太阳能电源低压钠灯智能控制器的设计

摘要：设计一种采用低功耗单片机P87LPC767作为控制回路核心，低压钠灯为负载的太阳能电源智能控制器。系统在P87LPC767单片机的控制下，能将太阳能电池方阵转换的直流电进行有效存储和合理使用，具有环保节能的双重效果。实现了充放电过程的自动控制功能，防短路、防过栽、防反接、充满和过放自动关断、恢复等保护功能，以及具有充电指示、蓄电池状态、负载及各种故障指示等功能。最后结合实验证明了该智能控制器系统运行稳定可靠。
关键词：P87LPC767；低压钠灯；太阳能；控制器

    近年来再生能源技术广受重视，而太阳能发电由于有先进的电力电子技术辅助，已成为极具潜力的再生能源之一。低压钠灯(LPS)作为光效最高和光衰较小的光源，是道路照明光源的最佳选择，与太阳能光伏系统结合应用，节能效果更显著。当前市场上已有各种各样的针对不同类型负载的太阳能电源智能控制器产品，但目前采用高(低)压钠灯为负载而设计的控制器很少，本文为了区别于其他太阳能电源控制器，采用低压钠灯作为负载。太阳能强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响而不能维持常量，导致太阳能综合利用系统受日照、温度、使用负载变化等条件影响比较大，使系统非线性较强，加大系统的控制难度。为了实现电源和负载之间稳定、高效工作，提高供电质量，同时对系统中蓄电池循环充放电和充放电深度加以合理控制，而且延长蓄电池使用寿命，需要借助于设计一种高效、可靠的、智能的太阳能电
源充放电控制器来完成这些工作，使充电及开／关过程采用光控自动控制，无需人工操作，工作稳定可靠，节省电费，免维护。因此，开展低压钠灯的太阳能电源智能控制器的研究具有重要意义。

1 系统结构
    独立型太阳能光伏系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器和负载组成。其组成框图如图l所示。

    分析太阳能综合利用系统的构成可知，负载以太阳光为能源，白天太阳能电池组件／方阵采集电能，铅酸蓄电池储存电能，通过控制器的合理控制，晚上为负载提供电能，使用时间和工作模式可以灵活设置。开发了一套小型光伏系统的低压钠灯太阳能电源控制器，其中，蓄电池为24 V，负载是36 W的低压钠灯，单路负载输出。

2 系统硬件设计
    该智能控制器装置硬件部分具有3个接口：一个用于同太阳能电池方阵接口，一个用于同蓄电池接口和一个用于同低压钠灯负载接口。控制器整体结构设计框图如图2所示。虚框内为控制器部分。

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2．1 P87LPC767单片机
    系统控制选用PHILIPS半导体公司的P87LPC767单片机实现，其工作在100 kHz～4 MHz、电源电压为3．3 V时，其功耗仅为0．044～1．7 mA，适合蓄电池供电系统；它提供高速和低速的晶振和RC振荡方式，可由编程选择，且有较宽的操作电压范围；可编程I／O口线输出模式选择，可选择施密特触发输入，LED驱动输出；内含看门狗定时器和I2C总线；其内部的2个模拟比较器可组成8位A／D转换器；同时具有上电
复位检测和欠压复位检测功能；保证I／O口驱动电流达到20 mA。P87LPC767采用80C51加速处理器结构，指令执行速度是标准80C5l CPU的2倍。
    本系统以P87LPC767单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路、模式选择电路以及可使系统加入附加功能的E2PROM芯片等部分组成。P87LPC767及其外围电路如图3所示。表1是结合硬件电路设计单片机P87LPC767各引脚功能描述。

