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本文介紹基于單片機(jī)的太陽能路燈控制器的設(shè)計(jì),對12 V和24 V蓄電池可自動(dòng)識別，可實(shí)現(xiàn)對蓄電池的科學(xué)管理，指示蓄電池過壓、欠壓等運(yùn)行狀態(tài)，具有兩路負(fù)載輸出，每路負(fù)載額定電流可達(dá)5 A,兩路負(fù)載可以隨意設(shè)置為同時(shí)點(diǎn)亮、分時(shí)點(diǎn)亮以及單獨(dú)定時(shí)等工作模式,同時(shí)具有負(fù)載過流、短路保護(hù)功能；具有較高的自動(dòng)化和智能化水平。

2硬件電路組成及工作原理
2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
太陽能路燈智能控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)以STCl2C5410AD單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽光線強(qiáng)弱的識別以及蓄電池電壓的獲取。單片機(jī)的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式等參數(shù)的設(shè)置。

2.2 STCl2C5410AD單片機(jī)
STCl2C5410AD是STCl2系列單片機(jī)，采用RISC型CPU內(nèi)核，兼容普通8051指令集，片內(nèi)含有10 KB Flash程序存儲器，2 KB Flash數(shù)據(jù)存儲器，512 B RAM數(shù)據(jù)存儲器。同時(shí)內(nèi)部還有看門狗(WDT)；片內(nèi)集成MAX810專用復(fù)位電路、8通道10位ADC以及4通道：PWM；具有可編程的8級中斷源4種優(yōu)先級，具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)，片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STCl2C5410AD對系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度,實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等。為充分使用片內(nèi)資源，本文所設(shè)置的參數(shù)寫入Flash數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。 2.3鍵盤電路
P3.4(TO)接F1鍵，用于設(shè)置狀態(tài)的識別及參數(shù)設(shè)置；P3.5(T1)接F2鍵，用于自檢及"加1"功能，根據(jù)程序流程，分別實(shí)現(xiàn)不同功能。
2.4電壓采集與電池管理
太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強(qiáng)弱的判斷，因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護(hù)。
蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM功能對蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽能電池正常充電時(shí)蓄電池開路。控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時(shí)蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會(huì)有任何動(dòng)作。當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓(15 V)時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對蓄電池的充電；此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓(13.2V)時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓(13.2 V)后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓(11 V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路(智能三階段充電)，可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過充、過放。
2.5負(fù)載輸出控制與檢測電路
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，每路輸出均有獨(dú)立的控制和檢測，具有完善的過流、短路保護(hù)措施,電路原理如圖2所示。設(shè)計(jì)了兩級保護(hù)：第一級采用了由R7(0.01 Ω康銅絲)以及運(yùn)放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路，配合單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載過流及短路保護(hù)，是一種硬件 軟件的方式，LM358的輸出送PL.7(A/D轉(zhuǎn)換)口，用作過流信號識別，當(dāng)電流超過額定電流20％并維持30 s以上時(shí)，確認(rèn)為過流；短路電流整定為10 A，響應(yīng)時(shí)間為毫秒數(shù)量級。第二級采用了電子保險(xiǎn)絲保護(hù)，當(dāng)流經(jīng)電子保險(xiǎn)絲的電流驟然增加時(shí)，溫度隨之上升。其電阻大大增加，工作電流大大降低，達(dá)到保護(hù)電路目的，響應(yīng)時(shí)間為秒數(shù)量級，過流撤消或短路恢復(fù)后電子保險(xiǎn)絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體，無須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級保護(hù)措施后，在長達(dá)數(shù)小時(shí)的負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)后，控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲只能對電路進(jìn)行一次性保護(hù)以及一旦器件燒毀必須人為更換的問題，同短路后需手動(dòng)復(fù)位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比，也具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。簡化了太陽能路燈控制器維護(hù)，提高了系統(tǒng)的安全性能。
