1 引言

　　太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源,，日益受到世界各國(guó)的重視,。西藏地區(qū),，地廣人稀，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為首選,。西藏地區(qū)最為迫切的問(wèn)題不是廣泛建立光伏發(fā)電站,，具體原因有：首先，光伏發(fā)電站的建站成本高,，目前,，其成本是采用燃煤發(fā)電的10倍左右；另一方面,，要考慮到維護(hù)成本,，如果設(shè)備在交付使用后，終身由供貨公司維護(hù),，勢(shì)必付出高昂的維護(hù)經(jīng)費(fèi),，尤其設(shè)備安裝在偏遠(yuǎn)山區(qū)，維護(hù)不方便,。而高昂的成本使太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備在西藏地區(qū)推廣步履維艱,。該系統(tǒng)是為西藏地區(qū)藏式建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)，可嵌入到建筑材料中,，使用方便,。

　　2 設(shè)計(jì)思路

　　通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，藏民們最希望解決照耀和手機(jī)充電問(wèn)題,。不難看出,，采用小型化的光伏發(fā)電系統(tǒng)解決藏民的切身問(wèn)題才是關(guān)鍵。西藏地區(qū)的陽(yáng)光充分,，藏式建筑多是南北朝向,，并且在朝向南方的地方設(shè)置陽(yáng)臺(tái)或窗戶(hù),。如果在靠南的墻上設(shè)計(jì)一個(gè)壁柜形狀的“磚”，在這塊“磚”靠墻外處安裝上太陽(yáng)能光伏電池板,，而“磚”靠墻內(nèi)處則安裝上照明負(fù)載,、手機(jī)充電接頭及控制面板，那么,，這塊壁柜照明“磚”可同時(shí)解決照明和手機(jī)充電問(wèn)題,。光伏充電系統(tǒng)、蓄電池" title="蓄電池">蓄電池,、系統(tǒng)控制板,、太陽(yáng)能光伏充電控制器等電子設(shè)備全部安裝在壁柜“磚”內(nèi)，同時(shí),，為了方便更換電池,，把太陽(yáng)能壁柜磚" title="壁柜磚">壁柜磚設(shè)計(jì)成能夠像壁柜一樣，可以通過(guò)合頁(yè)打開(kāi)(安裝高度宜為1．5 m處,，方便用戶(hù)操作),。

　　為了使該系統(tǒng)能夠?yàn)閺V大藏民所接受，必須考慮以下幾點(diǎn)：(1)由于終端用戶(hù)是廣大藏區(qū),，因此系統(tǒng)控制界面必須考慮藏文界面,、漢字界面以及藏語(yǔ)提示3種功能，使人機(jī)交互更加人性化,，方便藏民使用,；(2)在偏遠(yuǎn)山區(qū)，夜晚藏式建筑室內(nèi)光線很弱,，必須增加遙控功能,；(3)在系統(tǒng)充電時(shí)，必須考慮兩級(jí)保護(hù)措施,，即：硬件電路保護(hù)和軟件電路保護(hù),，以免在誤操作情況下系統(tǒng)無(wú)法正常工作；(4)為了保護(hù)鉛酸蓄電池,，必須使用功率稍大的太陽(yáng)能電池板,，提高充電效率，避免鉛酸電池處于虧損狀態(tài),，從而可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,。

　　3 系統(tǒng)硬件組成

　　系統(tǒng)硬件主要由SPCE061A主控板、太陽(yáng)能電池板,、太陽(yáng)能充放電控制器,、蓄電池組成，如圖1所示,。

　　圖1中,，LCD采用SPLC501模組,，通過(guò)SPCE061A直接控制，配合鍵盤(pán)輸入來(lái)設(shè)置和顯示系統(tǒng)的相關(guān)信息,；狀態(tài)指示燈直接顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如充電狀態(tài)),；鍵盤(pán)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔，主要仿造鼠標(biāo)的操作來(lái)設(shè)計(jì),，使用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置和操作簡(jiǎn)單化，共設(shè)置3個(gè)鍵：上翻,、下翻和確認(rèn)鍵,；語(yǔ)音提示則使用SPCE061A的DA通道，經(jīng)過(guò)由SPY0030構(gòu)成的音頻放大電路直接輸出到揚(yáng)聲器,；太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓為20 V,，考慮到對(duì)蓄電池的保護(hù)，選用8 W型號(hào),；蓄電池選用20AH,，DC12V型；最后,，在控制器引出多路強(qiáng)制開(kāi)關(guān)和負(fù)載輸出接口,。

