基于IRF3205的太阳能路灯控制器的设计

太阳能是取之不尽，用之不竭，清洁无污染并可再生的绿色环保能源。利用太阳能发电，无可比拟的清洁性、高度的安全性、能源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其他常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。而太阳能路灯无需铺设线缆、无需交流供电、不产生电费；采用直流供电、控制；具有稳定性好、寿命长、发光效率高，安装维护简便、安全性能高、节能环保、经济实用等优点。可广泛应用于城市主、次干道、小区、工厂、旅游景点、停车场等场所。因此设计一款好的太阳能路灯具有重大意义。

一控制器功能需求与硬件结构

太阳能路灯控制器需要通过单片机内部A/D对太阳能电池板电压、蓄电池端电压等参数进行采样，通过采样的值判断蓄电池是否达到过充或者过放状态，从而让蓄电池工作在最佳状态。根据太阳能电池板的电压值判断当前是白天还是黑夜来决定亮灯还是不亮灯。由于蓄电池容量有限，控制器必须具有通过设置放电的时间来保证蓄电池每天都有电。根据以上分析，太阳能控制器必须具备的功能有：

1.蓄电池防过充和过放；

2.负载短路、过流保护；

3蓄电池防反充；

4. 太阳能电池板、蓄电池、负载当前状态显示；

5. 光控功能，根据电池板的电压来判断是白天还是黑夜。

6. 时控功能，需要按键设置数码管的时间来确定晚上亮灯的时间。

根据控制器的功能需求，所设计的太阳能控制器硬件结构如图1所示。

图 1 太阳能路灯控制器硬件结构图

本控制器以主控芯片ATmega88为核心，控制器系统包含了太阳能电池板、蓄电池电压采集模块，LED状态显示模块、LED数码管功能设置模块，按键模块、充放电开关控制模块和电源模块。其中充放电开关控制模块采用MOSFET开关管，串联在电池板和蓄电池之间，通过微控制器I/O口输出PWM信号，实现充放电功能。

二.系统关键硬件电路设计

（一）充放电电路设计

由于ATmega88单片机的I/O口驱动能力有限，不能直接驱动IRF3205开关管，同时为了防止主线路上的电流流进I/O口，进而烧片。I/O口驱动电路的设计非常关键，本设计采用对管三极管半桥拓扑驱动电路，有效的解决了这一问题。充电电路图如图2所示。

图 2 充电电路图

加在D2二极管上，Q1开关管得到所要的开启电压，Q1导通，电池板对蓄电池进行直充，直至蓄电池电压至浮充点，此时由单片机发出PWM信号，快速控制Q1的导通与关断，进入对蓄电池的浮充充电状态；当蓄电池电压充电至过充点时，由单片机PB1口发出高电平，通过Q3、Q、Q三个三极管的驱动将R1电阻的一段拉到低电平，则D2二极管上没有电压，Q1开关管关断，从而停止对蓄电池充电，形成对蓄电池的过充保护；当蓄电池电压降至过充恢复电压时，导通Q7 ，恢复为正常充电。

图2中P6KE62A为瞬态抑制二极管，用来防止电池板电流变化对内部电路的干扰，MBR2060CT是大功率二极管，平均导通电流位20A，反向电压60V，用来防止蓄电池对电池板反向充电。FUSE是保险管，防止蓄电池短路。

放电电路要能稳定的开启和关断负载，采用的仍然是IRF3205开关管，用单片机I/O口控制开关管开断动作，采用三极管对管驱动电路。电路图和充电电路类似，在这里不再详述。

（二）光电检测电路的设计

光电检测电路主要包括太阳电池板电压检测电路、蓄电池电压检测电路两个部分。蓄电池电压检测电路如图3所示。

图 3 蓄电池电压检测电路

蓄电池电压经R11、R12构成的电阻分压电路接至单片机A/D转换口，单片机将电压转换成电压数据存放在内存中和显示出来。控制器采用检测蓄电池端电压作为充电控制的方法，把设定转换点的蓄电池端电压值作为充电各阶段的自动转换和停充控制的边界电压。

太阳能电池板电压检测电路同样采用电阻分压的设计，根据电池板电压判别光线的强弱。在白天光线充足时，使连接电池板和蓄电池的IRF3205开关管导通，让电池板给蓄电池充电；当外界光线使太阳能电池板电压到达最低限度（4V）时，接通蓄电池点亮负载。

（三）按键/显示电路的设计

系统设有通用模式、纯光控、光控开+1-12h延时关模式等10种工作模式，控制器采用一键式轻触开关完成工作模式的设置，用户可通过控制器上的2个数码管观察00-16号的具体设置模式。系统用4个单色LED灯实现充电、超压、蓄电池状态、负载工作等指示功能，用户可非常直观地了解当前蓄电池状态和系统使用情况。

电源电路及其他保护电路 控制器半桥拓扑充放电主回路中，三极管驱动电压与系统单片机工作电压不一致，设计的电源电路直接从蓄电池正极取电压，驱动充放电主路中三极管工作；通过LM7805稳压，输出+5V保证单片机ATMEGA88正常工作，电路简单可靠。为保证系统性能和延长使用寿命，设计中还增加了雷电保护、蓄电池防反充保护、蓄电池极性反接保护、充电过压保护、负载短路和过流保护等措施，大大增加了系统的可靠性。

三．系统软件设计

太阳能路灯控制器系统软件的主要任务是：判断系统是否接入，通过对光伏电池电压的数据采集，判断当前系统工作是在白天还是夜间。如果白天，根据蓄电池电压值的不同，控制光伏电池按预定的方式给蓄电池充电，防止系统过充。夜间，控制负载工作，按时开关负载，并对蓄电池放电进行控制，防止过放。系统主程序主要包括：判断环境状态子程序、白天处理子程序、夜间处理子程序、键盘控制显示子程序等。系统软件流程图如图4所示。

图 4 主程序流程图