【正文】 。因此，為了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時(shí)還要最大限度地利用所發(fā)電能。本控制器采用分立元件構(gòu)成的MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路。[10]MOSFET是所有全控型電力電子器件中工作頻率最寬的一種，是電壓控制型器件，也就是MOSFET的柵源之間的電壓滿足一定的要求，就可控制它的開關(guān)。設(shè)蓄電池的正端電壓為UBAT+，由圖47知采樣得到的電壓UBOUT為：UBOUT=R8/(R8+R6)*UBAT+ (42)系統(tǒng)通過對(duì)UBOUT電壓大小的判斷，可以實(shí)行控制器的充電控制。在很多需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，為了提高AD的分辨率，往往都選擇較小的電壓作為基準(zhǔn)源，特別是采樣一些電壓值較小的模擬信號(hào)，此時(shí)ATmega48內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓（）無疑是最好的選擇。溫度補(bǔ)償為5mV/℃/2V，即對(duì)于2V的蓄電池，其基準(zhǔn)溫度為25℃，當(dāng)溫度每下降一度，電壓補(bǔ)償為5mV，當(dāng)溫度每上升一度，電壓補(bǔ)償為5mV。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定，ADC由AVCC引腳單獨(dú)提供電源，AVCC與VCC之間的偏差不超過177。熱敏電阻的工作原理：熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而成非線性急劇變化，一般具有負(fù)的溫度系數(shù)，其阻值隨溫度升高而急劇減小，只有少數(shù)具有正的溫度系數(shù)。Atmega48單片機(jī)需要5V的供電，由于太陽能極板輸出電壓的不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用電源管理芯片LM2931對(duì)太陽板電池輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓后供給Atmega48單片機(jī)。柵極G到源極S電壓VGS=20～+20V。 電源模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)控制器的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)需要二種電壓類型，Power MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓和單片機(jī)的工作電壓為5V。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖43所示。ATmega48是基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，具有高性能、高保密性、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。表4 3 控制器工作模式設(shè)置LED數(shù)碼01234模式測(cè)試4/OFF5/OFF6/OFF7/OFFLED數(shù)碼56789模式8/OFF9/OFF10/OFF純光控通用 控制器的硬件設(shè)計(jì)方案微控制器太陽能電池板電壓采集模塊蓄電池端電壓采集模塊負(fù)載電流檢測(cè)模塊溫度檢測(cè)PWM功率驅(qū)動(dòng)充電驅(qū)動(dòng)放電驅(qū)動(dòng)輸出保護(hù)功率驅(qū)動(dòng)鍵盤顯示模塊光伏照明控制系統(tǒng)通過微控制器對(duì)太陽電池板電壓、蓄電池端電壓、負(fù)載電流、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，通過軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率，溫度補(bǔ)償修正的高效、高準(zhǔn)確率控制，并采用高效PWM模式對(duì)蓄電池充放電，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。作為一般的通用控制器使用。啟動(dòng)過程同前。每按一次按鈕，LED數(shù)字點(diǎn)亮，可觀察到設(shè)置的值?？刂破魍ㄟ^微處理器對(duì)蓄電池的端電壓、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。控制器能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表42所示。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)。 ATmega48單片機(jī)的引腳如圖41，ATmega48單片機(jī)各引腳功能如表41所示 ATmega48單片機(jī)的特點(diǎn)4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在編程過程中還可以讀的能力，即RWW)，256字節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，23個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個(gè)SPI串行端口，一個(gè)6路10位ADC(TQFP與MLF封裝的器件具有8路10位ADC)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。ADC7..6 （TQFP 與 MLF 封裝）TQFP與MLF封裝芯片的ADC7..6引腳為兩個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入口，它們的電壓由AVCC提供。當(dāng)引腳PC3..0與PC7..6用于ADC時(shí)，AVCC應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。RSTDISBL 位未編程時(shí)，PC6將作為復(fù)位輸入引腳Reset。