基于AVR单片机的太阳能光伏直流控制器

0 前言

当今世界能源短缺以及环境污染问题日益严重，这些问题迫使人们寻找和使用新的代替能源。随着电子技术、太阳能电池板生产技术的提高，使得太阳能的利用越来越普遍。太阳能具有无地域限制的特点，而我国很多地方仍然处于缺电状态，特别是一些边远地区、旅游景区，由于非常分散，依靠电网供电难度大、成本高，因而选择太阳能供电十分必要，而在太阳能发电系统中，控制器是十分关键的部件之一。

目前市面上一些太阳能控制器提高效率的手段仅仅局限在单一物理量算法研究(比如只对电压、电流的跟踪)，效率的提高是很有限的。我们经过多次实际考察与测量，发现发电效率较高的产品往往价格昂贵，且适应性差，一般都用于固定场合，如大型太阳能发电站等;一些低价的控制器为了降低成本，内部保护措施简陋，操作界面一般都采用数码管、LED等，用户操作以及设置都非常麻烦。本文利用AVR单片机设计制作了一种太阳能光伏直流控制器，在降低成本的基础上让控制器提高太阳能使用效率、多任务适应能力，解决了高精度采集太阳能电池板输出电流、电压数据的技术问题。

1 系统方框图

2 主要硬件电路

本太阳能光伏直流控制器的硬件电路包括前置保护电路、滤波储能电路、太阳能电池板电流电压采样电路、AVR单片机控制器、功率调整管、蓄电池电流电压采样电路、液晶显示器12864、后置保护电路、各种接口(光电池接口、蓄电池接口、负载接口和USB接口)。

(1)前置保护电路。主要包括防高压输入电路、防用户人员接线反接电路、带自恢复的过电流器件。

(2)滤波电路。主要克服PWM在关断状态下，光能输出的浪费。

(3)光电池电流电压采样电路。电流采用的是霍尔电流芯片，它的精度以及隔离性都比分立元件高很多。电压采用的是电阻分压原理，在AD采集时，实际发现带有干扰，后来用软件均值滤波克服了硬件弊端，节约了硬件成本。

(4)液晶显示。选用LCD的型号是12864，可显示中文。

(5)功率调整管。使用80A驱动能力CMOS场效应管。

(6)单片机控制器。使用的AVR单片机是近年来在MCU市场应用较为广泛的芯片，它的高速度、低功耗、内部自带的一些硬件设备，体现出它的优越性。

(7)后置保护电路。后置保护电路主要用来对负载过电流，以及蓄电池过放电进行一个检测，即保护蓄电池不让它过放电。当它电压过低的时候需要断开给负载的供电回路，另外蓄电池长时间需要一次激活，用单片机时钟计时就可以做到了，当负载短路，可通过单片机去检测，保护蓄电池。

3 工作原理

本系统以ATMEL公司研发的AVR系列AFMEGA16L单片机作为控制器，应用了目前普遍认可、较为成熟的”电压扰动法”技术，采用具有高效率的最大功率跟踪点算法(MPPT)，通过传感器采集太阳能光伏发电板输出电压以及输出电流，经过10位A/D转换后，计算当前功率，并与前一次功率进行比较，发现功率变化，实时调节控制PWM占空比，改变太阳能光伏电池板所接负载的阻抗，使得电池板输出阻抗与负载阻抗相等，达到阻抗匹配，实现最大输出功率。本系统具有微处理控制器脉宽调制(PWM)充电、温度传感器补偿电池充电、带自恢复过载保护(如发生短路，以及人为操作引起的过电流，系统会自动关闭电源输出，液晶提示存在”过电流故障请检查!”待故障排除可正常运行，不损坏电路器件)、过充保护、短路保护(带自恢复)、雷电保护、反向放电保护、极性反接保护(带自恢复)、欠压保护(遇到阴雨天，太阳光线不足的情况下，当系统检测到太阳能电池输出电压过低后，会断开充电回路，并在液晶上提示“光电池输出过低!”)。本系统互联控制管理方便，能通过按键任意设定负载工作时间，增加了USB接口，使用具有中文显示工作状态的液晶显示屏，操作简便，直观明了。

4 软件流程图

5 创新点

(1)通过霍尔电流采集模块和电压分压模块实现了数据的高精度采集，具有抗干扰性和隔离性好的特点。

(2)通过前置保护电路，有效地防止高压输入，以及防止用户反接电路。

(3)通过滤波储能电路实现了在功率调整管关断时的光能存储。

(4)通过蓄电池电流电压采集电路、后置保护电路实现了防止出现负载短路或蓄电池电压过低的现象。

(5)使用高性价比、低功耗的AVR16位单片机代替传统的51单片机，最大功率点跟踪技术采用软件处理方法中的“电压扰动法”。

(6)采用液晶显示器12864对本太阳能光伏直流控制器的电流、电压、功率直观显示，方便操作，减少误操作事故发生。

(7)通过设置USB接口电路，使现有技术中的光伏直流控制器的应用范围得到了拓宽。

(8)通过利用其自扩展接口的相互连接，实现在一台控制器上设定工作状态即可对若干台控制器同时进行相同的设定，使管理效率大为提高。

(9)通过按键设置电路可以对所控制的负载启动和关闭的具体时间进行直接设定，使用方便、节能。

6 实物图

7 结束语

本文运用AVR单片机设计制作的太阳能光伏直流控制器，经过实际运行，具有性价比高、效率高、可靠性高、稳定性好等特点，实现了多种工作状态的控制和蓄电池能量管理。