藏区太阳能照明壁柜砖系统的设计实现

藏区太阳能照明壁柜砖系统的设计实现

1 引言
    太阳能作为一种可持续利用的清洁能源，日益受到世界各国的重视。西藏地区，地广人稀，太阳能光伏发电成为首选。西藏地区最为迫切的问题不是广泛建立光伏发电站，具体原因有：首先，光伏发电站的建站成本高，目前，其成本是采用燃煤发电的10倍左右；另一方面，要考虑到维护成本，如果设备在交付使用后，终身由供货公司维护，势必付出高昂的维护经费，尤其设备安装在偏远山区，维护不方便。而高昂的成本使太阳能光伏发电设备在西藏地区推广步履维艰。该系统是为西藏地区藏式建筑设计的一个太阳能光伏发电照明系统，可嵌入到建筑材料中，使用方便。

2 设计思路
    通过调查发现，藏民们最希望解决照耀和手机充电问题。不难看出，采用小型化的光伏发电系统解决藏民的切身问题才是关键。西藏地区的阳光充分，藏式建筑多是南北朝向，并且在朝向南方的地方设置阳台或窗户。如果在靠南的墙上设计一个壁柜形状的“砖”，在这块“砖”靠墙外处安装上太阳能光伏电池板，而“砖”靠墙内处则安装上照明负载、手机充电接头及控制面板，那么，这块壁柜照明“砖”可同时解决照明和手机充电问题。光伏充电系统、蓄电池、系统控制板、太阳能光伏充电控制器等电子设备全部安装在壁柜“砖”内，同时，为了方便更换电池，把太阳能壁柜砖设计成能够像壁柜一样，可以通过合页打开(安装高度宜为1．5 m处，方便用户操作)。
    为了使该系统能够为广大藏民所接受，必须考虑以下几点：(1)由于终端用户是广大藏区，因此系统控制界面必须考虑藏文界面、汉字界面以及藏语提示3种功能，使人机交互更加人性化，方便藏民使用；(2)在偏远山区，夜晚藏式建筑室内光线很弱，必须增加遥控功能；(3)在系统充电时，必须考虑两级保护措施，即：硬件电路保护和软件电路保护，以免在误操作情况下系统无法正常工作；(4)为了保护铅酸蓄电池，必须使用功率稍大的太阳能电池板，提高充电效率，避免铅酸电池处于亏损状态，从而可以延长蓄电池的使用寿命。

3 系统硬件组成
    系统硬件主要由SPCE061A主控板、太阳能电池板、太阳能充放电控制器、蓄电池组成，如图1所示。

    图1中，LCD采用SPLC501模组，通过SPCE061A直接控制，配合键盘输入来设置和显示系统的相关信息；状态指示灯直接显示系统当前的状态(如充电状态)；键盘设计比较简洁，主要仿造鼠标的操作来设计，使用户对系统的设置和操作简单化，共设置3个键：上翻、下翻和确认键；语音提示则使用SPCE061A的DA通道，经过由SPY0030构成的音频放大电路直接输出到扬声器；太阳能电池板的开路电压为20 V，考虑到对蓄电池的保护，选用8 W型号；蓄电池选用20AH，DC12V型；最后，在控制器引出多路强制开关和负载输出接口。

4 硬件电路原理
4．1 充电主回路工作原理
    图2为充电主回路原理图。J1为太阳能电池板接入端J10是12 V的蓄电池引出端。系统主控单片机工作于5．0 V电压下，控制电路工作无12．0V，由蓄电池提供(直接从J10引出)。J1接入太阳能电池板，整个主回路必须通过MOSFETV1→L1→VDI(2545)→F1(RF30)→J10→R14→接地形成充电回路，而该充电核心就是控制V1，由R11，VQ3(8050)，R7，R3以及电路IRF9540构成的电路是实现MOSFET V1控制的关键。

    在NPN三极管的基极通过R11与PWM相连接，而该PWM波则通过SPCE061A主控板输出控制信号。当PWM输出为低电平时，NPN三极管VQ3的主回路处于截止状态，由此判断，MOSFET处于截止状态，太阳能电池板与蓄电池的充电回路等价于开路状态；当PWM输出为高电平时，VQ3导通，太阳能电池板正极→R3→R7→VQ3→接地形成回路，由于R3的分压作用，使得MOSFET导通，充电主回路导通，蓄电池处于充电状态。
    整个电路控制的核心是PWM波对MOSFET导通截止的控制，该设计采用三段式充电方法，主控板SPCE061A具备PWM输出功能，保证本系统实现三段式充电算法，从而有效保护蓄电池。
4．2 硬件保护电路工作原理
    过载保护是通过采集充放电电路的状态值(主回路的电流)实现的，当充放电电路出现异常时，不妨设放电电流较大时，则电路通过主回路使I＿DET的电位减小。图2中，由B+→+F1→J10→I_DET→R14→接地的主回路看出，I_IDE实际接近地电位，在分析充电过程中，可近似等效为地电位。
    图3为过载保护电路，由VDD→R30→R35→地，可以算出IC1B(LM358A)的同向端为0．15 V；而由R24和R25构成的反馈闭环回路则使得等式(Vo－V＿)/R25=(V_-0)/R24成立，进而可得等式：Vo=(V_R25)/R24+V-，由于运放处于深度负反馈状态，则有V_=V+=0．15 V。I_DET的电位变化经IC1B后放大，即电位变正则在放大后电位更高，如果是负向变化(如放电)，则电位向负向变化更明显．最终输出的是电位变化较大的I_AD信号。

