CN201549909U - 多功能太阳能充电综合保护控制器 - Google Patents

Abstract

多功能太阳能充电综合保护控制器，包括电源电路模块、单片机模块、太阳能电池板充电控制模块、蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块、负载电流检测及输出控制模块、时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块。本实用新型实现单电源供电，通过单片机对太阳能电池板电压、蓄电池电压、温度等采样信号的分析，实现过充电、浮充电、过放电、蓄电池的开路及温度过高保护功能，提供了良好的人机通讯；可以方便实现功能的扩展与维护，串口通信实现了远程监控，有利于实现分布式控制；本实用新型集多种功能于一体，通过按键功能设置满足不同的用户需求，本实用新型结构简单，维护方便，体积小，易安装，功能强，造价低。

Description

多功能太阳能充电综合保护控制器

技术领域

本实用新型涉及太阳能应用技术领域的控制装置，具体是一种多功能太阳能充电综合保护控制器。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染，随着能源危机和环境污染的加深，太阳能的研究和利用受到广泛的关注，太阳能的应用包括光伏和光热两种类型。在太阳光伏能源***中，常用的就是选用蓄电池作为储能的***。铅酸蓄电池具有价格低廉，供电可靠，电压稳定等特点，同时具有密封性好，无泄漏，无污染等优点，因此在太阳光伏能原***中得到广发应用。如何利用太阳能电池充电已经作为重大的课题研究。充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速平稳高效地为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充电现象的发生；并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。

在太阳能的有效利用中，太阳能充电是近些年发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一，推广和利用太阳能是走可持续发展道路新型能源的首选，利用太阳能充电的装置也就日益重要，但现在大部分太阳能充电控制装置存在功能单一，而且光线不足时无法使用的问题，常用的充电模式有恒压充电、恒压限流充电、恒流充电等模式，但是没有考虑环境温度变化对蓄电池充电过程的影响，影响了蓄电池性能的充分发挥和使用寿命，大大缩短电池的使用寿命，大量的免维护电池用几年后即报废，造成巨大的经济损失。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：传统的控制器功能单一，结构简单，对太阳能电池的充电控制不能满足使用要求。

本实用新型的技术方案为：多功能太阳能充电综合保护控制器，包括电源电路模块、单片机模块、太阳能电池板充电控制模块、蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块、负载电流检测及输出控制模块、时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块，电源电路模块连接各模块提供电源，太阳能电池板充电控制模块通过负载电流检测及输出控制模块连接单片机模块，蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块通过AD转换模块连接单片机模块，时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块分别连接单片机模块。

本实用新型负载电流检测及输出控制模块采用MOSFET做为输出开关。太阳能电池板充电控制模块设有二极管，通过所述二极管与太阳能电池连接。

本实用新型单片机模块作为核心控制，通过对太阳能电池板，蓄电池和负载的电压分析计算，与给定值比较，发出相应的功能指令，液晶显示芯片实时记录***的运行状态，串口通信电路实现数据的远传和远方遥控的功能，单片机模块采用PWM脉宽调制技术方式驱动负载电流检测及输出控制模块，进而由太阳能电池板充电控制模块控制蓄电池的最优充放电。通过脉宽调制技术实现过充保护功能，通过MOSFET和二极管来防止倒流，当但单片机检测到蓄电池电压低到一定值时或者温度过高时，本实用新型会自动断开负载保护蓄电池，此外，当电压过高时，本实用新型断开负载，起到保护负载的作用。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：***实现单电源供电，供电电压+5V，使***运行更加可靠安全；通过单片机对太阳能电池板电压、蓄电池电压、温度等采样信号的分析，可以真正实现过充电、浮充电、过放电、蓄电池的开路及温度过高保护功能，能够实现快速充电功能、夜间控制功能；键盘出入和液晶显示提供了良好的人机通讯，使得各显示画面的人机交互性很强，实现人性化简易化操作；程序实现模块化，可以方便实现功能的扩展与维护。串口通信方便的实现了***的远程监控，通过程序的扩展实现远程控制参数的修改，有利于实现分布式控制；本实用新型集多种功能于一体，通过按键功能设置满足不同的用户需求，本实用新型结构见到那，维护方便，体积小，易安装，功能强，造价低。

