CN101026313A - 多功能智能型太阳能灯控制器 - Google Patents
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Abstract
一种多功能智能型太阳能灯控制器，由太阳电池阵列、第一组检测电阻电路、过充保护电路、DC－DC变换电路、第二组检测电阻电路、蓄电池、过放和短路保护电路和负载依次连接；第一路电压电流检测电路的输入连接第一组检测电阻电路，输出连接单片机系统；第二路电压电流检测电路的输入与第二组检测电阻电路相连，输出连接单片机系统；单片机系统通过输出PWM波对DC－DC变换电路进行控制，单片机系统通过输出控制信号控制过充保护电路以及过放和短路保护电路；单片机系统还连接有串口通讯模块、按键和液晶显示模块。本发明能实现太阳能电池板的最大功率跟踪，提高光伏系统的工作效率，降低系统成本；延长蓄电池的寿命；通过以太网实现远程控制，便于规模网络化管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电技术领域的太阳能灯控制器。特别是涉及一种可实现太阳能电池板的最大功率跟踪，明显提高光伏系统的工作效率，降低系统成本；更好地保护蓄电池，延长蓄电池的寿命；通过以太网与外界通讯具有远程控制功能，便于规模网络化管理；设定后不需人力介入的多功能智能型太阳能灯控制器。
背景技术
太阳能是一种清洁的可再生能源，是取之不尽的能源资源。太阳电池可以直接将太阳能转换为电能，不对环境产生任何污染。近年来随着光伏技术的飞速发展，太阳能在照明灯具上的应用日益扩大，近几年来，太阳能灯具产品由于安全、节能、方便、环保等多重优势，应用已经逐渐形成规模。
太阳能灯控制器是太阳能照明系统中重要的部件之一，控制器的优劣不但决定蓄电池的使用寿命，而且还直接影响光伏系统的电力输出。独立光伏系统中一般是根据储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压，而对蓄电池的充放电控制，则是通过监控蓄电池的电压实现。控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出，但太阳电池的最大功率点是变化的，当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时，就会浪费一部分能源。因此，为了有效利用太阳能，就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出；同时将蓄电池充电电压限制在一定的范围，以保证蓄电池有稳定的电压。对于太阳能灯具的设计来说，成功的控制电路设计不但能增加灯具的工作稳定性，更能延长蓄电池和灯具寿命，降低系统成本。另外，随着太阳能灯在路灯、街灯、装饰照明等方面越来越大规模化的应用，必须将各自独立的太阳能灯的参数统一，使其动作一致，便于实时地检测维护和控制，因此控制器的设计是关键。
目前市场上的小型太阳能灯控制器产品质量和功能很不完善，不利于太阳能的推广。国内的小型太阳能灯控制器中均未发现有本发明专利的最大功率跟踪技术和远程控制技术。大多采用恒压法来控制整个充电过程，虽然在一定程度上简化了控制器的结构，但这样对太阳能电池的利用率大大降低，不利于太阳能产业的研究和发展。另外，目前的小型控制器大多数对蓄电池的保护不充分，只是一些简单的过充和过放保护，而没有考虑到蓄电池本身的充电特性，这样极大的损害蓄电池的寿命，使整个系统的可靠性下降。同时控制器的功能不完善，只是实现一个电能转化功能，对负载(如LED灯)的控制功能不能适应多方面的需要。本发明专利实现太阳能电池板的最大功率跟踪，能明显提高光伏系统的工作效率，降低系统成本；更好地保护蓄电池，延长蓄电池的寿命；本发明专利通过以太网与外界通讯以实现远程控制，便于规模网络化管理。有光照和定时两种模式，一旦设定便不需人力介入，为未来智能小区的发展完成照明系统的硬件设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种控制器操作简单、能明显提高光伏系统的工作效率、降低系统成本、实现远程控制、便于规模网络化管理的多功能智能型太阳能灯控制器。
