摘 要：介紹了一款以單片機PIC16F877A為控制核心的太陽能與市電互補照明系統控制器的設計。通過對蓄電池充電開關、放電開關和市電供電開關的控制，實現了對系統中蓄電池的管理和系統運行控制等功能。對其功能和工作特性進行了測試分析。結果表明，控制器各項功能完成良好，具有較高的實用價值和良好的應用前景。
關鍵詞：互補照明；PIC16F877A；控制電路；性能測試
利用太陽能照明是人類開發利用太陽能的一個主要用途，然而，由于太陽能輻射的不連續性和間歇性，以及目前單純太陽能照明系統的投資和成本較高、部分技術不夠成熟等原因，太陽能照明系統經常出現在連續陰雨天時，由于蓄電池電壓不足而導致負載不能點亮的情況。將太陽能與市電組成雙電源互補供電照明系統，不僅可以有效解決太陽能利用不穩定的問題，還可以適當減小太陽能電池和蓄電池的容量，降低開發利用太陽能技術的成本，同時滿足系統的可靠性和經濟性要求[1-2]。
1 控制器的主要功能及組成
本文所設計的控制器供街道和住宅小區夜間利用太陽能和市電互補照明系統使用，根據照明實際狀況，設計控制器具有如下功能：
(1)支持12 V直流系統工作電壓；
(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)具有深夜使半導體照明燈具亮度減半的功能；
(5)蓄電池電量不足時，自動切換到市電電源供電；
(6)能檢測太陽能電池的電壓，自動轉換工作模式；
(7)能檢測蓄電池的電壓，對蓄電池的充、放電過程進行控制；
(8) 具有防反充電保護、過充電保護、過放電保護和負載短路保護功能；
(9)具有電子時鐘和計時功能。
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（內部含A/D）、時鐘電路、電壓采樣電路、開關驅動電路、時鐘控制和數碼管顯示電路組成。單片機PIC16F877A是控制器的核心，外圍電路包括開關控制電路（C1～C3）、數碼管顯示及驅動（A～G/Dig_EN1~Dig_EN6）電路、工作狀態顯示等。
2 主要電路設計及器件選型
2.1 PIC16F877A
單片機是控制器的核心，系統工作時需要采集太陽能電池和蓄電池的電壓。太陽能電池的輸出電壓受溫度和太陽輻射強度等外界因素影響較大，這就要求系統的實時性比較高，即要求系統的響應速度快。故設計中選用了內部含有A/D模塊、具有14位指令寬度的中檔PIC單片機16F877A，屬PIC中級產品，在保持低價格的前提下具有很高的性能。
本文設計的控制器主要用到PIC16F877A的如下一些資源：
(1)16 KB的系統內可編程Flash，1 KB片內SRAM，10 000次擦寫壽命。程序存儲空間足夠大，不需要額外擴展存儲器；10 000次的擦寫壽命方便進行程序調試；
(2) 2個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器。用于按鍵去抖和計時；
(3) 1個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器。用作調節PWM控制信號的占空比，控制充電開關；
(4) 8路10位ADC。使用其中的2路ADC通道分別對太陽能電池工作電壓、蓄電池工作電壓采樣；
(5) 使用2個中斷源，外部中斷和定時器中斷，分別用于計時和按鍵；
(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功能擴展。
2.2 電壓采樣電路
控制器需要采集2路電壓信號，分別是太陽能電池輸出電壓和蓄電池端電壓，這兩路信號均為變化的直流模擬信號，采樣信號應能如實地反映檢測量。設計中利用精度為0.1%的精密電阻組成簡單的分壓電阻網絡來實現，并在分壓電阻網絡的輸出端并聯漏電流很小的精密電容和電感進行 濾波，以減小電流泄漏對測量精度的影響[4]。采樣電路如圖2所示。
2.3 控制開關驅動電路
控制器的主要控制對象是3個控制開關C1～C3。分別是蓄電池的充電開關、蓄電池放電（供電）開關和市電供電開關。開關的狀態由單片機根據系統的工作狀態進行控制：白天太陽能電池向蓄電池充電，開關C1閉合，太陽能電池將太陽能轉換為電能，儲存在蓄電池中，當蓄電池電壓出現過充時，控制器斷開充電開關C1；晚上主要由蓄電池向負載供電，開關C2閉合，當蓄電池電壓不足（欠壓）時，蓄電池供電開關C2斷開，控制器自動切換為市電給負載供電（C3閉合）。圖3、圖4和圖5分別為蓄電池充電、放電和市電供電時開關的驅動電路。
在充電控制電路中，用肖特基二極管來實現防蓄電池反充電保護，防止晚上蓄電池向太陽能電池反充電。同時設計了防止蓄電池過充的保護電路，為了控制蓄電池的充電方式，充電控制信號為單片機輸出的PWM信號。蓄電池放電（供電）開關的控制信號由單片機輸出的高低電平直接控制，實現了深夜半功率供電功能。市電供電開關電路中使用繼電器[5]。
3 控制器性能測試
本文對所設計的系統控制器的功能進行了初步測試，部分測試結果如下。
(1)指示燈測試系統工作狀態
蓄電池脈沖充電情況測試。當TVcc>0.7 V時，天亮；此時12 V<Vcc<15 V，蓄電池脈沖充電，脈沖充電指示燈DS2點亮。如圖6所示。
(2)示波器測試蓄電池充電波形
用示波器檢測充電開關Q2的柵電壓，檢測蓄電池的充電情況。蓄電池脈沖充電情況下的輸出波形為脈沖波形。
另外，還分別對控制器供電控制功能、充電和供電方式轉換功能以及控制器工作時整個系統的性能進行了測試和分析，測試結果表明系統控制器可以很好地完成各項功能，并且運行良好。
本文所設計的基于PIC16F877A的系統控制器，充分利用單片機的內部資源，具有結構簡單、功耗低等特點。經調試實驗證明，控制器各項功能完成良好，具有較高的實用價值和良好的應用前景，對太陽能LED照明系統的推廣應用具有參考意義。
參考文獻
[1] 朱建華,高俊. 智能太陽能半導體照明技術[J].輕工機械,2008,(4):111-113.
[2] 單慶曉,任永益,潘孟春. 蓄電池脈沖充放電的微機控制［J］.電測與儀表,1996,(9):36-38.
[3] MARCHESONI M.High-performance current control techniques for applications to multilevel high-power voltage source inverters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics, 1992,7(1):189-204.
[4] 吳理博,趙爭鳴,劉建政. 用于太陽能照明系統的智能控制器［J］.清華大學學報(自然科學版),2003,43(9):1195-1198.
[5] 陳繼，沈輝，王東海，等.太陽能半導體照明系統的智能控制器[J].清華大學學報，2003,43(9)：1195-1198.