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2．2 蓄电池充放电电路
    基于光伏发电的特殊性，需设计性能良好的充放电控制电路。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对其充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电和深度放电。该充放电电路相当于一个电压采集与电池管理模块。
    当白天有阳光时，单片机分别检测太阳能电池方阵和蓄电池的电压值，控制蓄电池充电电路导通开关MOSFET管VQ9(图3)的导通／关断状态。当单片机检测到PV+电平高于BAT+电平时，开关器件VQ9导通，太阳能电池方阵向蓄电池用直充方式充电；当蓄电池被充至过压时，开关器件Q9关断，太阳能电池方阵向蓄电池用小电流充电(浮充)，这样能起到“过充电保护”作用。
    当夜晚或阴天阳光不足时，继电器导通，蓄电池放电，保证负载不停电。本系统设计的继电器RELAYl为蓄电池放电开关，RELAYl导通／关断的控制信号由单片机的I／O口输出。本系统的负载为低压钠灯，用于道路照明，因此应具备光控功能，即有太阳光时，RELAYl关断；当夜晚或阴天阳光不足时，RELAYl导通，蓄电池放电，路灯照明。从保护蓄电池的角度出发，当需要向负载供电而蓄电池电压却小于“过放
电压”，RELAYl也关断，进行“过放电保护”，避免电池放空，损坏蓄电池；当太阳能电池方阵重新供电且只有当蓄电池电压重新升到浮充电压，需要为负载供电时RELAYl才重新导通，接通负载回路。
2．3 低压钠灯的DC／AC低频电子镇流器系统电路
    电子镇流器连接在电源和一只或若干只气体放电灯之间，并将气体放电灯的工作电流限制在规定值内，用于对负载进行输出控制与检测。低压钠灯属于气体放电灯，由于气体放电灯具有负阻工作特性，所以要使其正常工作，应配以镇流器等控制装置。这些相关的控制装置应完成以下控制功能：1)限制和稳定气体放电灯的工作电流；2)在蓄电池端电压允许变化范围内应能确保灯电压、灯电流和灯功率稳定，使灯正常工作。3)提供气体放电灯所需的点火电压。4)在气体放电灯负载点火工作之前应提供所需的灯电极预热功能。
    目前对太阳能电源控制器、低压钠灯及其配套电子镇流器已有很多研究，但在实际工程应用中发现，由于上述3种设备或产品都是独立开发的，在工作中匹配性差。有的低压钠灯启动不稳定，有的甚至造成损坏，在很大程度上限制了低压钠灯的应用。因此建议可把该低压钠灯的DC／AC低频电子镇流器系统电路模块纳入本控制器系统，设计成一个太阳能低压钠灯照明系统智能控制器、镇流器一体机。
2．4 LED显示电路
    此控制器采用了一个双色LED发光二极管作为系统状态指示灯，该双色LED发光二极管显示非常直观，取代了以往多个指示灯。单片机通过检测引脚17(ADl，即BAT+电压)的值与设定值相比较，控制引脚2(P1．7)和引脚3(P1．6)的输出电平，决定系统状态指示灯的颜色和状态。状态指示灯显示的状态如表2所示。

2．5 控制器工作模式选择电路
    本控制器预设了8种工作模式供用户选择(见表3)，用户只需拨动拨码开关J1。单片机将自动检测个人用户选择的控制器模式，根据程序流程，分别实现不同模式下的功能。

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3 系统软件设计
   该设计方案的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A／D转换子程序、外部中断子程序、充放电管理子程序、负载管理子程序、LED显示子程序等。图4为本系统软件结构设计框图。以“调试模式”为例，本系统的软件设计程序流程如图5所示。

4 实验结果
    根据以上设计思路，试制一台样机，由2个12 V 7 AH阀控式密封铅酸蓄电池、36 W低压钠灯和由直流电源模拟代替的80 Wp光伏阵列系统组成的实验平台对样机的各项性能指标进行实验研究。图6是在稳定阶段的低压钠灯示波器的波形。结果表明，本系统运行稳定、可靠。

5 结论
    本系统经过实验和调试，实现了预期的功能，有效、合理地完成了系统状态的管理和能量流的实时控制。采用微处理器实现太阳能控制器的充放电控制，其各项性能指标明显优于常规控制器，并可针对不同蓄电池设定参数和进行温度补偿，大大扩展了其使用功能。