嘿！用Arduino造一个太阳能充电控制器吧

一年前我在房子内设计了一套太阳能系统来供电，开始用的是基于LM317的充电控制器和一个能量计来监视这一套系统。最后换成了PWM控制器。在今年4月份把这个PWM控制器分享到网上后，瞬间就引起了大量关注。每天都收到了关于修改太阳能电池板和电池软硬件的邮件，很大一部分都是建议把该系统换成12V电池供电。

为改进上述问题，我设计了一套新的硬件和软件系统，这个全新版本可以让大家使用起来更方便。在这次设计中，我把能量计和充电控制器整合在一起。

第二代充电控制器的规格

1、 内含充电控制器与能量计

2、 可选择6V与12V电池

3、 可依据不同的电池电压自动进行充电调节的PWM充电模式

4、 LED显示电量状态以及负载状态

5、 20*4 LCD显示电压、电流、功率、能量以及温度

6、 雷电保护

7、 反向电流保护

8、短路和过载保护

9、充电温度补偿

电气特性

1、 额定电压=6V/12V

2、 最大电流=10A

3、 最大负载电流=10A

4、 6V系统开路电压=8-11V

12V系统开路电压=15-25V

第一步：准备材料

电子元件：

1、 Arduino Nano

2、 P沟道MOSFET IRF9540*2

3、 MBR 2045功率二极管

4、 稳压器（LM7805）

5、 温度传感器（LM35）

6、 电流传感器（ACS712）

7、 TVS二极管（P6KE36CA）

8、 三极管（2N3904或2N2222）

9、 电阻（100k*2，20k*2，10k*2，1k*2，330Ω*5）

10、 陶瓷电容（0.1μF*2）

11、 电解电容（100μF和10μF）

12、 20*4 I2C LCD

13、 RGB LED

14、 Bi Color LED

15、 跳线

16、 头针

17、 散热器

18、 保险丝和熔丝架

19、 按钮

20、 穿孔板

21、 外壳

22、 接线端

23、 螺母/螺丝/螺栓

24、 塑料基板

工具：

1、 电烙铁

2、 钢丝钳和剥模器

3、 螺丝刀

4、 钻孔机

5、 Dremel工具

6、 喷胶枪

7、 小刀

第二步：控制器工作

充电控制器的核心是Arduino nano主板，arduino MCU可感应太阳能电池板和电池电压。该主板依据这个电压值来对改变电池充电方式，并且控制负载。

充电电流的大小是由电池电压和充电电压设定值之差决定，该控制器使用了两阶段充电算法。按照此算法，控制器将发送一个固定频率的PWM信号到太阳能电池板的P沟道MOSFET。

第三步：太阳能控制器的主要功能

以下是控制器的主要功能：

1、 电池过冲保护：当电池充满后，通过太阳能电池板来限制供电，这一功能由我的程序的周期代码来实现。

2、 电池过度放电保护：当电池到了低电量状态时，会自动断开与电路负载的连接。由负载控制代码完成。

3、 负载控制功能：在特定的时间内连接和断开负载，当日落时断开负载，日出则进行连接。

4、 监视功率和能量：监视负载功率和能量，并通过显示器显示。

5、 异常状况保护：在雷电、过压、过流和短路的情况下保护电路。

6、 显示功能：所有参数都可显示。

7、 串行通信

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本文选自电子发烧友网11月《测试测量特刊》EE SHOW栏目，转载请注明出处！

第四步：感应电压、电流和温度

1、 电压传感器

电压传感器用来感应太阳能电池板和电池的电压，可通过两个分压器电路来实现。这两个电路均由100k和20k的电阻分别感应太阳能电池板和电池电压，R1和R2的输出端与arduino A0脚相连，R3和R4与arduino的A1脚连接。

2、 电流传感器

电流传感器在这里是用来测量负载电流的，然后用这个电流值来计算负载功率及能量，我用的是ACS712-20A。

3、 温度传感器

用来感应室内温度，我用的是LM35，使用温度范围在-55℃-150℃范围内。

为何需要温度监控？

首先，随着温度的变化，电池的化学反应也在改变。因此，在温度变化时进行充电调整非常重要。温度传感器专门监控电池温度，同时太阳能控制器还可通过此输入端来调整合适的设定值。酸式电池的补偿值为- 5mv /℃/cell（12V的电池为–30mV/ºC，6V电池是15mV/ºC）。这里的负号表示温度升高时需要调低充电设定值。

第五步：校准传感器

电压传感器：

以arduino Vcc 的5V作为参考，校准电压等于5/1024，即0.0048828V

Vout=Vin*R2/（R1+R2）

Vin = Vout*（R1+R2）/R2 R1=100 and R2=20

Vin= ADC count*0.00488*（120/20） Volt

电流传感器：

灵敏度为100mV/A

无测试电流的输出电压为VCC/2=2.5V

ADC count= 1024/5*Vin ，Vin=2.5+0.100*I

ADC=204.8（2.5+0.1*I） =512+20.48*I

可推出I =（ADC count/20.48）- 512/20.48=0.04882*ADC -25

温度传感器：

灵敏度为10 mV/°C

补偿为（5/1024）*ADC count*100

第六步：充电过程

1、大电流快充，在此模式下预设的恒定电流会经过电池，而这个过程不需要PWM，因为电池正在进行充电，所以电池电压也随之增长。

2、恒压充电，当电池电压到达快充设定值后，PWM会进行控制，保持电压不变。以免过热等反应，同时电流也会降低至安全等级，电池将完全充电。

3、 涓流充电：电池完全充电后，充电电压会逐渐降低。

上述是理想的充电过程。

充电循环过程：

当太阳能电池板的电压大于电池电压时，进行大电流快速充电过程。但电池电压到达14.4V时，将进入恒压充电模式。随后PWM信号会管理充电电流，以使电池电压在14.4V的状态维持1小时。涓流充电过程的电池电压为13.6V，当电池电压值低于13.6V超过10分钟，充电将进一步循环。