　　4 硬件電路原理

　　4．1 充電主回路工作原理

　　圖2為充電主回路原理圖。J1為太陽(yáng)能電池板接入端J10是12 V的蓄電池引出端,。系統(tǒng)主控單片機(jī)工作于5．0 V電壓下,，控制電路工作無(wú)12．0V，由蓄電池提供(直接從J10引出),。J1接入太陽(yáng)能電池板,，整個(gè)主回路必須通過(guò)MOSFETV1→L1→VDI(2545)→F1(RF30)→J10→R14→接地形成充電回路，而該充電核心就是控制V1,，由R11,，VQ3(8050)，R7,，R3以及電路IRF9540構(gòu)成的電路是實(shí)現(xiàn)MOSFET V1控制的關(guān)鍵,。

　　在NPN三極管的基極通過(guò)R11與PWM相連接，而該P(yáng)WM波則通過(guò)SPCE061A主控板輸出控制信號(hào),。當(dāng)PWM輸出為低電平時(shí),，NPN三極管VQ3的主回路處于截止?fàn)顟B(tài)，由此判斷,，MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài),，太陽(yáng)能電池板與蓄電池的充電回路等價(jià)于開(kāi)路狀態(tài)；當(dāng)PWM輸出為高電平時(shí),，VQ3導(dǎo)通,，太陽(yáng)能電池板正極→R3→R7→VQ3→接地形成回路,，由于R3的分壓作用，使得MOSFET導(dǎo)通,，充電主回路導(dǎo)通,，蓄電池處于充電狀態(tài)。

　　整個(gè)電路控制的核心是PWM波對(duì)MOSFET導(dǎo)通截止的控制,，該設(shè)計(jì)采用三段式充電方法,，主控板SPCE061A具備PWM輸出功能，保證本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三段式充電算法,，從而有效保護(hù)蓄電池,。

　　4．2 硬件保護(hù)電路工作原理

　　過(guò)載保護(hù)" title="過(guò)載保護(hù)">過(guò)載保護(hù)是通過(guò)采集充放電電路的狀態(tài)值(主回路的電流)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)充放電電路出現(xiàn)異常時(shí),，不妨設(shè)放電電流較大時(shí),，則電路通過(guò)主回路使I＿DET的電位減小。圖2中,，由B+→+F1→J10→I_DET→R14→接地的主回路看出,，I_IDE實(shí)際接近地電位，在分析充電過(guò)程中,，可近似等效為地電位,。

　　圖3為過(guò)載保護(hù)電路，由VDD→R30→R35→地,，可以算出IC1B(LM358A)的同向端為0．15 V,；而由R24和R25構(gòu)成的反饋閉環(huán)回路則使得等式(Vo－V＿)/R25=(V_-0)/R24成立，進(jìn)而可得等式：Vo=(V_R25)/R24+V-,，由于運(yùn)放處于深度負(fù)反饋狀態(tài),，則有V_=V+=0．15 V。I_DET的電位變化經(jīng)IC1B后放大,，即電位變正則在放大后電位更高,，如果是負(fù)向變化(如放電)，則電位向負(fù)向變化更明顯．最終輸出的是電位變化較大的I_AD信號(hào),。

　　I_AD信號(hào)通過(guò)IC1A開(kāi)環(huán)電壓比較器,，與基準(zhǔn)電壓V_REF(1．4V)進(jìn)行比較，在未過(guò)充時(shí),，I_AD信號(hào)的輸出電位應(yīng)為2．107 5 V,，高于IC1A同向端的基準(zhǔn)電壓1．4 V，則電路輸出為低,，即地電位,。此時(shí)，該狀態(tài)不會(huì)對(duì)由VQ1、VQ2,、VQ5,、VQ6所組成的控制回路產(chǎn)生影響，即由R21和VD9所形成的支路等價(jià)于斷開(kāi),。

　　如果是過(guò)放情況,，主回路的電流增加，I_DET的電位減小→IC1B的輸出I_AD電位更低(小于比較器的基準(zhǔn)電壓V_REF)→比較器輸出的電位由低變?yōu)楦?INT1為高電平),。此時(shí),，VQ2和VQ6(是控制回路另一路)在INT1高電平的作用下，經(jīng)VD9(或VD5)→VQ6(或VQ2)→地,，而VQ2和VQ6的集電極均通過(guò)電阻與電源正極相連,，因此，VQ2和VQ6無(wú)條件強(qiáng)制導(dǎo)通,，V1_Driver，V2_Driver被強(qiáng)制拉至低電平,，照明輸出負(fù)載將被強(qiáng)制關(guān)斷,，這樣就避免過(guò)放電(即負(fù)載短路)。

　　5 軟件部分設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)具備藏文界面和漢文界面,，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要切換,。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置靈活，必須考慮最低充電電壓,、最低放電電壓等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置,；為使操作更人性化，該系統(tǒng)具備自動(dòng)關(guān)燈設(shè)置功能,，報(bào)警次數(shù)設(shè)置等其他輔助功能,。考慮到該系統(tǒng)主要用于藏區(qū)偏遠(yuǎn)山區(qū),，操作簡(jiǎn)潔,，人機(jī)交互界面友好是首要考慮因素。該系統(tǒng)的輸入使用3個(gè)按鍵,，即：上翻鍵,，下翻鍵和確認(rèn)鍵。這種鍵盤(pán)設(shè)計(jì)類(lèi)似鼠標(biāo)的按鍵,，操作和設(shè)定方便,。