本发明所采用的技术方案是：一种多功能智能型太阳能灯控制器，包括有太阳电池阵列和蓄电池，还设置有DC-DC变换电路、两路电压电流检测电路、单片机系统、两组检测电阻电路、过充保护电路以及过放和短路保护电路，其中，太阳电池阵列、第一组检测电阻电路、过充保护电路、DC-DC变换电路、第二组检测电阻电路、蓄电池、过放和短路保护电路和负载依次连接；第一路电压电流检测电路的输入连接第一组检测电阻电路，输出连接单片机系统；第二路电压电流检测电路的输入与第二组检测电阻电路相连，输出连接单片机系统；单片机系统通过输出PWM波对DC-DC变换电路进行控制，单片机系统通过输出控制信号控制过充保护电路以及过放和短路保护电路；单片机系统还连接有串口通讯模块、按键和液晶显示模块。
所述的两路电压电流检测电路是由双运算放大器U1和电流检测芯片U4和U5构成，其中，双运算放大器U1的左侧运算放大器OUT1与电流检测芯片U4组成一路用于检测太阳电池的输出电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的右侧运算放大器OUT2与电流检测芯片U5组成一路用于检测蓄电池的充电电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的脚3通过电阻R7的一端V1、脚5通过电阻R11的一端V3、电流检测芯片U4的脚1和脚8、电流检测芯片U5的脚1和脚8分别连接两组检测电阻电路；双运算放大器U1的脚1和脚2通过电阻R9的一端out1、脚6和脚7通过电阻R10的一端out3、电流检测芯片U4的脚5通过电阻R14的一端ios、电流检测芯片U5的脚5通过电阻R15的一端ioc与单片机系统中的芯片U3的四个管脚即脚2和脚3、脚7和脚8相连。
所述的DC-DC变换电路采用SEPIC电路结构，包括有变压器T1；相并联的两个MOS管Q20和Q21，其中，并联后的一端与变压器T1相连，另一端通过电阻R11分别接芯片U6的脚7和脚5；芯片U6的脚2和脚4接单片机系统中的芯片U3的脚17。
所述的过充保护电路包括有继电器K1，继电器K1的脚5接检测电阻电路，继电器K1的脚4通过发光二极管大2和电阻R2接地，脚3接DC-DC变换电路中的变压器T1的输入端，脚1接4V电压并还通过二极管D1与脚2一起接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极通过电阻R10接单片机系统中的芯片U3的脚9，发射极接地。
所述的过放和短路保护电路包括有继电器K2，继电器K2的脚5通过保险丝F1接两个并联二极管D3的一端，两个并联二极管D3的另一端接DC-DC变换电路中的变压器T1的输出端，继电器K2的脚4接负载，脚1接4V电压并还通过二极管D4与脚2一起接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极通过电阻R13接单片机系统中的芯片U3的脚10，发射极接地。
所述的串口通讯模块包括有芯片U7和串口J8，其中，芯片U7的脚11和脚12对应接单片机系统中的芯片U3的脚25和脚26，芯片U7的脚13和脚14对应接串口J8的脚3和脚2，串口J8的脚7和脚8接做为上位机的PC机。
所述的按键包括有跳线J10、按键S5、S6、S7、接口R19，其中，接口R19的脚7、脚8和脚9对应连接单片机系统中的芯片U3的脚35、脚34和脚33，接口R19的脚2、脚3和脚4对应连接按键S5、S6、S7，接 R19的脚5接跳线J10的脚1。
所述的液晶显示模块为可拆卸的液晶显示模块J5，其J5的脚4～脚14对应连接单片机系统中的芯片U3的脚35、脚34、脚33、脚19、脚20、脚21、脚22、脚27、脚28、脚29、脚30。
