基于Atmega48太阳能路灯控制器研究

    作为一种新兴的绿色能源，太阳能具有取之不尽、用之不竭、清洁安全的特点，是理想的可再生能源。而太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，被认为是目前最具发展潜力的一种发电技术。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机，减少环境污染和温室效应具有重要的意义。
    太阳能路灯就是典型的太阳能光伏发电应用产品之一，它是以太阳能作为电能供给，用来提供夜间道路照明。因为不需要消耗电网电能、不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不污染环境、安全可靠，因而在公共照明及亮化装饰领域有着广阔的前景。

1 太阳能路灯系统的结构
    太阳能路灯系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池组、灯具等部分组成。若需输出电源为交流220 V或110 V，还需要配置逆变器。太阳能路灯系统结构如图1所示。

    太阳能路灯系统是利用太阳能电池的光生伏特效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生一定的电动势，通过控制器对蓄电池进行充电，将光能转换为电能贮存起来，蓄电池充电到一定程度时，控制器内的自动保护系统动作，切断充电电源。到夜晚或路灯周围光照度较低时，蓄电池通过控制器给照明灯供电。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。控制器控制着蓄电池的供电，到设定的时间后切断，保证蓄电池的正常使用。整个系统还具有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，保证系统设备的安全。
    在太阳能路灯系统中，太阳能控制器是整个路灯系统中的核心部件，它控制着整个系统使其合理稳定地运行，它的性能在一定程度上决定了整个路灯系统的性能好坏。控制器的主要功能对蓄电池的充放电进行控制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿功能。

2 太阳能路灯控制器整体设计方案
    太阳能路灯控制器采用一键式轻触开关，来完成所有操作及设置。要求控制器具有短路、过载、独特的防反接保护，充满、过放自动关断、恢复等全功能保护措施，详细的充电指示、蓄电池状态、负载及各种故障指示。控制器需要通过单片机对蓄电池的电压、放电电流、环境温度等涉及蓄电池容量的参数进行采样，采用高效PWM蓄电池的充电模式，保证蓄电池工作在最佳的状态，从而延长蓄电池的使用寿命。
    太阳能路灯控制器结构框图如图2所示，该控制器以单片机作为核心，外接晶振电路、太阳能电池电压采集电路、蓄电池电压采集电路、充放电控制电路、过压过流保护电路、温度检测电路、数码管显示电路、功能指示电路等组成。

    太阳能电池电压采样模块完成太阳电池电压的采样；蓄电池电压采样模块完成蓄电池电压的采样；输出驱动模块提供POWER MOSFET的驱动电压以及保护技术；数码管显示模块完成数码管显示功能，确定系统输出的状态；晶振电路模块提供单片机的时钟频率；温度检测模块主要由电阻传感器来实现；功能指示电路用发光二极管指示当前的功能。

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3 控制器硬件电路设计
3．1 单片机控制模块
    Atmega48是基于AVR RISC、高性能、低功耗的8位AVR微处理器，片内含256B的可反复擦写的只读程序内存(PEROM)，512B的静态存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，但由于其采用了小引脚封装，所以其价格仅与低档单片机相当。而工作电压可以低至1．8 V，极低功耗，在正常模式、1 MHz、1．8 V的条件下电流仅为300 μA，而且内置10位ADC，其参考电压1．1 V。单片机控制电路如图3所示。

    根据图3所示，PD6接J6键，该键用于设置状态的识别及参数设置，当PD6=1时，若按键按下则单片机进行参数设置，并根据程序流程，分别实现不同功能。若PD6=0或PD6=1且无按键按下时则不进行参设设置和功能调节。
    按键的功能：按下开关设置按钮持续5s，模式(MODE)显示数字LED闪烁，松开按钮，每按一次转换一个数字，等到LED数字不闪烁即完成设置。每按一次按钮，LED数字点亮，可观察到设置的值。根据设定值，控制器的工作模式见表1，具体如下：
    纯光控模式(0)：当没有阳光时，光强降到启动点，控制器延时10 min确认启动信号后，开通负载，负载开始工作；当有阳光时，光强升到启动点，控制器延时10 min确认关闭输出信号后关闭输出，负载停止工作。
    光控+延时方式(1～5)：当负载工作到设定的时间就关闭负载，时间设定见下表。

