基于C8051F920的太阳能金卤灯控制器设计

    在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，如何有效地利用清洁的太阳能正在成为各国可持续发展的能源战略。目前，大部分照明设备仍以传统能源来照明，所以充分利用太阳能作为照明设备的能源供给，在节约能源、保护环境等方面具有重要意义。
    为此，设计了具有太阳能供电功能的金卤灯控制器。该控制器既具有金卤灯电子镇流器功能，又具有太阳能充电器功能。该控制器作为电子镇流器，与传统镇流器相比，具有功率因素高，运行稳定，体积小等优点。作为具有太阳能供电功能的控制器，根据设定，控制器白天控制太阳能充电系统对12 V／100 Ah蓄电池充电，晚上使金卤灯工作。由于太阳能光伏板在自然环境下容易受到雷击损坏，所以该控制器在设计时还兼顾了防雷击的保护功能。

1 控制器整体结构
    该控制器采用微型封装的C8051F920单片IC作为CPU，C8051F920作为一款高集成度(SoC)，高速度(100 MIPS)的IC，其具有如下特点：
    (1)高性能集成模拟外设。数据采集时一般可以免去外部模拟部件和系统校准、多通道高速采样，有利于节电设计。同时也可以省去外部时钟器件。模拟信号布线已在片内完成，所以可简化PCB设计，改善系统的噪音性能。具有10位分辨率ADC，以及高精度的内部振荡器(1．5％)。
    (2)外部通信接口。可通过软件选择UART，SM-Bus／12c，SPI之一作为串行通信接口，具有特殊串行接口USB 2．0，CAN 2．OB，16位和8位的复用和非复用并行数据总线。
    (3)高性能数字I／O。具有计数器／定时器PCA模块，I／O可实时动态配置。
    该控制器的硬件结构框图如图1所示。

太阳能光伏板接入光伏信号处理电路，光伏电压经PWM充电控制电路送到12 V蓄电池内。正常工作时，12 V蓄电池输出电压经高频平面变压器次级感应升压、整流后到全桥电路。同时12 V输出电压与电压变换电路相连接，向控制器其他电路供电。
    全桥驱动电路与点火电路、金卤灯相连。全桥驱动电路采用UBA2032芯片。当金卤灯发生短路时，全桥驱动短路可关闭全桥。键盘和显示人机接口可对点火时间、方式、充电过压保护范围等进行设定。升压整流电路与开关控制电路相连，将输入12 V升压到60～120 V，供金卤灯工作。
    MCU监控电路与PWM充电电路、电压变换电路、全桥驱动电路、键盘和显示人机接口相连，对12 V蓄电池的充放电、点火线圈、金卤灯的启动和稳定运行及电路保护进行控制。点火电路对升压后的负电压进行整流并与点灯线圈一起形成10～20 kV的点灯电压。信号检测和转换电路具有对12 V蓄电池的当前电压、电流、蓄电池充电电流、光伏信号处理电路的电压进行检测的功能。
2．1 太阳能充电系统
    该充电系统包括光伏信号处理电路、PWM充电控制电路。图2为充电系统的结构示意图。

    光伏信号处理电路包括防信号反接电路、光伏电压取样电路和雷击保护电路。其中，防信号反接电路可以阻止光伏信号反接输入对控制器电路造成损坏。电压取样电路提供给C8051F920采样后的光伏电压信号。雷击保护电路可以防止将天空中闪电、雷击引入控制器而造成损坏。PWM充电控制电路将对蓄电池充电， MCU输出的PWM信号用于驱动大功率MOS管，控制充电电压的大小，以免造成对蓄电池的损坏。
2．2 电子镇流器电路设计
    升压整流电路包括反激式升压高频平面变压器和快恢复整流二极管及保护电路。高频平面变压器初级连接到电源的输入端和功率MOS管，次级连接到整流二极管和保护电路。金卤灯启动时，次级提供400 V左右的直流电压，该电压经三倍压整流电路变换为1 200 V的直流电压。正常工作时，变压器的次级提供60～120 V直流电压。升压后的电压信号经过LM2902传送至C8051F920，以实现电压取样检测。
    全桥驱动电路采用飞利浦公司推出的UBA2032高压单片IC，UBA2032片内集成有电压稳压器、振荡器、输入信号延迟和桥路禁止电路、控制逻辑、高／低压电平移位器、高端左／右驱动器和低端左／右驱动器等单元电路。当金卤灯发生短路时，全桥驱动短路可关闭全桥，实现对金卤灯的保护。
    键盘显示电路连接到C8051F920的SPI接口上，可实现点灯时间、方式、充电过压保护范围等的设定。ZLG7290是一种全新的、具有I2C总线的键盘和显示接口芯片，使用该芯片设计的键盘和显示电路，在设置完参数后，可以拔掉不用，简化了控制器硬件和软件设计。信号检测和转换电路将充电电流和点灯电流在取样电阻上转换成相应的电压，并放大到合适的范围给MCU的A／D输入端；另一方面，点灯电流信号的点灯电压信号经放大比较电路连接到开关控制电路，直接控制灯的开路和短路保护。
2．3 点火电路的设计
    金卤灯的工作可分为三个阶段：电极释放自由电子，电子在外加电场中加速；自由电子的动能转化为气体原子的激发能；激发能转换为光能。
    图3为金卤灯的伏安特性曲线。

    由于金卤灯内充满惰性气体，其击穿电压很高，通常要求达到20 kV左右，故要求点火电路能够提供足够高的电压。基于此，通过将变压器次级与图4所示的三倍压点火电路相连，可获得1 200 V的电压，再经过点灯线圈连接至金卤灯后，可在金卤灯的两极得到20 kV左右的点灯电压。

3 充电系统软件设计
    软件采用模块化设计，其工作流程如图5所示。通过程序实时检测太阳能光伏板和蓄电池的电压大小。白天向蓄电池充电时通过控制PWM充电电压的大小，以避免因为充电电压太大而损坏蓄电池；晚上关闭充电电路，并检测蓄电池电压和点灯标记，只有当满足设定的点灯要求时才启动点灯程序。

4 结 语
    介绍一种具有太阳能供电功能的金卤灯控制器的设计。通过采用C8051F920单片机实现了电子镇流器和太阳能充电的双重功能。在充分了解金卤灯的工作特点后设计了控制器的各部分子电路。经过试验测量，整机工作电流小于20 mA，大大地减小了控制器本身电能的消耗。该控制器在实时检测蓄电池的电量后控制太阳能充电系统的工作状态和灯的各个工作状态，能够使金卤灯可靠稳定地运行，达到了设计要求。