1、帶技術光伏路燈控制系統摘 要：太陽能最大功率點跟蹤技術（MPPT）是光伏發電領域中一項非常具有價值的技術。使用Silicon Labs公司的C8051F330單片機，結合MPPT技術，設計了一套太陽能光伏路燈控制系統。系統除了具有蓄電池充、放電等常用功能外；為了節約電能，還設計了主、副路燈分時控制功能。系統軟件利用RTX51多任務實時操作系統實現。 關鍵詞：單片機；光伏發電；最大功率點跟蹤；RTX 1 光伏路燈控制系統組成及功能 本路燈控制系統由太陽能電池板、蓄電池、路燈和系統控制器四大部分組成。其結構如圖1所示。整個系統的關鍵部分是系統控制器，它不僅要實現普通光伏路燈的基本功能，如：路燈定時

2、；蓄電池充放電的管理；蓄電池的過充、過放保護；太陽能電池反接保護等，還要實現太陽能最大功率點跟蹤的功能。 系統為了適應機動車道和非機動車道照明不同的情況，設計了雙路路燈控制，即主燈主要為機動車道照明，副燈主要為非機動車道照明。并且兩路路燈控制互相獨立，可根據需要分別進行定時。 2 主要功能單元及原理 2.1 主控單元 本系統選用的主控器件為美國Silicon Labs公司的C8051F330型8位單片機。該單片機具有雙路獨立8/16位PWM輸出功能；10位A/D；8K FLASH和768 Bytes的內部數據RAM；內部高頻晶振頻率最高可達24.5 MHz；還有17個標準I/O口，是一款性價比

3、很高的單片機。 圖2中，S1為8位撥碼開關，用來設定主、副路燈定時時間。因為主、副燈定時各占用4位撥碼開關，所以可定時時間范圍為115小時。 2.2 最大功率點跟蹤控制 恒壓跟蹤方式（CVT）是一種具有控制簡單、可靠性較高、穩定性好、易于實現等優點的太陽能最大功率點跟蹤方法。但是由于它受溫度影響較大，只能在一定的溫度條件下進行最大功率點跟蹤，而一些路燈的使用環境是較為惡劣的，所以，本系統使用了擾動觀察法來實現太陽能最大功率點的跟蹤。 擾動法是通過對太陽能電池在某一時刻的輸出電壓、輸出電流進行檢測，得到該狀態下太陽能電池的輸出功率，再將它與前一時刻的功率值比較，根據兩次（也可多次采樣）功率值的差

4、值來確定下一步給定負載端參考電壓調整的方向。 從功率比較的角度分析，假設兩次采樣的功率分別為P1，P2，P=P2-P1。當P0時，說明參考電壓調整的方向是正確的，需繼續按原方向調整；當P=0時，說明參考電壓調整方向與預期的方向是相反的，需要反向調整。 一般來說，僅從功率比較的結果是不容易反映出系統變化的真實情況的。但是，如果將參考電壓和功率結合起來考慮就比較理想了。本系統采用了比值比較的方式來判斷參考電壓和功率的變化情況，這里設定了一個比較標志Flag， 在實現MPPT算法時，為了增加系統響應的快速性，可以采用變步長的尋優法。由于光伏系統的特性較軟，在正常情況下變化不是特別劇烈，所以一般都使用

5、定步長尋優法，這樣也利于程序的實現。 2.3 蓄電池充、放電控制 系統使用鉛酸蓄電池作為儲能元件，由于太陽能電池板發出的電能受天氣情況影響較大，這就對蓄電池的充、放電提出了較高的要求，因此，本系統采用雙標三階段方法來給蓄電池充電。 雙標三階段充電法的充電步驟是：（1）當蓄電池端電壓低于額定開路電壓時，用太陽能電池所能提供的最大電流給蓄電池充電，一直充到蓄電池端電壓達到額定開路電壓為止；（2）以額定開路電壓為蓄電池充電，直到充電電流下降至額定浮充電流；（3）當蓄電池經過第2個充電狀態后，再以額定浮充電壓為標準給蓄電池充電。浮充電壓的選擇十分重要，因為根據蓄電池相關理論，如果浮充電壓出現5的誤差就