附图说明

图1为本实用新型框图。

图2为本实用新型实施例的单片机示意图。

图3为本实用新型实施例的电源电路原理图。

图4为本实用新型实施例的AD转换模块与单片机连接的电路原理图。

图5为本实用新型实施例的太阳能电池板充电控制模块。

图6为本实用新型实施例的按键输入和显示模块与单片机连接的电路模块。

图7为本实用新型实施例的时钟模块和数据存储模块原理图。

图8为本实用新型实施例的负载电流检测及输出控制模块。

图9为本实用新型实施例的温度检测电路。

图10为本实用新型实施例的串口通信电路。

具体实施方式

本实用新型包括电源电路模块、单片机模块、太阳能电池板充电控制模块、蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块、负载电流检测及输出控制模块、时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块，电源电路模块连接各模块提供电源，太阳能电池板充电控制模块通过负载电流检测及输出控制模块连接单片机模块，蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块通过AD转换模块连接单片机模块，时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块分别连接单片机模块。负载电流检测及输出控制模块采用MOSFET做为输出开关。太阳能电池板充电控制模块设有二极管，通过所述二极管与太阳能电池连接。

电源电路模块，为单片机和其他器件提供+5V的工作电压。输入电压经过交流变压器，全波整流电路，高通滤波器，稳压模块，低通滤波器，最后得到纹波系数非常小的+5V电源，交流变压器于不同型号的稳压管相连，稳压管与全波整流桥整流电路相连，能获得不同等级的电压。

单片机根据采集到的太阳能电池板电压，蓄电池电压，负载电压以及温度信号，计算出电压的实际值，通过和预设值进行比较后，来控制PWM脉冲的占空比控制MOSFET开关的导通和截止来调整充电电流，当电压过高时，单片机控制断开负载，起到保护负载的作用，同时可以实现浮充电压的温度补偿，发出相应的动作信号控制驱动电路动作，把状态信息通过液晶显示电路显示出来，便于现场工作人员查看相关运行数据，通过串口通信电路将***运行状态数据传送给上位机，实现远程监控。

太阳能电池板充电控制模块，负责给蓄电池充电，通过二极管连接到电池正极，电池负极经过开关器件后连接到太阳能电池板的负极，二极管防止太阳能电池板极性接反烧坏蓄电池，开关器件是由单片机发出PWM波，控制开关器件的关合。

蓄电池电压检测电路，检测蓄电池两端电压，检测到的信号经过AD转换模块传递给单片机，由单片机实现过充电保护，当充电电压过高时，单片机输出PMW控制MOSFET开关器件切断充电回路，保护蓄电池不因过高的充电电压而损伤。

环境温度检测模块，由AD590温度传感器检测蓄电池环境温度，输出电流与开氏温度成正比，体积小，使用方便的温度传感器，能够实现温度保护及浮充电压的温度补偿。随着温度升高，铅蓄电池最终的输出电压将降低，当温度升高时，固定的浮充电压可能导致有害气体的产生，而在温度过低时会导致蓄电池充电不足。温度补偿使控制器在温度过高时自动降低浮充电压，温度过低时自动升高浮充电压。

负载电流检测及输出控制模块，通过脉宽调制技术限制和控制负载电流，实现过流保护及负载功率检测。

时钟模块和数据存储模块，时钟模块，实现时间的实时显示，便于工作人员现场查看信息，记录故障时间；数据存储模块用来存储充电信息和故障的信息，便于现场人员查看。

键盘输入和液晶显示模块，键盘输入模块实现参数的输入设定，充电模式设定及LCD背光开启，通过设置按键，可以选择控制器的各种功能，包括正常、初充、激活、快充、时间限定功能设定；液晶显示模块用于***状态的显示，包括时间，电压、负载状况及充放电状态等信息的显示，液晶模块有串行和并行通讯两种通讯方式，4线并行，8线并行，2线串行和三线串行，并行方式速度快，可以实时显示***状态信息，由于此***微处理器拥有足够的I/O口，本***采用并行方式通讯。