第七步：负载控制

通过监控日出、日落来进行负载控制。负载控制的主要作用是断开负载与电池的连接，以防止深度放电而损坏电池。

当太阳能电池电压大于5V是表示日出，反之则为日落。

接通情形：晚上PV电压低于5V，电池电压高于LVD设定值时，控制器将接通负载，并且负载指示灯将变亮。

断开情形：以下两种情形负载会断开：

1、 早上PV电压大于5V时

2、 电池电压低于LVD设定值时

红灯亮即表示负载已经断开（LVD表示低电压断开）

第八步：功率与能量

功率是电压与电流的乘积，即P=U*I

能量则是功率和时间的乘积，E=P*t

为监控负载功率以及能量，参数均会在20*4LCD上显示。

第九步：保护

1、 太阳能电池板的反极性保护

2、 过充保护

3、 深度放电保护

4、 短路和过载保护

5、 反向电流保护

6、 太阳能电池板输入端过压保护

可用功率二极管MBR2045来实现反极性和反向电流保护。而过冲和深度放电保护是通过软件来控制。过流和过载保护只需两个保险丝（一根是在太阳能电池板的一端，另外一个是在负载端）

很多因素可导致暂时性的过压现象，但是雷电的影响最严重。在这个设计中采用了双向TVS二极管P6KE36CA来抑制雷电和过压带来的危害。上一个设计用的是整流二极管，你也可以在负载端加上同样的TVS二极管。

第十步：LED指示灯

电池电量指示灯：这是电池电量的主要表示方式，用RGB LED按照上图进行连接。

Battery LED灯表示电池状态

红色表示电压过低

绿色表示电压正常

蓝色表示完全充

Load LED灯表示负载状态

绿色表示负载连接

红色表示负载断开

最后一个LED是显示太阳能电池板的状态

第十一步：LCD显示

上图20x4 I2C LCD显示了电压、电流、功率、能量和温度。显示的内容可在代码中进行改变。

第十二步：面包板测试

焊接之前在面包板上进行测试是很棒的办法。在连接好所有器件后，上传代码。根据用户的需要，在代码中进行修改即可。

第十三步：电源和接线端子

接线端：为太阳能输入端、电池和负载端连接增加三个螺丝接线端，中间的是连接电池的，左边连接太阳能电池板，右边连接负载。

电源：在上一版本里使用了9V电池给arduino供电，现在用稳压器（LM7805）把电池电压调低到5V。经过几次测试后发现用LM7805容易发热而浪费能量，所以采用更高效的DC-DC降压变换器更可靠。

第十四步：装配

按上述图片装好各元件，并在板子背面焊接好。从图中可看到，我分别用红色和黑色线把稳压器的5V端和GND脚连接在板上。不过为了美观性，我把它们焊接在背面。

第十五步：焊接

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按照原理图来焊接所有的元件。在两个MOSFET和功率二极管上均装上散热器。

备注：MBR2045有两个阳极和一个阴极，所以需要将这两个阳极短路连接。

第十六步：连接电流传感器

连接好所有元件后，在MOSFET的漏极和负载熔丝架的上端上焊接两根粗线。然后将这两根线连到螺丝接线端。

第十七步：制作LED指示和温度传感板

原理图上只有2个LED，但是为了显示太阳能电池板上的状态，另外增加了一个LED。

这里需要准备一个如上图的小型穿孔板，然后在板的两侧钻两个3.5mm的孔。

将LED插到板上并且在背面进行焊接，还有用来插入温度传感器的3脚的排母和一个连接外部设备的10PIN直角排针。然后把RGB LED的阳极连接到温度传感器的Vcc脚。

第十八步：最终测试

在主板和显示板都设计完后，用跳线连接各排母。每个连接都需按照原理图操作。将USB接线插入arduino，然后下载代码。如果你想看到连续的监控效果，就保持这个连接。

保险丝额定值：在样品中用的是5A的熔丝架，但是实际用途上使用的是120%-125%的短路电流保险丝。

控制器的连接

首先，将控制器与电池连接，而且需要线连接负极再连正极。然后连接太阳能电池板，同样是先负后正。最后连接负载。

测试方法

在这里我用的降压变压器和黑布来测试控制器。变换器的输入端连接电池，输出端连接控制器电池端。

电池状态

用螺丝刀旋转变换器的电位计，来模拟不同的电池电压。LED等也会随着电压的变化变亮和熄灭。注意在这过程中太阳能电池板需保持断开或者是用黑布/纸板将其覆盖。

日出/日落

用黑布来模拟即可

负载控制

按照电池的电量和日出、日落的变化，负载会进行连接或断开。

温度补偿

在温度传感器附近加热或者用冰块等降温，可以在LCD显示屏上立即看到温度的变化。

充电补偿的设定值可在串口监视器上显示。

第十九步-第二十四步，请参见11月《测试测量特刊》。