带故障自检显示的太阳能路灯控制系统

摘要

本发明涉及一种带故障自检显示的太阳能路灯控制系统，包括由太阳能电池、蓄电池和灯头组成的充电、照明电路，系统中的太阳能电池并联设置场效应管Q1后，经过二极管D01对蓄电池支路充电，由蓄电池提供并列灯头支路的照明电源，并列的灯头支路上分别设有场效应管Q2和Q3，所述充电支路以及并列的灯头支路上分别设有采样电阻R42、R40、R41；系统中的控制电路包括微处理器芯片，微处理器芯片对太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头支路电流取样检测，并由微处理器芯片控制太阳能电池的充电输出和两路灯头输出；所述的微处理器芯片对系统自检，故障信号通过LCD显示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能路灯的控制系统，尤其是一种带故障自检显示的太阳能路灯控制系统。

背景技术

随着世界能源危机的不断增强，不可再生能源的日益紧张，利用太阳能、风能、潮汐能发电，被越来越多的国家所重视，在目前已知的其他能源中，太阳能是最安全、方便、清洁的能源之一。由于太阳能电池的价格仍然较高，因此应用最广泛的领域就是太阳能照明应用。

CN2571116Y公开了一种太阳能路灯的电源系统控制装置，它通过微处理器籍由太阳能板侦测环境亮度所产生的电压启动负载，根据太阳能板与蓄电池电压差决定充电时机，设置蓄电池停止放电电压，通过时控设定器对负载进行定时控制，该方案虽然也能保证太阳能路灯的工作，由于微处理器仅通过对蓄电池电压和太阳能板环境亮度进行模糊检测很难对系统的工作状态进行客观分析，也不能显示故障点。

CN2676559Y公开了一种半导体发光二极管太阳能路灯控制电路，它通过微处理器电路、稳压电源电路、实时时钟电路、充电开关电路、放电开关电路、键盘接口电路、太阳电池和蓄电池接口电路，该方案确实能对太阳能灯头系统实施智能化控制，尤其是对太阳电池与蓄电池之间(充电)，以及蓄电池与灯头之间(放电)实施智能化控制，但是，微处理器与充电开关电路中的MOSFET功率开关管5N06之间，以及微处理器与放电开关电路中的MOSFET功率开关管5N06之间均设有晶体管放大电路和显示工作状态的发光二极管，电路相对较复杂；由于微处理器对太阳电池仅通过分压电阻R₂、R₃和电容C₈取样，对蓄电池仅通过分压电阻R₄、R₅和电容C₉取样，不仅电压信号采样误差较大，而且取样电路自身耗电量较大，在整个系统中，无法对蓄电池的充电电流和负载电流实施监控，系统一旦发生故障，也不可能显示故障点。

对于能对蓄电池的充电电流和负载电流实施监控，同时带故障自检显示功能的太阳能路灯控制系统目前没见报道。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有的太阳能路灯的控制系统普遍存在的不能对蓄电池的充电电流和负载电流实施监控，尤其是在系统发生故障时不能显示故障点的实际问题，提供一种带故障自检显示的太阳能路灯控制系统。

本发明的目的是这样实现的：一种带故障自检显示的太阳能路灯控制系统，包括由太阳能电池、蓄电池和灯头组成的充电、照明电路，其特征在于：

a)系统中的太阳能电池并联设置场效应管Q₁后，经过二极管D₀₁对蓄电池支路充电，由蓄电池提供并列灯头支路的照明电源，并列的灯头支路上分别设有场效应管Q₂和Q₃，所述充电支路以及并列的灯头支路上分别设有取样电阻R₄₂、R₄₀、R₄₁；

b)系统中的控制电路包括微处理器芯片，微处理器芯片对太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头支路电流取样检测，并由微处理器芯片控制太阳能电池的充电输出和两路灯头输出；

c)所述的微处理器芯片对系统自检，故障信号通过LCD显示。

在本发明的技术方案中：微处理器芯片应该具有16KFLASH程序存储器空间、8路A/D转换接口、内置高精度RC振荡器及看门狗复位电路。

在本发明的技术方案中：所述的微处理器芯片采用ATMEL的ATMEGA16芯片，实时时钟电路采用MAXIM的DS1337芯片，微处理器芯片的电压基准源采用TL431或LM431芯片，所述的LCD采用4*20字符形液晶显示器。

