護(hù)技術(shù)；數(shù)碼管顯示模塊完成數(shù)碼管顯示功能，確定系統(tǒng)輸出的狀態(tài)；晶振電路模塊提供單片機(jī)的時(shí)鐘頻率；溫度檢測(cè)模塊主要由電阻傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)；功能指示電路用發(fā)光二極管指示當(dāng)前的功能。

3 控制器硬件電路設(shè)計(jì)
3．1 單片機(jī)控制模塊
    Atmega48是基于AVR RISC、高性能、低功耗的8位AVR微處理器，片內(nèi)含256B的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序內(nèi)存(PEROM)，512B的靜態(tài)存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，但由于其采用了小引腳封裝，所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)。而工作電壓可以低至1．8 V，極低功耗，在正常模式、1 MHz、1．8 V的條件下電流僅為300 μA，而且內(nèi)置10位ADC，其參考電壓1．1 V。單片機(jī)控制電路如圖3所示。

    根據(jù)圖3所示，PD6接J6鍵，該鍵用于設(shè)置狀態(tài)的識(shí)別及參數(shù)設(shè)置，當(dāng)PD6=1時(shí)，若按鍵按下則單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并根據(jù)程序流程，分別實(shí)現(xiàn)不同功能。若PD6=0或PD6=1且無(wú)按鍵按下時(shí)則不進(jìn)行參設(shè)設(shè)置和功能調(diào)節(jié)。
    按鍵的功能：按下開(kāi)關(guān)設(shè)置按鈕持續(xù)5s，模式(MODE)顯示數(shù)字LED閃爍，松開(kāi)按鈕，每按一次轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)字，等到LED數(shù)字不閃爍即完成設(shè)置。每按一次按鈕，LED數(shù)字點(diǎn)亮，可觀察到設(shè)置的值。根據(jù)設(shè)定值，控制器的工作模式見(jiàn)表1，具體如下：
    純光控模式(0)：當(dāng)沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，光強(qiáng)降到啟動(dòng)點(diǎn)，控制器延時(shí)10 min確認(rèn)啟動(dòng)信號(hào)后，開(kāi)通負(fù)載，負(fù)載開(kāi)始工作；當(dāng)有陽(yáng)光時(shí)，光強(qiáng)升到啟動(dòng)點(diǎn)，控制器延時(shí)10 min確認(rèn)關(guān)閉輸出信號(hào)后關(guān)閉輸出，負(fù)載停止工作。
    光控+延時(shí)方式(1～5)：當(dāng)負(fù)載工作到設(shè)定的時(shí)間就關(guān)閉負(fù)載，時(shí)間設(shè)定見(jiàn)下表。

    通用控制器方式(6)：此方式僅取消光控、時(shí)控功能、輸出延時(shí)以及相關(guān)的功能，保留其他所有功能，作為一般的通用控制器使用(即通過(guò)按鍵控制負(fù)載的輸出或關(guān)閉)。
    調(diào)試方式(7)：用于系統(tǒng)調(diào)試使用，與純光控模式相同，只取消了判斷光信號(hào)控制輸出的10 min延時(shí)，保留其它所有功能。無(wú)光信號(hào)即接通負(fù)載，有光信號(hào)即關(guān)斷負(fù)載，方便安裝調(diào)試時(shí)檢查系統(tǒng)安裝的正確性。
    輸出模式說(shuō)明：當(dāng)停止LED顯示時(shí)，所設(shè)置的模式自動(dòng)存入MCU的內(nèi)部E方ROM，斷電也不會(huì)丟失。
3．2 太陽(yáng)能電池板的電壓檢測(cè)電路
    太陽(yáng)能電池電壓采集用于太陽(yáng)能電池工作電壓的識(shí)別，利用單片機(jī)的PWM功能，對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行充電管理。太陽(yáng)能電池板電壓采集，用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的判斷，因而可以作為白天、黃昏的識(shí)別信號(hào)，同時(shí)支持太陽(yáng)能板反接、反充保護(hù)。太陽(yáng)能電池板的正極(P+)經(jīng)過(guò)R6、R8的分壓后，把電壓送到單片機(jī)的PCI的端口，由Atmega48單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換模塊的將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，如圖4所示。
在圖中，D4起到保護(hù)作用，保證UPCI的電壓不低于0．7 V。電容C8是用來(lái)防止干擾信息。