    I_AD信号通过IC1A开环电压比较器，与基准电压V_REF(1．4V)进行比较，在未过充时，I_AD信号的输出电位应为2．107 5 V，高于IC1A同向端的基准电压1．4 V，则电路输出为低，即地电位。此时，该状态不会对由VQ1、VQ2、VQ5、VQ6所组成的控制回路产生影响，即由R21和VD9所形成的支路等价于断开。
    如果是过放情况，主回路的电流增加，I_DET的电位减小→IC1B的输出I_AD电位更低(小于比较器的基准电压V_REF)→比较器输出的电位由低变为高(INT1为高电平)。此时，VQ2和VQ6(是控制回路另一路)在INT1高电平的作用下，经VD9(或VD5)→VQ6(或VQ2)→地，而VQ2和VQ6的集电极均通过电阻与电源正极相连，因此，VQ2和VQ6无条件强制导通，V1_Driver，V2_Driver被强制拉至低电平，照明输出负载将被强制关断，这样就避免过放电(即负载短路)。

5 软件部分设计
    该系统具备藏文界面和汉文界面，用户可根据实际需要切换。系统参数设置灵活，必须考虑最低充电电压、最低放电电压等系统参数的设置；为使操作更人性化，该系统具备自动关灯设置功能，报警次数设置等其他辅助功能。考虑到该系统主要用于藏区偏远山区，操作简洁，人机交互界面友好是首要考虑因素。该系统的输入使用3个按键，即：上翻键，下翻键和确认键。这种键盘设计类似鼠标的按键，操作和设定方便。
5．1 系统程序设计
    图4为主程序流程。该程序是一个死循环，在循环过程中，完成系统设置、充电控制、放电控制等功能。

    (1)系统设置子函数提供人机交互的接口。首先，该子函数对系统初始化，进而进人系统设置主界面。在进入二级界面(如充电电压设置、放电电压设置等)之前，必须通过向上或向下的按键选择要进入的二级界面菜单。同时，必须按确认键才能够进入二级界面菜单．该子程序提供20 s不操作就自动返回的功能。
    (2)充电控制子函数通过采样太阳能电池板的输出电压与蓄电池电压的A/D转换值，确定蓄电池是否需要充电，在充电方式调整的子函数中进行相应处理。同时，三段式充电算法也在该子函数中实现；充电控制子函数也对过充进行检测；通过使用R14电阻采集当前回路电流，通过放大器精密放大，由A/D通道计算电压值，从而可逆推陈出新出当前回路电流值。
    (3)放电控制子函数放电控制子函数首先采集放电回路电流值，判断系统是否处于过流状态。如果过流，则使用软件方式强制关断；否则，进一步检测蓄电池是否处于低电压状态。如果低于预设门坎电压，则启动报警并关断输出回路；如果大于预设的门限电压，则检测输出回路是否已经开启，同时判断定时时间，以实现定时关闭照明负载的功能。
5．2 软件保护部分
    过充电和过放电保护由两级保护组成，一级是采用软件保护，通过采集充放电回路的电路状态，由软件关断外部电路实现；另一级则是硬件强制关断保护如图3所示，即在电路网络出现过充电或者过放电时，硬件电路自动判断该电路的异常状态，强制关闭外部电路。而软件保护包括3部分：电路突发异常、电池过放、电池过充。
    这3种情况的软件保护都是通过采集系统的数据，进一步分析系统所处的状态，通过单片机对系统控制而实现对系统保护；而硬件强制关断在系统处于过流放电的情况下(如负载短路)，不管软件保护是否启动，硬件强制关断会自动响应，关闭负载输出，对系统起到保护作用。

6 测试结果
    结合西藏地区的实际情况，考虑到偏远藏区照明和手机充电的需求，结合藏式建筑的特点，设计了藏区太阳能照明壁柜砖。设计完成后，先后到拉萨的郊区、山南地区的农牧区等地区进行实地测试，效果较好。表1为设备指标测试结果。因此，该设计在应用方面具有一定的新意，是一个较为经典的藏区藏式建筑照明和手机充电需求的解决方案。