在本发明的技术方案中：微处理器芯片还设置温度采样电路，所述的温度采样电路采用DALLAS公司的DS18B20单总线集成芯片。

在本发明的技术方案中：获得的太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头支路电流取样信号分别输入微处理器芯片的PA_0～7；并由微处理器芯片的PD₇控制场效应管Q₁，PC₃和PC₄分别控制场效应管Q₂和Q₃；键盘输入微处理器芯片的PC_5～7和PD₂。

本发明的优点在于：由于微处理器芯片对太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头支路电流取样检测，并由微处理器芯片根据各点数据科学控制太阳能电池的充电输出和两路灯头输出，有效地实现了蓄电池的充电保护、过放电保护、充电温度补偿等功能；借助相应的软件，能够实现系统安装或测试模式，选择光控开-光控关工作模式，或光控开-时间关工作模式，或时控开-时控关工作模式，或分段节能工作模式；LCD不仅能及时显示系统的当前工作状态，还可以显示日期、时间及温度等参数，方便人机对话，为客户修改系统参数提供方便，系统一旦出现故障，故障点的位置通过LCD显示的数据一目了然，大大节省维修时间与成本。

本发明的优点还在于：在充电的过程中，微处理器芯片可以通过对充电限制电压与实际电压的不断比较，根据它们之间的变化采用占空比同步变化的充电方式，不仅仅可以从最大程度上延长蓄电池的使用寿命，而且可以使蓄电池的充电效率提高7％以上。

本发明的优点还在于：通过灯头支路电流取样检测，灯头支路一旦发生过载等异常状况，微处理器芯片就能及时使支路中的场效应管截止，实施系统保护。

附图说明

图1是本发明的控制系统框图；

图2是本发明光伏系统原理图；

图3是本发明的微处理器芯片及其主要外设的电原理图；

图4是本发明实施例涉及的一种太阳能电池的电压取样电路；

图5是本发明实施例涉及的一种蓄电池的电压取样电路；

图6是本发明实施例涉及的一种蓄电池电流的取样电路；

图7是本发明实施例涉及的一种负载电流的取样电路。

具体实施方式

附图非限制性的公开了本发明实施例涉及的系统框图、光伏系统原理图、微处理器芯片及其主要外设的电原理图，以及例举的可以用于本发明实施例的各种取样电路，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

由图1可见，本发明的控制系统是以微处理器为核心，用户可以通过键盘输入给微处理器系统参数，微处理器根据太阳能电池电压、蓄电池电压和电流、灯头电流等取样信号以及系统参数，适时发出充电控制输出信号，或灯头1控制输出信号，或灯头2控制输出信号，微处理器系统还可以通过温度传感器的信号对系统进行温度补偿，微处理器系统还配有实时时钟电路RTC、看门狗、后备锂电池和LCD显示。

由图2可见，太阳能电池并联设置场效应管Q₁后，经过二极管D₀₁对蓄电池支路充电，由蓄电池提供并列灯头支路的照明电源，并列的灯头支路上分别设有场效应管Q₂和Q₃，所述充电支路设有采样电阻R₄₂，所述并列的灯头支路上分别设有电流采样电阻R₄₀、R₄₁，并建立太阳能电池电压取样点SO+、蓄电池电压取样点BA+，蓄电池电流取样点BL+和BL-，灯头支路1电流取样点L1，灯头支路2电流取样点L2。在有太阳的时间段内，太阳能电池是否充电取决于场效应管Q₁，当场效应管Q₁截止时，太阳能电池对蓄电池充电，当场效应管Q₁导通时，太阳能电池停止充电；并列的灯头支路是否工作取决于各支路上的场效应管Q₂或Q₃。在本实施例中，所述的Q₁、Q₂、Q₃均采用IRF3205，其中，Q₁的控制信号源于微处理器芯片的PD₇，Q₂、Q₃的控制信号源于微处理器芯片的PC₃、PC₄。具体实施时，蓄电池支路还可以设置保险丝(本实施例选用15A的保险丝)。

由图3可见，本实施例的微处理器芯片选用的是ATMEL的ATMEGA16芯片，具有16KFLASH程序存储器空间、8路A/D转换接口、内置高精度RC振荡器及看门狗复位电路；实时时钟电路选用的是MAXIM的DS1337芯片及32768KHz高温度稳定性的晶振；微处理器芯片的电压基准源选用的是TL431(或LM431)芯片；温度采样电路采用DALLAS公司的DS18B20单总线集成芯片；LCD选用的是4*20字符形液晶显示器。它们的连接关系是：实时时钟电路(RTC)输入微处理器芯片的PC₀和PC₁，温度采样信号输入微处理器芯片的PC₂，电压基准源输入微处理器芯片的AREF，按键分别输入微处理器芯片的PC₅、PC₆、PC₇和PD₂，LCD按照传统的基本连接方式分别与PB_0～7、PD₀、PD₁和PD₆。此外，微处理器芯片的PA₀为太阳能电池电压取样输入，PA₁为蓄电池电压取样输入，PA₂和PA₃为蓄电池电流取样输入，PA₅和PA₆为并列的灯头支路1和灯头支路2的电流取样输入，PD₇为充电控制输出信号，PC₃和PC₄并列的灯头支路1和灯头支路2的灯头控制输出信号。微处理器芯片及其主要外设的工作电源VCC为直流+5V，它通过直流12V稳压后获得。