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘選擇位的設(shè)定，PB7 可作為反向振蕩放大器的輸出。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。它具有不可破解的位加密鎖L0ckBit技術(shù)，保密位單元深藏于芯片內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到。AVR單片機(jī)費(fèi)用低廉。AVR單片機(jī)廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。所消耗太陽能電池總功率的計(jì)算公式：(33)式中：P——太陽能電池總用量；A——安全系數(shù)，一般取A=～。為避免小電流放電，閥控蓄電池不應(yīng)長(zhǎng)期退出系統(tǒng)運(yùn)行。在陰極上形成的硫酸鹽越多，蓄電池的內(nèi)阻越大，電池的充、放電性能就越差，蓄電池的使用壽命就越短。為避免產(chǎn)生多余的氣體，閥控蓄電池對(duì)充電機(jī)穩(wěn)壓限流精度提出了較高的要求。電池間保持不小于15mm的間隙，電池與上層隔板間有不小于150mm的間距的“通風(fēng)道”來降低溫升。因此，其浮充電壓應(yīng)根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，一般為2～4 m V / ℃ ，而現(xiàn)有很多充電機(jī)沒有此功能。影響閥控密封鉛酸蓄電池壽命的外部因素主要有以下幾個(gè)方面：1．環(huán)境溫度 環(huán)境溫度過高對(duì)閥控蓄電池使用壽命的影響很大。其孔率由橡膠隔板的50%提高到90%以上，從而使氧氣易于流通到負(fù)極，再化合成水。（2）讓負(fù)極有多余的容量，即比正極多出10%的容量。一方面釋放氣體帶出酸霧污染環(huán)境，另一方面電解液中水份減少，必須隔一段時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)加水維護(hù)。對(duì)膠體密封鉛蓄電池而言，電池內(nèi)的硅凝膠是以SiQ質(zhì)點(diǎn)作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它將電解液包藏在里邊。析出的氧到達(dá)負(fù)極，跟負(fù)極起下述反應(yīng)，達(dá)到陰極吸收的目的。圖3 1 閥控密封鉛酸蓄電池VRLA蓄電池有兩種：一種是采用超細(xì)玻璃纖維隔膜的VRLA蓄電池（AGM）；另一種是采用膠體電解液的VRLA蓄電池（GFL）。由于VRLA電池從結(jié)構(gòu)上來看，它不但是全密封的，而且還有一個(gè)可以控制電池內(nèi)部氣體壓力的閥，所以VRLA鉛酸蓄電池的全稱便成了“閥控式密閉鉛酸蓄電池”閥控式鉛酸蓄電池的密封機(jī)理。閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池誕生于20世紀(jì)70年代，到1975年時(shí)，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)規(guī)模，很快就形成了產(chǎn)業(yè)化并大量投放市場(chǎng)。蓄電池電壓在正常范圍時(shí)，控制器面板上的狀態(tài)提示燈為綠色常亮；充滿后狀態(tài)提示燈為綠色慢閃；當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓時(shí)，狀態(tài)提示燈變成橙黃色；當(dāng)蓄電池電壓繼續(xù)降低到過放電壓時(shí)，狀態(tài)指示燈變?yōu)榧t色，此時(shí)控制器將自動(dòng)關(guān)閉輸出。當(dāng)系統(tǒng)連接正常且有陽光照射到太陽能電池上時(shí)，控制器面板上的指示燈為綠色常亮，表示系統(tǒng)充電電路正常；當(dāng)充電指示燈出現(xiàn)綠色快速閃爍時(shí)，說明系統(tǒng)過電壓。3．控制器 控制器是整個(gè)系統(tǒng)的智能核心，控制整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行，能自動(dòng)防止蓄電池組過充電和過放電的設(shè)備。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率。其二是太陽能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽能電池兩端電壓的大小即可判斷光亮程度，也就是從太陽能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。該控制器提高了充電效率，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，增強(qiáng)了太陽能路燈系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。 恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。恒流充電電路如圖22所示。 第2章 光伏照明控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 充電方法的選擇圖2 1 最佳充電曲線一般情況下，充電電流的安培數(shù)不應(yīng)超過蓄電池待充電的安培時(shí)數(shù)。本論文由以下四部分組成：第一部分是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，先通過對(duì)常用幾種充電方法的比較，從而確定本系統(tǒng)采用的是PWM充電控制法，基于此種充電方法設(shè)計(jì)出光伏控制系統(tǒng)的總體方案。 目前市場(chǎng)上的光伏控制器還存在著許多的不足之處，比如：系統(tǒng)的配置、控制精準(zhǔn)度不夠高，系統(tǒng)的使用壽命、陰雨天的工作時(shí)間等。 光伏照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1 1 光伏系統(tǒng)組成框圖太陽能電池控制器蓄電池DC負(fù)載光伏照明系統(tǒng)主要由五大部分組成，即太陽能電池、蓄電池、控制器、照明電路、負(fù)載，如下圖11所示。