基于PIC16F877A的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)照明系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì) 2011-05-13 10:13:37來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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利用太陽(yáng)能照明是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的一個(gè)主要用途，然而，由于太陽(yáng)能輻射的不連續(xù)性和間歇性，以及目前單純太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的投資和成本較高、部分技術(shù)不夠成熟等原因，太陽(yáng)能照明系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)在連續(xù)陰雨天時(shí)，由于蓄電池電壓不足而導(dǎo)致負(fù)載不能點(diǎn)亮的情況。將太陽(yáng)能與市電組成雙電源互補(bǔ)供電照明系統(tǒng)，不僅可以有效解決太陽(yáng)能利用不穩(wěn)定的問(wèn)題，還可以適當(dāng)減小太陽(yáng)能電池和蓄電池的容量，降低開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能技術(shù)的成本，同時(shí)滿足系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求[1-2]。
1 控制器的主要功能及組成
　本文所設(shè)計(jì)的控制器供街道和住宅小區(qū)夜間利用太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)照明系統(tǒng)使用，根據(jù)照明實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)控制器具有如下功能：
　(1)支持12 V直流系統(tǒng)工作電壓；
　(2)支持最大至4 A的充放電電流；
　(3)支持直流、脈沖兩種充電方式；
　(4)具有深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能；
　(5)蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)切換到市電電源供電；
　(6)能檢測(cè)太陽(yáng)能電池的電壓，自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式；
　(7)能檢測(cè)蓄電池的電壓，對(duì)蓄電池的充、放電過(guò)程進(jìn)行控制；
　(8) 具有防反充電保護(hù)、過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)和負(fù)載短路保護(hù)功能；
　(9)具有電子時(shí)鐘和計(jì)時(shí)功能。
　圖1所示為以PIC16F877A為核心的控制器外圍電路示意圖[3]。主要由PIC單片機(jī)（內(nèi)部含A/D）、時(shí)鐘電路、電壓采樣電路、開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘控制和數(shù)碼管顯示電路組成。單片機(jī)PIC16F877A是控制器的核心，外圍電路包括開(kāi)關(guān)控制電路（C1～C3）、數(shù)碼管顯示及驅(qū)動(dòng)（A～G/Dig_EN1~Dig_EN6）電路、工作狀態(tài)顯示等。

2 主要電路設(shè)計(jì)及器件選型
2.1 PIC16F877A
單片機(jī)是控制器的核心，系統(tǒng)工作時(shí)需要采集太陽(yáng)能電池和蓄電池的電壓。太陽(yáng)能電池的輸出電壓受溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等外界因素影響較大，這就要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較高，即要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度快。故設(shè)計(jì)中選用了內(nèi)部含有A/D模塊、具有14位指令寬度的中檔PIC單片機(jī)16F877A，屬PIC中級(jí)產(chǎn)品，在保持低價(jià)格的前提下具有很高的性能。
　本文設(shè)計(jì)的控制器主要用到PIC16F877A的如下一些資源：
(1)16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1 KB片內(nèi)SRAM，10 000次擦寫(xiě)壽命。程序存儲(chǔ)空間足夠大，不需要額外擴(kuò)展存儲(chǔ)器；10 000次的擦寫(xiě)壽命方便進(jìn)行程序調(diào)試；
　(2) 2個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。用于按鍵去抖和計(jì)時(shí)；
　(3) 1個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。用作調(diào)節(jié)PWM控制信號(hào)的占空比，控制充電開(kāi)關(guān)；
　(4) 8路10位ADC。使用其中的2路ADC通道分別對(duì)太陽(yáng)能電池工作電壓、蓄電池工作電壓采樣；
　(5) 使用2個(gè)中斷源，外部中斷和定時(shí)器中斷，分別用于計(jì)時(shí)和按鍵；
　(6) 可編程I/O口。部分I/O口使用其第二功能，其他用于控制器系統(tǒng)功能擴(kuò)展。
2.2 電壓采樣電路
　控制器需要采集2路電壓信號(hào)，分別是太陽(yáng)能電池輸出電壓和蓄電池端電壓，這兩路信號(hào)均為變化的直流模擬信號(hào)，采樣信號(hào)應(yīng)能如實(shí)地反映檢測(cè)量。設(shè)計(jì)中利用精度為0.1%的精密電阻組成簡(jiǎn)單的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端并聯(lián)漏電流很小的精密電容和電感進(jìn)行 濾波，以減小電流泄漏對(duì)測(cè)量精度的影響[4]。采樣電路如圖2所示。

2.3 控制開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路
控制器的主要控制對(duì)象是3個(gè)控制開(kāi)關(guān)C1～C3。分別是蓄電池的充電開(kāi)關(guān)、蓄電池放電（供電）開(kāi)關(guān)和市電供電開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)的狀態(tài)由單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制：白天太陽(yáng)能電池向蓄電池充電，開(kāi)關(guān)C1閉合，太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)蓄電池電壓出現(xiàn)過(guò)充時(shí)，控制器斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)C1；晚上主要由蓄電池向負(fù)載供電，開(kāi)關(guān)C2閉合，當(dāng)蓄電池電壓不足（欠壓）時(shí)，蓄電池供電開(kāi)關(guān)C2斷開(kāi)，控制器自動(dòng)切換為市電給負(fù)載供電（C3閉合）。圖3、圖4和圖5分別為蓄電池充電、放電和市電供電時(shí)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路。