本发明的多功能智能型太阳能灯控制器，能实现太阳能电池板的最大功率跟踪，能明显提高光伏系统的工作效率，降低系统成本；更好地保护蓄电池，延长蓄电池的寿命；控制器操作简单，有光照和定时两种模式，一旦设定便不需人力介入。本发明专利的智能型太阳能灯控制器，可以自动通过采样电压值来判断日照情况，决定是否开启或关闭负载(LED灯)；用户还可以通过按键根据自己的需要来任意设置负载开启和关闭的时间；规模化应用时可通过以太网与外界通讯以实现远程控制，便于集中网络化管理。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是电压电流检测电路的电路原理图；
图3是单片机系统的电路原理图；
图4是DC-DC变换电路的电路原理图；
图5是串口通讯模块的电路原理图；
图6是按键模块的电路原理图；
图7是液晶显示模块的电路原理图；
图8是过充保护电路的电路原理图；
图9是过放和短路保护电路的电路原理图；
图10是蓄电池、太阳电池阵列和检测电阻电路的电路原理图；
图11是系统供电模块电路原理图。
其中：
1：太阳电池阵列 2：过充保护电路
3：DC-DC变换电路(SEPIC拓扑) 4：蓄电池
5：过放和短路保护电路 6：负载
7：电压电流检测电路 8：单片机系统
9：按键模块 10：串口通讯模块
11：液晶显示模块 12：检测电阻电路
具体实施方式
下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的多功能智能型太阳能灯控制器。
如图1所示，本发明的多功能智能型太阳能灯控制器，包括有太阳电池阵列1和蓄电池4，DC-DC变换电路3、两路电压电流检测电路7、单片机系统8、两组检测电阻电路12、过充保护电路2以及过放和短路保护电路5，其中，太阳电池阵列1、第一组检测电阻电路12、过充保护电路2、DC-DC变换电路3、第二组检测电阻电路12、蓄电池4、过放和短路保护电路5和负载6依次连接；第一路电压电流检测电路7的输入连接第一组检测电阻电路12，输出连接单片机系统8；第二路电压电流检测电路7的输入与第二组检测电阻电路12相连，输出连接单片机系统8；单片机系统8通过输出PWM波对DC-DC变换电路3进行控制，单片机系统8通过输出控制信号控制过充保护电路2以及过放和短路保护电路5；单片机系统8还连接有串口通讯模块10、按键9和液晶显示模块11。
如图3所示，单片机系统8包括有芯片U3，型号为PIC16F877。
如图2所示，所述的两路电压电流检测电路7是由双运算放大器U1和电流检测芯片U4和U5构成，其中，双运算放大器U1的型号是LM358，电流检测芯片U4和U5的型号是LT6100。双运算放大器U1通过电阻分压分别检测太阳电池的输出电压和蓄电池的充电电压，电流检测芯片U4检测太阳电池输出电流，电流检测芯片U5检测蓄电池的电流。双运算放大器U1的左侧运算放大器OUT1与电流检测芯片U4组成一路用于检测太阳电池的输出电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的右侧运算放大器OUT2与电流检测芯片U5组成一路用于检测蓄电池的充电电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的脚3通过电阻R7的一端V1、脚5通过电阻R11的一端V3、电流检测芯片U4的脚1和脚8、电流检测芯片U5的脚1和脚8分别连接两组检测电阻电路12，也即v1、v2、v3、v4分别连接到两组检测电阻12中R2、R1的两端，如图10所示，电阻R2构成第一组检测电阻电路，电阻R1构成第二组检测电阻电路；测量结果为太阳电池的输出电压out1、蓄电池的充电电压out3、太阳电池的输出电流ios、蓄电池的充电电流ioc，即双运算放大器U1的脚1和脚2通过电阻R9的一端out1、脚6和脚7通过电阻R10的一端out3、电流检测芯片U4的脚5通过电阻R14的一端ios、电流检测芯片U5的脚5通过电阻R15的一端ioc与单片机系统8中的芯片U3的四个管脚即脚2和脚3、脚7和脚8相连，进行AD转换。
单片机系统8中的芯片U3根据检测到的电压电流值可以计算出当前的太阳电池的输出功率，蓄电池的充电功率。通过比较当前的太阳电池的输出功率与上次的功率，由最大功率跟踪和的算法来判断PWM波占空比的变化，由芯片U3的管脚CCP1输出一个PWM波至后面所说的DC-DC变换电路3中的芯片U6的INA和INB管脚，来控制中MOS管IRF740的导通和截止。通过蓄电池的充电电压和充电电流来判断蓄电池当前的工作状态，由工作状态决定PWM波占空比的变化。MOS管IRF740的导通和截止影响DC-DC变换电路的等效阻抗，从而一方面改变太阳电池的输出电压和输出电流，达到最大功率跟踪的目的，一方面改变蓄电池的输入电压和输入电流，达到三阶段充电的目的。