2.6硬件設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)
(1)感應(yīng)雷保護(hù)電路應(yīng)設(shè)計(jì)在太陽能電池板引線入口處，保護(hù)電路周圍4 mm內(nèi)不能布置其他器件。
(2)防止太陽能電池板反接的二極管必須采用快恢復(fù)二極管，這種二極管導(dǎo)通內(nèi)阻小，充電時(shí)發(fā)熱量小，不用散熱器也可以連續(xù)充電，充電效果好。
(3)充電、負(fù)載放電電路的印刷線路寬度至少為4 mm～5 mm，線路上用搪錫處理以增加過電流能力，大電流導(dǎo)線從一層過渡到另一層時(shí)，要放置3～5個(gè)過孔。
(4)過流、短路保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個(gè)因素。電阻增大則電路效率下降，本系統(tǒng)選用電阻為0.01 Ω，過電流能力在10 A以上的康銅絲作為電流取樣電阻，來產(chǎn)生取樣電壓，取樣電壓最多不超過0.2 V，故采用運(yùn)放LM358對其進(jìn)行放大。
(5)器件的布局和PCB的布線采用模塊化方式，大電流信號與小電流信號要分離，對放大電路的線路尤其要精心布置。數(shù)字地和模擬地分開，注意電源線和地線的布局。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
與本設(shè)計(jì)方案的硬件電路對應(yīng)的軟件程序包括：主程序、定時(shí)中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負(fù)載管理子程序。單片機(jī)的軟件編程以Keil C編譯器的Windows集成開發(fā)環(huán)境μvision2作為開發(fā)平臺，采用C51高級語言編寫。
3.1軟件編程要點(diǎn)
(1)本系統(tǒng)采用較少的按鍵實(shí)現(xiàn)了諸多功能，如負(fù)載工作模式的設(shè)置、雙燈同時(shí)工作還是分時(shí)工作、負(fù)載工作時(shí)間的設(shè)定、自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實(shí)際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復(fù)雜的人機(jī)對話的設(shè)計(jì)。其思路可參見按鍵處理流程圖。
(2)鍵盤在定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取，用中斷間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤的去抖，不必編寫另外的延時(shí)程序，提高了CPU的利用效率。鍵盤值存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容，執(zhí)行鍵盤功能散轉(zhuǎn)子程序。
(3)環(huán)境光線(閃電、禮花燃放)對太陽能電池板的采樣電壓有明顯影響，故在白天、黃昏的識別時(shí)。要進(jìn)行軟件延時(shí)，一般控制在2～3 min。
(4)外部中斷為高優(yōu)先級中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過流、短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮到負(fù)載啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流．沖擊電流維持時(shí)間在3ms～5 ms，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路與負(fù)載開啟的誤判。確定負(fù)載過流、短路后，切斷負(fù)載輸出。負(fù)載切斷后，每隔一段時(shí)間，如20 s，應(yīng)試接通負(fù)載開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號已消除，則恢復(fù)負(fù)載的輸出。否則負(fù)載開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。(5)為保護(hù)負(fù)載(燈具)，蓄電池過放保護(hù)恢復(fù)時(shí)應(yīng)用軟件設(shè)置一個(gè)回差電壓，這樣負(fù)載開關(guān)不會(huì)出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，有利于延長燈具的使用壽命。 (6)根據(jù)STC12C5410AD的Data Flash的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入時(shí)必須啟動(dòng)ISP/IAP命令，CPU等待IAP動(dòng)作定時(shí)后，才繼續(xù)執(zhí)行程序，要先關(guān)斷中斷(EA)。還應(yīng)注意數(shù)據(jù)寫入Data Flash存儲器，不能跨越扇區(qū)。
3.2單片機(jī)軟件編程
4 結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的太陽能路燈控制器可適用12 V或24 V工作的光伏系統(tǒng)，可以直接驅(qū)動(dòng)直流節(jié)能燈或通過逆變器驅(qū)動(dòng)無極燈等作為照明光源，也可以驅(qū)動(dòng)一些直流低壓負(fù)載用于城市亮化。控制器的兩路負(fù)載輸出可以用于機(jī)動(dòng)車道和人行道的照明。照明時(shí)間和工作模式可以靈活設(shè)置。著重解決了如何對蓄電池及負(fù)載進(jìn)行有效管理的問題。提高了太陽能電池板的使用效率，延長了蓄電池的使用壽命，防止因線路問題而造成意外事件的發(fā)生。本文所設(shè)計(jì)的控制器已在江蘇S238省道得到應(yīng)用，具有設(shè)計(jì)可靠、成本低廉的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。