3．3 蓄電池的電壓采集電路
    蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識(shí)別，利用單片機(jī)的PWM功能，對(duì)蓄電池進(jìn)行開(kāi)路保護(hù)和過(guò)充保護(hù)。蓄電池的正極(B+)經(jīng)過(guò)R36、R7、R9的分壓后，把電壓送到單片機(jī)的ADC7的端口，如圖5所示。在圖中，D5起到保護(hù)作用，保證UADC7的電壓不低于0．7 V。電容C17是用來(lái)防止干擾信息。

3．4 充放電控制電路
    充放電控制電路如圖6所示。蓄電池電壓在正常情況下，由單片機(jī)控制的充電驅(qū)動(dòng)MOS管Q1為高電平，處于截止?fàn)顟B(tài)，三極管Q3導(dǎo)通，這時(shí)PWM占空比為零，太陽(yáng)能電池板向蓄電池恒流充電；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到13．6 V時(shí)，Q1為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，Q1截止，通過(guò)控制占空比，使Q1實(shí)現(xiàn)通斷控制，此時(shí)處于恒壓浮充狀態(tài)；當(dāng)電流下降到某一設(shè)定的值時(shí)，進(jìn)行恒流充電；但蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的過(guò)充點(diǎn)14．4 V時(shí)，再進(jìn)行恒壓涓流充電；涓流小到某一值，單片機(jī)控制的充電驅(qū)動(dòng)Q1進(jìn)行短路保護(hù)；當(dāng)蓄電池電壓下降到某設(shè)定值時(shí)，Q3重新導(dǎo)通，Q1截止，恢復(fù)為正常充電狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定的過(guò)放點(diǎn)時(shí)，放電驅(qū)動(dòng)管Q2為高電平，Q4導(dǎo)通，Q2截止，此時(shí)負(fù)載無(wú)輸出；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到12．6 V時(shí)，單片機(jī)控制的放電驅(qū)動(dòng)T2為低電平，Q4截止，MOS管Q2導(dǎo)通，此時(shí)恢復(fù)對(duì)負(fù)載供電。

3．5 輸出電流采樣及溫度檢測(cè)電路
    輸出電流采樣電路采用一個(gè)小電阻來(lái)檢測(cè)電流，通過(guò)運(yùn)算放大器放大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)中，就可以計(jì)算出電流I的大小。
    蓄電池的容量是隨溫度的變化而變化的，溫度降低，蓄電池的容量就減?。粶囟壬?，蓄電池的容量將增大。如果充電電流維持不變，相應(yīng)的充電倍率將不變，不同的充電倍率對(duì)應(yīng)著不同的過(guò)充點(diǎn)，因此要采用溫度補(bǔ)償對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。單片機(jī)通過(guò)采樣溫度參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中溫度的檢測(cè)采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻隨溫度的增長(zhǎng)，電阻值變小。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)
    控制器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，其主程序流程圖如圖7所示。太陽(yáng)能路燈控制器接電源后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，根據(jù)太陽(yáng)能電池板的電壓來(lái)判斷白天還是黑夜，并執(zhí)行相應(yīng)的操作；接著對(duì)太陽(yáng)能電池的電壓和蓄電池的電壓進(jìn)行各種條件的判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作；當(dāng)各種條件判斷完畢后，程序回到初始判斷，進(jìn)而開(kāi)始新一輪的程序運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)
    文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈控制器已研發(fā)成功，測(cè)試證明：該控制器具有良好的啟動(dòng)性能，蓄電池的充電過(guò)程能夠達(dá)到預(yù)期的要求，當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)管，斷開(kāi)放電回路實(shí)現(xiàn)了蓄電池的過(guò)放保護(hù)，而且可以針對(duì)不同的蓄電池設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于采用Atmega48單片機(jī)作為主控芯片，功耗小、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、故障率低，具有較高的性價(jià)比，而且調(diào)試方便，適宜批量生產(chǎn)。