一種基于AVR單片機的太陽能光伏直流控制器設計

摘要：文章介紹了一種用AVR單片機控制的傘數(shù)字化太陽能光伏直流控制器。該控制器在AVR系列ATMEGA16L單片機的控制器，能對太陽能電池轉(zhuǎn)換的直流電進行有效存儲和合理使用，實現(xiàn)了多種工作狀態(tài)的控制和蓄電池能量管理，實際運行后，達到了預期的各項指標。

關(guān)鍵詞：AVR單片機;太陽能光伏;直流控制器

0 前言

當今世界能源短缺以及環(huán)境污染問題日益嚴重，這些問題迫使人們尋找和使用新的代替能源。隨著電子技術(shù)、太陽能電池板生產(chǎn)技術(shù)的提高，使得太陽能的利用越來越普遍。太陽能具有無地域限制的特點，而我國很多地方仍然處于缺電狀態(tài)，特別是一些邊遠地區(qū)、旅游景區(qū)，由于非常分散，依靠電網(wǎng)供電難度大、成本高，因而選擇太陽能供電十分必要，而在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制器是十分關(guān)鍵的部件之一。

目前市面上一些太陽能控制器提高效率的手段僅僅局限在單一物理量算法研究(比如只對電壓、電流的跟蹤)，效率的提高是很有限的。我們經(jīng)過多次實際考察與測量，發(fā)現(xiàn)發(fā)電效率較高的產(chǎn)品往往價格昂貴，且適應性差，一般都用于固定場合，如大型太陽能發(fā)電站等;一些低價的控制器為了降低成本，內(nèi)部保護措施簡陋，操作界面一般都采用數(shù)碼管、LED等，用戶操作以及設置都非常麻煩。本文利用AVR單片機設計制作了一種太陽能光伏直流控制器，在降低成本的基礎上讓控制器提高太陽能使用效率、多任務適應能力，解決了高精度采集太陽能電池板輸出電流、電壓數(shù)據(jù)的技術(shù)問題。

1 系統(tǒng)方框圖

2 主要硬件電路

本太陽能光伏直流控制器的硬件電路包括前置保護電路、濾波儲能電路、太陽能電池板電流電壓采樣電路、AVR單片機控制器、功率調(diào)整管、蓄電池電流電壓采樣電路、液晶顯示器12864、后置保護電路、各種接口(光電池接口、蓄電池接口、負載接口和USB接口)。

(1)前置保護電路。主要包括防高壓輸入電路、防用戶人員接線反接電路、帶自恢復的過電流器件。

(2)濾波電路。主要克服PWM在關(guān)斷狀態(tài)下，光能輸出的浪費。

(3)光電池電流電壓采樣電路。電流采用的是霍爾電流芯片，它的精度以及隔離性都比分立元件高很多。電壓采用的是電阻分壓原理，在AD采集時，實際發(fā)現(xiàn)帶有干擾，后來用軟件均值濾波克服了硬件弊端，節(jié)約了硬件成本。

(4)液晶顯示。選用LCD的型號是12864，可顯示中文。

(5)功率調(diào)整管。使用80A驅(qū)動能力CMOS場效應管。

(6)單片機控制器。使用的AVR單片機是近年來在MCU市場應用較為廣泛的芯片，它的高速度、低功耗、內(nèi)部自帶的一些硬件設備，體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。

(7)后置保護電路。后置保護電路主要用來對負載過電流，以及蓄電池過放電進行一個檢測，即保護蓄電池不讓它過放電。當它電壓過低的時候需要斷開給負載的供電回路，另外蓄電池長時間需要一次激活，用單片機時鐘計時就可以做到了，當負載短路，可通過單片機去檢測，保護蓄電池。

3 工作原理

本系統(tǒng)以ATMEL公司研發(fā)的AVR系列AFMEGA16L單片機作為控制器，應用了目前普遍認可、較為成熟的”電壓擾動法”技術(shù)，采用具有高效率的最大功率跟蹤點算法(MPPT)，通過傳感器采集太陽能光伏發(fā)電板輸出電壓以及輸出電流，經(jīng)過10位A/D轉(zhuǎn)換后，計算當前功率，并與前一次功率進行比較，發(fā)現(xiàn)功率變化，實時調(diào)節(jié)控制PWM占空比，改變太陽能光伏電池板所接負載的阻抗，使得電池板輸出阻抗與負載阻抗相等，達到阻抗匹配，實現(xiàn)最大輸出功率。本系統(tǒng)具有微處理控制器脈寬調(diào)制(PWM)充電、溫度傳感器補償電池充電、帶自恢復過載保護(如發(fā)生短路，以及人為操作引起的過電流，系統(tǒng)會自動關(guān)閉電源輸出，液晶提示存在”過電流故障請檢查!”待故障排除可正常運行，不損壞電路器件)、過充保護、短路保護(帶自恢復)、雷電保護、反向放電保護、極性反接保護(帶自恢復)、欠壓保護(遇到陰雨天，太陽光線不足的情況下，當系統(tǒng)檢測到太陽能電池輸出電壓過低后，會斷開充電回路，并在液晶上提示“光電池輸出過低!”)。本系統(tǒng)互聯(lián)控制管理方便，能通過按鍵任意設定負載工作時間，增加了USB接口，使用具有中文顯示工作狀態(tài)的液晶顯示屏，操作簡便，直觀明了。

4 軟件流程圖

5 創(chuàng)新點

(1)通過霍爾電流采集模塊和電壓分壓模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高精度采集，具有抗干擾性和隔離性好的特點。

(2)通過前置保護電路，有效地防止高壓輸入，以及防止用戶反接電路。

(3)通過濾波儲能電路實現(xiàn)了在功率調(diào)整管關(guān)斷時的光能存儲。

(4)通過蓄電池電流電壓采集電路、后置保護電路實現(xiàn)了防止出現(xiàn)負載短路或蓄電池電壓過低的現(xiàn)象。

(5)使用高性價比、低功耗的AVR16位單片機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的51單片機，最大功率點跟蹤技術(shù)采用軟件處理方法中的“電壓擾動法”。

(6)采用液晶顯示器12864對本太陽能光伏直流控制器的電流、電壓、功率直觀顯示，方便操作，減少誤操作事故發(fā)生。

(7)通過設置USB接口電路，使現(xiàn)有技術(shù)中的光伏直流控制器的應用范圍得到了拓寬。

(8)通過利用其自擴展接口的相互連接，實現(xiàn)在一臺控制器上設定工作狀態(tài)即可對若干臺控制器同時進行相同的設定，使管理效率大為提高。

(9)通過按鍵設置電路可以對所控制的負載啟動和關(guān)閉的具體時間進行直接設定，使用方便、節(jié)能。

6 實物圖

7 結(jié)束語

本文運用AVR單片機設計制作的太陽能光伏直流控制器，經(jīng)過實際運行，具有性價比高、效率高、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點，實現(xiàn)了多種工作狀態(tài)的控制和蓄電池能量管理。