串口通信模块，将***的运行参数上传上位机，实现远程监控。通信方式：单工传送，半双工传送和全双工传送。

本实用新型工作时，单片机是控制核心，高精度11路输入信号的AD转换模块的使用可以分别对太阳能电池板电压，蓄电池的端电压和充电电流，蓄电池的环境温度，负载电压和电流进行采样，完成AD转换，利用单片机对采样结果进行运算和分析判断，通过和预设值进行比较后，来控制PWM脉冲的占空比控制MOSFET开关的导通和截止来调整充电电流和调整充电端电压，当电压过高时，单片机控制断开负载，起到保护负载的作用，同时可以实现浮充电压的温度补偿。AD590温度传感器的应用，能够准确的实现温度测量，完成浮充电压温度补偿；时钟和数据存储电路模块，实现时间的实时显示和故障信息的存储；按键输入和液晶显示电路模块，通过按键把参数定值，功能设置等输入单片机，选择控制器的各种功能，包括正常、初充、激活、快充、时间限定等功能设定，单片机根据接收的参数信息，把相应的显示结果通过液晶显示出来，同时***的运行状态参数可以通过液晶显示电路实时显示；串口通信模块，控制器把所有现场的运行参数通过串口电路，传送到后台到后台配合监控***软件进行显示分析，显示***运行时间，太阳能电池板电压，蓄电池电压等数据参数，可以实现远方遥控功能。

下面举例具体说明本实用新型。

单片机模块采用STC89C52RC，如图2，抗干扰能力强，负责信号的分析与计算，控制***芯片动作。

图3为电源电路原理图，电源电路转换模块为单片机及其它器件提供+5V的工作电压，输入信号是由开启式电压互感器二次侧引进，经过交流变压器，变压器采用220V交流-12V的变压器，然后经过稳压二极管的全波整流电路，把电压信号转换成单一方向的信号，获得不同等级的电源，全波整流桥整流电路采用了的是二极管级联组成的整流电路，然后经过滤波电路，稳压管可选用LM7805，7812，7912等型号，获得+5V，±12V的电源，单片机正常工作时的电流为3-6mA，7805、7812、7912的输入电压范围很大(超过20)，输入电流也可以很大(上百mA)，可以完全满足芯片的功耗和电压要求，本***只需+5V供电即可。

图4为AD转换模块与单片机连接的电路原理图，AD芯片器件选用TI公司的12位串行TLC2543，11路模拟输入通道，与单片机的连接只需要4根串行线，可以节省单片机I/O端口资源。

图5为太阳能电池板充电控制模块，太阳能电池板J1的1引脚输出与充电控制模块相连接，经滑动变阻器，二极管D，然后连接到蓄电池的正端口，二极管防止太阳能电池板的极性接反而烧毁蓄电池，2引脚经过MOSFET的源极和漏极接到蓄电池的另一端构成充电回路。单片机引脚P3.6输出地占空比可调的PWM波，经过NPN管控制MOSFET的开通和关断。

图6为按键输入和显示模块与单片机连接的电路模块，显示芯片采用台湾矽创公司生产的LCM128*64点阵带中文字库的液晶显示器，内部控制器是通用的ST7920控制器，可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的显示，该模块具有8位并行、4位并行、2线串行、3线串行多种接口方式，LCD并行通讯和串行通迅，为了满足***的实时性要求，采用并行通行，提高芯片的响应速度，液晶模块并行接口与STC89C52RC相连接，不需要驱动，可以直接相连。

图7为时钟模块和数据存储模块原理图，时钟模块采用PLILIPS生产的低功耗CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563，芯片最大总线速度为400kbits/s，每次读写数据后，其内嵌的字节地址寄存器会自动长生增量，引脚SCL和SDA经上拉电阻，分别接单片机的P1.0，P1.1引脚。数据存储模块时钟芯数据存储模块采用Atmel公司生产的64kb串行电可擦除的可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为0000-0FFFFH。它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，非常适用于本***中大量数据存储的要求。都是IIC器件，遵从IIC通讯协议。