由图4可见，太阳能电池的电压取样点为太阳能电池支路的SO+，电路采用取样点与接地间由R₃₁和R₃₂组成的分压电路，为了避免在充电输出和关闭的过程中产生的脉动杂波信号对分压电阻的影响，在电压取样电路中设置了L₃₀、C₃₀和C₃₁，太阳能电池电压取样输入微处理器芯片的PA₀。

由图5可见，蓄电池的电压取样点为蓄电池支路的BA+，电路采用采用取样点与接地间由R₃₃和R₃₄组成的分压电路，同样，为了避免在充电输入和关闭以及放电的开启与关闭过程中产生的脉动杂波信号对分压电阻的影响，在电压取样电路中设置了L₃₁、C₃₂和C₃₃，蓄电池电压取样输入微处理器芯片的PA₁。

由图6可见，蓄电池的电流取样点为蓄电池支路的采样电阻R₄₂两端的BL+和BL-，电路由电阻R₄₂采样流经蓄电池的电流，并由R₃₅、R₃₆传输到微处理器芯片的PA₂和PA₃输入端由于PA₂和PA₃为差模输入AD转换端口，增益较高，为了避免干扰，采用C₃₆平滑输入电压波形，C₃₇、滤除差模干扰，以保证测量结果的精度。

灯头支路1电流取样点为灯头支路1的L1，灯头支路2电流取样点为灯头支路1的L2，图7仅以灯头支路1为例。由图可见，电路采用了取样点与接地间由L₃₂和C₃₄组成的取样支路，并由L₃₂与C₃₄结合处获取的取样信号输入微处理器芯片的PA₆，由于L₃₂和C₃₄基本不消耗有功功率，而对于支路的突变信号反映敏捷，可以保证传输到微处理器芯片输入信号的稳定性。灯头支路2可以采用相同的方式，获取的取样信号输入微处理器芯片的PA₅。

用于实现本系统工作的主程序至少应该包括：工作模式转换子程序、温度补偿子程序、故障判断子程序和键盘输入程序。

工作模式转换子程序：系统从RAM的相应位置读出用户设定的工作模式数据，然后根据数据进行判断以运行相应的开关灯程序，系统的工作模式包括：安装或测试工作模式、光控开-光控关工作模式、光控开-时间关工作模式、时控开-时控关工作模式以及分段节能工作模式。

温度补偿子程序：温度补偿采用的补偿系数为-3mV/℃，系统每隔约250us检测一次蓄电池的实时温度，然后以标准温度25℃作为基准点，得出当前的充电截止电压。例如：当前环境温度为45℃，则当前的充电截止电压V＝14.4-(45-25)*6*3*10^-3＝14.04V。

故障判断子程序包括太阳能电池和蓄电池故障判断以及灯头故障判断。对太阳能电池和蓄电池故障判断一般在上午9点至下午3点间时段进行，判断时根据太阳能电池电压对太阳能电池和蓄电池进行判断。由于太阳能灯头系统通常采用的蓄电池电压为12V和24V，下面以12V为例：在一般情况下，蓄电池如果充足电后的电压为14.4V，加上防反充二极管的正向压降，太阳能电池板电压最多不应超过15V，当系统运行至上午9点至下午3点间时，开始运行相应的蓄电池故障判断，一旦在此时间段内，太阳能电池板电压高于15.5V，即认为蓄电池开路，或蓄电池的寿命已尽，太阳能电池板电压低于14V，即认为太阳能电池有故障，太阳能电池板电压接近于0V，即认为太阳能电池。灯头故障采用在开灯状态下检测流过灯头的电流的方法来实现。无论是太阳能电池和蓄电池的故障，还是灯头的故障，在LCD的相应位置上都会显示，以便用户查找原因。

键盘输入程序。在键盘输入程序的引导下，menu键采用中断方式，定义相应的键盘接口为引脚中断方式，一旦有按键按下，即触发相应的中断，而进入中断服务程序；而up键、down键和ok键采用查询工作方式。