    通用控制器方式(6)：此方式仅取消光控、时控功能、输出延时以及相关的功能，保留其他所有功能，作为一般的通用控制器使用(即通过按键控制负载的输出或关闭)。
    调试方式(7)：用于系统调试使用，与纯光控模式相同，只取消了判断光信号控制输出的10 min延时，保留其它所有功能。无光信号即接通负载，有光信号即关断负载，方便安装调试时检查系统安装的正确性。
    输出模式说明：当停止LED显示时，所设置的模式自动存入MCU的内部E方ROM，断电也不会丢失。
3．2 太阳能电池板的电压检测电路
    太阳能电池电压采集用于太阳能电池工作电压的识别，利用单片机的PWM功能，对太阳能电池板进行充电管理。太阳能电池板电压采集，用于太阳光线强弱的判断，因而可以作为白天、黄昏的识别信号，同时支持太阳能板反接、反充保护。太阳能电池板的正极(P+)经过R6、R8的分压后，把电压送到单片机的PCI的端口，由Atmega48单片机的A／D转换模块的将采集到的电压信号转换为数字信号，如图4所示。
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    在图中，D4起到保护作用，保证UPCI的电压不低于0．7 V。电容C8是用来防止干扰信息。

3．3 蓄电池的电压采集电路
    蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别，利用单片机的PWM功能，对蓄电池进行开路保护和过充保护。蓄电池的正极(B+)经过R36、R7、R9的分压后，把电压送到单片机的ADC7的端口，如图5所示。在图中，D5起到保护作用，保证UADC7的电压不低于0．7 V。电容C17是用来防止干扰信息。

3．4 充放电控制电路
    充放电控制电路如图6所示。蓄电池电压在正常情况下，由单片机控制的充电驱动MOS管Q1为高电平，处于截止状态，三极管Q3导通，这时PWM占空比为零，太阳能电池板向蓄电池恒流充电；当蓄电池电压达到13．6 V时，Q1为高电平时，Q3导通，Q1截止，通过控制占空比，使Q1实现通断控制，此时处于恒压浮充状态；当电流下降到某一设定的值时，进行恒流充电；但蓄电池电压达到设定的过充点14．4 V时，再进行恒压涓流充电；涓流小到某一值，单片机控制的充电驱动Q1进行短路保护；当蓄电池电压下降到某设定值时，Q3重新导通，Q1截止，恢复为正常充电状态。当蓄电池电压低于设定的过放点时，放电驱动管Q2为高电平，Q4导通，Q2截止，此时负载无输出；当蓄电池电压达到12．6 V时，单片机控制的放电驱动T2为低电平，Q4截止，MOS管Q2导通，此时恢复对负载供电。

3．5 输出电流采样及温度检测电路
    输出电流采样电路采用一个小电阻来检测电流，通过运算放大器放大，经A／D转换后输入单片机中，就可以计算出电流I的大小。
    蓄电池的容量是随温度的变化而变化的，温度降低，蓄电池的容量就减小；温度升高，蓄电池的容量将增大。如果充电电流维持不变，相应的充电倍率将不变，不同的充电倍率对应着不同的过充点，因此要采用温度补偿对蓄电池进行保护。单片机通过采样温度参数，实时检测当前温度，进行温度补偿。本设计中温度的检测采用负温度系数的热敏电阻进行，负温度系数的热敏电阻随温度的增长，电阻值变小。

4 控制器软件设计
    控制器软件采用模块化设计，其主程序流程图如图7所示。太阳能路灯控制器接电源后，首先进行系统初始化，根据太阳能电池板的电压来判断白天还是黑夜，并执行相应的操作；接着对太阳能电池的电压和蓄电池的电压进行各种条件的判断并执行相应的操作；当各种条件判断完毕后，程序回到初始判断，进而开始新一轮的程序运行。

5 结束语
    文中设计的太阳能路灯控制器已研发成功，测试证明：该控制器具有良好的启动性能，蓄电池的充电过程能够达到预期的要求，当蓄电池电压过低时，能够自动启动开关管，断开放电回路实现了蓄电池的过放保护，而且可以针对不同的蓄电池设定参数，进行温度补偿。由于采用Atmega48单片机作为主控芯片，功耗小、电路设计简单、故障率低，具有较高的性价比，而且调试方便，适宜批量生产。