图8为负载电流检测及输出控制模块，设计中用MOSFET实现输出开关，MOSFET是电压控制单极性金属氧化物半导体场效应晶体管，所需驱动功率较小。而且MOSFET只有多数载流子参与导电，不存在少数载流子的复合时间，因而开关频率可以很高，特别适合作为PWM控制充电开关，设计中采用P沟道MOSFET。P沟道MOSFET的导通电压Vth＜0。

图9为环境温度检测电路，温度传感器AD590输出电流与开氏温度成正比，开始温度0°时输出0A，开始温度每上升1°电流增加1uA，温度传感有效测温范围-55～150℃，可采用的电源范围为4～30V。AD590接口串联一个电阻在接地，即可产生10*(273.2+T℃)mV，为了避免负载效应，此电压经过一个运算放大器构成的缓冲器，在经过减法器，放大器使输出变为：0～2V的电压信号，这样就把非电量转换为电量，再由AD转换模块将数据输入单片机。

图10为串口通信电路，选择DB9连接器，获得串口通信电路模块数据后，处理成异步通信的9个信号，采用直连方式，通信双方都可当做数据终端设备看待，使用标准的RS-232协议。对于数据，逻辑0的电平高于-3V，逻辑1的电平低于+3V；与TTL高低电平表示的逻辑状态规定不同，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须进行EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换，使用MAX232芯片即可完成这一转换。

蓄电池电压检测由现有的电池电压检测电路即可实现，不再详述，检测得到的电压经过AD转换电路后输入单片机。

本实施例工作时，单片机获得各测量参数，如太阳能电池板实际电压，蓄电池的实际电压值，温度值，负载的实际电压值，单片机将这些数据与预设值比较，综合分析计算后，调整PWM的占空比，实现驱动电路控制，控制蓄电池的充放电及对负载的控制，并且实现过充电保护，浮充电电压的温度补偿等保护功能，改变充电电流和调整充电端电压；温度传感器AD590的应用，能够实现温度测量更加准确，完成浮充电压温度补偿；时钟和数据存储电路模块，***运行时间的实时显示和故障信息的存储；按键输入和液晶显示电路模块，通过按键把参数定值，功能设置等输入单片机，单片机根据接收的参数信息，把相应的显示结果通过液晶显示出来，液晶显示功能实时记录***运行参数的显示；串口通信模块，控制器把所有现场的运行参数通过串口电路，传送到后台到后台配合监控***软件进行显示分析，显示***运行参数，太阳能电池板电压，蓄电池电压等数据，全双工通信，可以实现远方遥控功能。

本实施例中，简便的控制方式和良好的液晶界面，并且具有过充放保护和温度补偿，精确的温度测量，远程遥控等功能，可以真正实现过充电，浮充电，过放电，蓄电池的开路，温度过高保护功能，以及实现快速充电功能，夜间控制功能。可以提高太阳能电池的工作效率，保护蓄电池，提高蓄电池的使用寿命，在绿色能源的发展道路上，具有很大的社会效益和广泛的推广价值。

Claims (3)

1.多功能太阳能充电综合保护控制器，其特征是包括电源电路模块、单片机模块、太阳能电池板充电控制模块、蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块、负载电流检测及输出控制模块、时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块，电源电路模块连接各模块提供电源，太阳能电池板充电控制模块通过负载电流检测及输出控制模块连接单片机模块，蓄电池电压检测电路模块、环境温度检测模块通过AD转换模块连接单片机模块，时钟模块和数据存储模块、键盘输入和液晶显示模块以及串口通信模块分别连接单片机模块。

2.根据权利要求1所述的多功能太阳能充电综合保护控制器，其特征是负载电流检测及输出控制模块采用MOSFET做为输出开关。

3.根据权利要求1或2所述的多功能太阳能充电综合保护控制器，其特征是太阳能电池板充电控制模块设有二极管，通过所述二极管与太阳能电池连接。

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