根據(jù)世界能源權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲(chǔ)量以及開采速度來計(jì)算，全球石油剩余可采年限僅有41 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限為15 年； 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限30 年；煤炭剩余可采年限230 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限81 年；鈾剩余可采年限71 年，%，國(guó)內(nèi)剩余可開采年限為50 年。能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn)略物資，化石能源儲(chǔ)量的有限性是發(fā)展可再生能源的主要因素之一。根據(jù)歐盟的預(yù)測(cè)：到2030年太陽能發(fā)電將占總能耗10%以上，到2050年太陽能發(fā)電將占總能耗20%。目前，光伏系統(tǒng)主要由于控制器控制蓄電池充電方式不合理，降低了蓄電池壽命而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)可靠性不高，因此，在控制器的設(shè)計(jì)中采用什么樣的充電方式非常關(guān)鍵。本文在太陽能電池對(duì)蓄電池的充電方式及蓄電池對(duì)負(fù)載的供電方面做了分析，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件主程序的設(shè)計(jì)，結(jié)合PWM充電控制法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池充放電的管理，以滿足本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能。第四部分闡述本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，主要介紹了系統(tǒng)軟件的主程序流程。 恒流充電法恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖27所示。所以采用PWM充電控制法，設(shè)計(jì)太陽能光伏照明智能控制器。圖2 8 光伏照明控制系統(tǒng)總框圖1．太陽能電池（光伏板）太陽能電池在整個(gè)系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)，其一是把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，即白天時(shí)，太陽能電池給蓄電池充電。將太陽能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。本系統(tǒng)采用的是12V12AH的閥控密封鉛酸蓄電池。4．負(fù)載 按要求選取額定電壓是12V、額定功率是10W的白熾燈。這些自動(dòng)控制過程將使蓄電池達(dá)到最佳充電效果并保證或延長(zhǎng)其使用壽命。在本系統(tǒng)中，我們使用閥控密封式鉛酸（VRLA）蓄電池。為了區(qū)分，把老式鉛酸蓄電池叫做開口鉛酸蓄電池。正極板采用鉛鈣合金、鉛鎘合金或低銻合金，負(fù)極板采用鉛鈣合金。正極析氧是在正極充電量達(dá)到70%時(shí)就開始了。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。當(dāng)充電達(dá)到一定電壓時(shí)（）在蓄電池的正極上放出氧氣，負(fù)極上放出氫氣。采用優(yōu)質(zhì)多元合金后，（25℃）以上時(shí)釋放氣體，從而相對(duì)減少了氣體釋放量。（3）為了讓正極釋放的氧氣盡快流通到負(fù)極，必須采用和普通鉛酸蓄電池所采用的微孔橡膠隔板不同的新型超細(xì)玻璃纖維隔板。（5）殼體上裝有安全排氣閥，當(dāng)VRLA蓄電池內(nèi)部壓力超過安全閥的閾值時(shí)自動(dòng)開啟保證VRLA蓄電池的安全 影響閥控密封鉛酸蓄電池使用壽命的因素 閥控蓄電池特有的氧復(fù)合機(jī)理和閥控密封的結(jié)構(gòu)，雖然在一定程度上減少了它的維護(hù)工作量，但使得其比防酸隔爆蓄電池在可靠性和魯棒性上有所下降，更容易受環(huán)境的變化、使用條件等因素的影響。典型的閥控蓄電池高于25℃ 時(shí)，每升高6～9℃ ，電池壽命縮短一半。蓄電池?cái)[放要留有適當(dāng)?shù)拈g距，改善電池與環(huán)境媒介的熱交換。其次，在長(zhǎng)期過充電狀態(tài)下，H+增加，從而導(dǎo)致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池的壽命。因硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成必將對(duì)蓄電池的充、放電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。因此在直流系統(tǒng)交流電源失去后，要嚴(yán)密監(jiān)視蓄電池的電壓和電流，防止閥控蓄電池過度放電。2. 白熾燈的日功耗計(jì)算出白熾燈每天的功耗，計(jì)算公式如下： Q=Pi*hi （32）式中：Q——白熾燈每天功耗；Pi——白熾燈的額定功率，Pi=10W；hi——每天平均工作的小時(shí)數(shù)，hi=8h。太陽能電池輸出電流與太陽能電池總功率滿足如下計(jì)算公式：P=Vs*Is （36） 光伏板參數(shù)的確定綜上可得，光伏板最終的參數(shù)為：表3 2所選定光伏板的參數(shù)開路電壓Voc24～28V短路電流Isc1300～1600mA工作電壓Vop～20V工作電流Iop930～1120mA峰值功率Pm15～21W第4章 控制器的設(shè)計(jì) 單片機(jī)元件概述 AVR系列單片機(jī)及ATmega48單片機(jī)簡(jiǎn)介AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。圖4 1 ATmega48單片機(jī)引腳圖 AVR單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，費(fèi)用低廉選擇AVR單片機(jī)的最主要原因，是進(jìn)入AVR單片機(jī)開發(fā)的門檻非常低，只要會(huì)操作電腦就可以學(xué)習(xí)AVR單片機(jī)的