基于PIC18F6720的风光互补路灯控制器设计

摘要：为了配合独立风光互补路灯发电系统的控制，设计了一种新型智能控制器。微处理器芯片采用PIC18F6720。控制器功能主要由光控时空开关，蓄电池过冲过放保护，蓄电池深度放电保护、太阳能板夜间防反冲，负载状态检测，风机状态检测等功能组成。该控制器用于充电与用电管理，在稳定性和效率上都有所提高，并可长期免维护，应用前景十分广泛。

关键词：风光互补；PIC18F6720；充放电保护；

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

风光互补路灯控制系统作为无需与市电并网的独立供电系统，有效的利用了风能以与太阳能在时间上和地域上的互补性。系统通过风力发电机与太阳能电池板向蓄电池充电，在需要时供电给负载。普通路灯不仅消耗市电电能，线路铺设也要消耗大量线材，在这些线材上也要消耗大量电能。普通路灯输电电缆埋在地下，如果照明路线过长则需要设置升压系统。这样就给远离电源点的地区安装照明路灯带来重重阻碍。风光互补供电系统的路灯可以有效解决上述问题。它每一根灯杆都是独立供电不需要输电线路，无需挖开路面做埋管，不消耗市电电能并只需要很小的维护力度。很多发达国家目前正在大规模使用风光互补路灯，尤其在太阳照射强烈以及大风地区效果非常明显。该系统尽管初期投资较大，但具有可观的经济效益并且符合节能减排的理念，我国已经有部分城市开始大规模的推广。

二、风光互补路灯介绍

系统主要由太阳能电池板、风力发电机组、控制器、蓄电池、直流负载、等部分组成。该系统是集太阳能、风能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

太阳能电池板将太阳能转换为电能，对蓄电池进行充电，也可以直接对直流负载供电。

风力发电机将风能转化为机械能，风机带动发电机再将电能转换为电能。转换的电能通过控制器转换为直流电用蓄电池储存起来，需要时提供给负载或直接为负载供电。

蓄电池作为储能设备，为负载以及控制器供电。太阳能只在白天作用，而风能存在着不稳定性，所以蓄电池是必不可少的。同时蓄电池还具有维持电压稳定的功能。

照明灯具选用寿命较长、发光效率高的LED灯或节能灯，以提高系统效率。

系统设计因其应用环境的不同，其配置和设计也不同。系统中各设备的配比选区直接影响到系统的稳定性以及成本。参数参数主要有自然条件日照时间，年平均风速，照明设备功率，亮灯时间，阴雨天时间等。为了使系统能正常工作并在连续阴雨天时也能稳定供电，要做好各设备之间的配比。优化设计工作要同时优化系统的经济性能和技术性能。

图1风光互补路灯系统结构图

三、控制器设计

本风光互补发电系统是不与市电相连接的独立供电系统，需要全天候24小时供电。因此，在实际情况下蓄电池工作状态并不是充放电循环状态。

控制器采用PIC18系列单片机来进行控制。包括数据的采集，比较与处理，对驱动设备的控制，发电设备以及伏在设备的状态检测与控制。控制系统的设计包括硬件设计与软件设计。

控制器的硬件设备组成包括：风力发电机状态采集模块、太阳能电池板状态采集模块、负载状态采集模块、输出驱动模块、电路保险模块、通信模块等。

主电路的设计根据系统稳定性，经济成本以及防护等级等因素，采用MOSFECT驱动电路控制负载的开关，以及风机与太阳能板对蓄电池充电的状态。

检测电路主要功能是通过检测电阻上电压的变化，并将电压信号放大后送至单片机进行数据判断。检测电阻使用大功率的小阻值电阻，被测设备状态发生变化同时会引起该电阻上的电压发生变化。而检测电阻与放大器相连，电压信号通过放大器放大后传至单片机，与单片机设定的电压值进行比较从而检测蓄电池充电电压、蓄电池放电电压、太阳能板输出电压、风机输出电压、负载工作电压等。最终实现蓄电池过冲过放保护、光控、风机过充保护等功能。

图2风机状态采样控制电路

风能的变化很明显，具有很强不确定性，输出电压不稳定。当风力超过限定值的时候，输出功率过大会对电池及整个系统造成损坏。因风机的转速直接反映在输出的电压值上，所以通过检测电阻上的电压来判断风机的状态。检测电阻阻值很小，通过放大电路放大其上电压信号后由单片机采样，再由单片机进行处理后发送开关信号给驱动电路从而控制继电器的闭合来控制风机状态。

采用两块75W太阳能板串联，输出电压可达到40V。与太阳能板连接的二极管防止夜间电池对太阳能板造成反向充电。采样电阻采样太阳能板的电压按比例放大后送至单片机，通过程序判断太阳能板的工作状态以及光照的大小，从而控制太阳能板的充电状态以及灯具在外界光照不足的情况下点亮。

图3太阳能电池板状态采样控制电路

检测电路主要完成信号转换、蓄电池开路电压、充电电压和放电电压、充电电流和放电电流以及环境温度、蓄电池温度的检测等。

根据控制功能的实现和稳定性等方面考虑，系统采用了MICROCHIP公司的PIC18系列的单片机。根据对硬件的控制策略，采用PIC18F6720来实现。该芯片内部集成A/D转换部件并且有多个A/D通道，通过编程进行电压比较并由CCP输出驱动信号控制驱动部件的通断。通过编程还能实现时间控制等功能。

四、系统电路板设计

绘制PCB板的步骤，第一步绘制原理图：在protel中按照预先的设计原则画出系统的原理图。再画原理图的同时吧器件与芯片的封装也画出来。第二部生成PCB图。第三步根据设计原则调整PCB图，将大功率器件的导线加粗，调整器件摆位，式布局模块化，这样在后期调试与维修中可以清晰的判断问题出在哪里以及该调整修改哪里，并根据外壳尺寸形状等参数拜访指示灯开关等器件。需要贴导热片以及涂抹环氧树脂的大功率器件靠近外壳摆放。

五、结语

控制器采用PIC18F6720芯片作为核心控制器件，主控制器主要由AC-DC电路、充放电保护电路、路灯开关驱动电路、信号放大电路等组成，并通过红外以及RS232接口与外部通信，从而设置比较电压、开灯时长、关灯时间、充放电保护相关参数、开灯亮度阀值等。实验和运行结果表明，应用此智能控制器的路灯系统兼具安全性和经济性。自身独立一体的供电系统，不受大面积电路施工干扰，工序简单，工期短，维护更加方便，具有广阔的应用前景。