如图4所示，所述的DC-DC变换电路3采用SEPIC电路结构，包括有变压器T1；相并联的两个MOS管Q20和Q21，其中，并联后的一端与变压器T1相连，另一端通过电阻R11分别接芯片U6的脚7和脚5；芯片U6的脚2和脚4接单片机系统8中的芯片U3的脚17。芯片U6的型号是TC4427。
如图8所示，所述的过充保护电路2包括有继电器K1，继电器K1的脚5接检测电阻电路12，继电器K1的脚4通过发光二极管大2和电阻R2接地，脚3接DC-DC变换电路3中的变压器T1的输入端，脚1接4V电压并还通过二极管D1与脚2一起接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极通过电阻R10接单片机系统8中的芯片U3的脚9，发射极接地。
即，两路电压电流检测电路7中v3点的电压过高时，单片机系统8中的芯片U3会控制过充保护模块2中的继电器K1断开，达到防过充的目的，
如图9所示，所述的过放和短路保护电路5包括有继电器K2，继电器K2的脚5通过保险丝F1接两个并联二极管D3的一端，两个并联二极管D3的另一端接DC-DC变换电路3中的变压器T1的输出端，继电器K2的脚4接负载6，脚1接4V电压并还通过二极管D4与脚2一起接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极通过电阻R13接单片机系统8中的芯片U3的脚10，发射极接地。
即，当v3点的电压值过低时，单片机系统8中的芯片U3会控制过放和短路保护模块5中的继电器K2断开，达到防过放的目的。过放和短路保护模块5中二极管MBR3045防止蓄电池向太阳电池反充电，自恢复性保险丝F1防止负载电流过大或短路。
如图5所示，所述的串口通讯模块10包括有芯片U7和串口J8，其中，芯片U7的脚11和脚12对应接单片机系统8中的芯片U3的脚25和脚26，芯片U7的脚13和脚14对应接串口J8的脚3和脚2，串口J8的脚7和脚8接做为上位机的PC机，使得控制器能够与上位机进行串口通讯。
如图6所示，所述的按键9包括有跳线J10、按键S5、S6、S7、接口R19，其中，接口R19的脚7、脚8和脚9对应连接单片机系统8中的芯片U3的脚35、脚34和脚33，接口R19的脚2、脚3和脚4对应连接按键S5、S6、S7，接口R19的脚5接跳线J10的脚1。当跳线连接时，由光照控制负载的开启关闭，即检测电阻12中V1点电压低于某设定值，负载开启，否则负载断开；当跳线断开时，负载的开启由定时控制，按键S5、S6、S7可以设定当前时间、负载的开启时间和关闭时间。
如图7所示，所述的液晶显示模块11为可拆卸的液晶显示模块J5，其J5的脚4～脚14对应连接单片机系统8中的芯片U3的脚35、脚34、脚33、脚19、脚20、脚21、脚22、脚27、脚28、脚29、脚30。液晶显示模块11中的J5可以外接一个128*64液晶屏，便于用户观测太阳能灯控制器的工作状态，它可以显示当前时间、负载的开启关闭时间、控制器的功率和效率，PWM波的占空比等。
Claims (8)
1.一种多功能智能型太阳能灯控制器，包括有太阳电池阵列(1)和蓄电池(4)，其特征在于，还设置有DC-DC变换电路(3)、两路电压电流检测电路(7)、单片机系统(8)、两组检测电阻电路(12)、过充保护电路(2)以及过放和短路保护电路(5)，其中，太阳电池阵列(1)、第一组检测电阻电路(12)、过充保护电路(2)、DC-DC变换电路(3)、第二组检测电阻电路(12)、蓄电池(4)、过放和短路保护电路(5)和负载(6)依次连接；第一路电压电流检测电路(7)的输入连接第一组检测电阻电路(12)，输出连接单片机系统(8)；第二路电压电流检测电路(7)的输入与第二组检测电阻电路(12)相连，输出连接单片机系统(8)；单片机系统(8)通过输出PWM波对DC-DC变换电路(3)进行控制，单片机系统(8)通过输出控制信号控制过充保护电路(2)以及过放和短路保护电路(5)；单片机系统(8)还连接有串口通讯模块(10)、按键(9)和液晶显示模块(11)。