　　5．1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　圖4為主程序流程。該程序是一個(gè)死循環(huán),，在循環(huán)過(guò)程中,，完成系統(tǒng)設(shè)置、充電控制、放電控制等功能,。

　　(1)系統(tǒng)設(shè)置子函數(shù)提供人機(jī)交互的接口,。首先，該子函數(shù)對(duì)系統(tǒng)初始化,，進(jìn)而進(jìn)人系統(tǒng)設(shè)置主界面,。在進(jìn)入二級(jí)界面(如充電電壓設(shè)置、放電電壓設(shè)置等)之前,，必須通過(guò)向上或向下的按鍵選擇要進(jìn)入的二級(jí)界面菜單,。同時(shí)，必須按確認(rèn)鍵才能夠進(jìn)入二級(jí)界面菜單．該子程序提供20 s不操作就自動(dòng)返回的功能,。

　　(2)充電控制子函數(shù)通過(guò)采樣太陽(yáng)能電池板的輸出電壓與蓄電池電壓的A/D轉(zhuǎn)換值,，確定蓄電池是否需要充電，在充電方式調(diào)整的子函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)處理,。同時(shí),，三段式充電算法也在該子函數(shù)中實(shí)現(xiàn)；充電控制子函數(shù)也對(duì)過(guò)充進(jìn)行檢測(cè),；通過(guò)使用R14電阻采集當(dāng)前回路電流,，通過(guò)放大器精密放大，由A/D通道計(jì)算電壓值,，從而可逆推陳出新出當(dāng)前回路電流值,。

　　(3)放電控制子函數(shù)放電控制子函數(shù)首先采集放電回路電流值，判斷系統(tǒng)是否處于過(guò)流狀態(tài),。如果過(guò)流,，則使用軟件方式強(qiáng)制關(guān)斷；否則,，進(jìn)一步檢測(cè)蓄電池是否處于低電壓狀態(tài),。如果低于預(yù)設(shè)門(mén)坎電壓，則啟動(dòng)報(bào)警并關(guān)斷輸出回路,；如果大于預(yù)設(shè)的門(mén)限電壓,，則檢測(cè)輸出回路是否已經(jīng)開(kāi)啟，同時(shí)判斷定時(shí)時(shí)間,，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)關(guān)閉照明負(fù)載的功能,。

　　5．2 軟件保護(hù)部分

　　過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)由兩級(jí)保護(hù)組成，一級(jí)是采用軟件保護(hù),，通過(guò)采集充放電回路的電路狀態(tài),，由軟件關(guān)斷外部電路實(shí)現(xiàn)；另一級(jí)則是硬件強(qiáng)制關(guān)斷保護(hù)如圖3所示,，即在電路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過(guò)充電或者過(guò)放電時(shí),，硬件電路自動(dòng)判斷該電路的異常狀態(tài)，強(qiáng)制關(guān)閉外部電路。而軟件保護(hù)包括3部分：電路突發(fā)異常,、電池過(guò)放,、電池過(guò)充。

　　這3種情況的軟件保護(hù)都是通過(guò)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),，進(jìn)一步分析系統(tǒng)所處的狀態(tài),，通過(guò)單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)控制而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)保護(hù)；而硬件強(qiáng)制關(guān)斷在系統(tǒng)處于過(guò)流放電的情況下(如負(fù)載短路),，不管軟件保護(hù)是否啟動(dòng),，硬件強(qiáng)制關(guān)斷會(huì)自動(dòng)響應(yīng)，關(guān)閉負(fù)載輸出,，對(duì)系統(tǒng)起到保護(hù)作用,。

　　6 測(cè)試結(jié)果

　　結(jié)合西藏地區(qū)的實(shí)際情況，考慮到偏遠(yuǎn)藏區(qū)照明和手機(jī)充電的需求,，結(jié)合藏式建筑的特點(diǎn),，設(shè)計(jì)了藏區(qū)太陽(yáng)能照明" title="太陽(yáng)能照明">太陽(yáng)能照明壁柜磚。設(shè)計(jì)完成后,，先后到拉薩的郊區(qū),、山南地區(qū)的農(nóng)牧區(qū)等地區(qū)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，效果較好,。表1為設(shè)備指標(biāo)測(cè)試結(jié)果,。因此,，該設(shè)計(jì)在應(yīng)用方面具有一定的新意,，是一個(gè)較為經(jīng)典的藏區(qū)藏式建筑照明和手機(jī)充電需求的解決方案。