6、會導致蓄電池使用壽命縮短一半，所以在使用時一定要精確的對浮充電壓進行定標。 系統在白天工作時使用霍爾電壓、電流傳感器對蓄電池的端電壓和充電電流進行采樣，單片機根據采樣值與設定值的比較結果來產生PWM控制信號，對蓄電池充、放電的全過程進行監控。在夜間，由于沒有了陽光，系統會自動關閉PWM信號輸出，停止對蓄電池充電，這樣也可以降低系統的總體功耗。當遇上陰雨天氣，連續幾天無法給蓄電池充電時，系統將根據設定的蓄電池最低放電電壓來判斷是否需要切斷負載，以避免蓄電池由于過放電而損壞。 3 系統軟件設計 在白天，系統正常工作時要進行以下主要任務操作：（1）蓄電池的充、放電控制；（2）穩定輸出電壓；（3）對太

7、陽能電池板進行最大功率點跟蹤；（4）判斷是否天黑。夜間，系統進行的操作除了上述1、2兩項外，還要進行路燈定時控制和判斷是否天亮等操作。為了提高系統的實時性，故本系統采用了多任務并行的軟件結構，即以上多個任務在處理器的控制下同時進行操作，這樣就大大提高了系統的實時特性。 3.1 RTX51多任務實時操作系統 RTX51是一個用于8051系列處理器的多任務實時操作系統，它可以簡化那些復雜而且對時間要求較為嚴格的工程軟件的設計工作。RTX51有兩個版本：RTX51 Full和RTX51 Tiny。Full版本的RTX51使用四個任務優先權完成同時存在時間片輪轉調度和搶先的任務切換。Tiny版本的RT

8、X51是Full的一個子集，它可以很容易地在沒有外部存儲器的單片8051系統上運行，但它僅支持時間片輪轉任務切換和使用信號量進行任務切換。由于本系統所設定的各任務之間的切換和調用不是十分復雜，所以采用的是Tiny RTX51，這樣也不用再添加外部存儲設備。 3.2 系統軟件結構 光伏路燈控制 /*/ # include # include job0 （） _task_ 0 /任務0系統初始化；建立其他分任務 os_create_task （1）； os_create_task （2）； os_create_task （3）； while （1） job1 （） _task_ 1 /任務1蓄電池

9、充、放電控制子程序 while （1） Os_wait（N）； job2 （） _task_ 2 /任務2路燈定時控制子程序 while （1） Os_wait（N）； job3 （） _task_ 3 /任務3MPPT控制子程序 while （1） Os_wait（N）； 以上為本系統軟件的主要結構。 系統軟件主要執行的任務有： 蓄電池的充、放電； 穩定輸出電壓； 太陽能最大功率點跟蹤； 負載定時控制。這些任務之間有著信號量和執行條件的約束等關系，如系統輸出穩壓值是依據蓄電池的端電壓來確定的；當負載開始定時，就要關閉太陽能最大功率點跟蹤功能等等。但是，它們在功能上又具有獨立性，所以，在將它們

10、分成獨立的任務段的同時，還要保證各任務之間的信號量和約束條件參數的正確傳遞。 在以上的軟件結構中，任務0的主要作用是初始化系統和建立其他幾個獨立的任務程序，在RTX51系統中，可以利用os_create_task （） 函數來建立新任務。每個新任務都由一段無限循環的操作來實現，其中，os_wait （N） 函數為各個任務規定了運行時間，防止任務進入死循環，N為設定的時鐘常數。各個任務之間利用RTX51中的其他系統函數來進行信號量的傳遞等操作。 4 結語 本文設計了一套具有MPPT功能的光伏路燈控制系統，并制作了實驗板，經過一段時間的測試表明，添加了MPPT技術后，使太陽能電池板的發電效率提高了近25，按市場均價40元/瓦來計算，一塊100W的太陽能板就可以增加效益1000元左右，因此具有很高的實用推廣價值。 參考文獻 1歐陽名三.獨立光伏系統