2.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的两路电压电流检测电路(7)是由双运算放大器U1和电流检测芯片U4和U5构成，其中，双运算放大器U1的左侧运算放大器OUT1与电流检测芯片U4组成一路用于检测太阳电池的输出电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的右侧运算放大器OUT2与电流检测芯片U5组成一路用于检测蓄电池的充电电压和电流的电压电流检测电路；双运算放大器U1的脚3通过电阻R7的一端V1、脚5通过电阻R11的一端V3、电流检测芯片U4的脚1和脚8、电流检测芯片U5的脚1和脚8分别连接两组检测电阻电路(12)；双运算放大器U1的脚1和脚2通过电阻R9的一端out1、脚6和脚7通过电阻R10的一端out3、电流检测芯片U4的脚5通过电阻R14的一端ios、电流检测芯片U5的脚5通过电阻R15的一端ioc与单片机系统(8)中的芯片U3的四个管脚即脚2和脚3、脚7和脚8相连。
3.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的DC-DC变换电路(3)采用SEPIC电路结构，包括有变压器T1；相并联的两个MOS管Q20和Q21，其中，两个MOS管并联后的一端与变压器T1相连，另一端通过电阻R11分别接芯片U6的脚7和脚5；芯片U6的脚2和脚4接单片机系统(8)中的芯片U3的脚17。
4.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的过充保护电路(2)包括有继电器K1，继电器K1的脚5接检测电阻电路(12)，继电器K1的脚4通过发光二极管大2和电阻R2接地，脚3接DC-DC变换电路(3)中的变压器T1的输入端，脚1接4V电压并还通过二极管D1与脚2一起接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极通过电阻R10接单片机系统(8)中的芯片U3的脚9，发射极接地。
5.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的过放和短路保护电路(5)包括有继电器K2，继电器K2的脚5通过保险丝F1接两个并联二极管D3的一端，两个并联二极管D3的另一端接DC-DC变换电路(3)中的变压器T1的输出端，继电器K2的脚4接负载(6)，脚1接4V电压并还通过二极管D4与脚2一起接三极管Q3的集电极，三极管Q3的基极通过电阻R13接单片机系统(8)中的芯片U3的脚10，发射极接地。
6.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的串口通讯模块(10)包括有芯片U7和串口J8，其中，芯片U7的脚11和脚12对应接单片机系统(8)中的芯片U3的脚25和脚26，芯片U7的脚13和脚14对应接串口J8的脚3和脚2，串口J8的脚7和脚8接做为上位机的PC机。
7.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的按键(9)包括有跳线J10、按键S5、S6、S7、接口R19，其中，接口R19的脚7、脚8和脚9对应连接单片机系统(8)中的芯片U3的脚35、脚34和脚33，接口R19的脚2、脚3和脚4对应连接按键S5、S6、S7，接口R19的脚5接跳线J10的脚1。
8.根据权利要求1所述的多功能智能型太阳能灯控制器，其特征在于，所述的液晶显示模块(11)为可拆卸的液晶显示模块J5，其J5的脚4～脚14对应连接单片机系统(8)中的芯片U3的脚35、脚34、脚33、脚19、脚20、脚21、脚22、脚27、脚28、脚29、脚30。
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