藏區(qū)太陽能照明壁柜磚系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

1 引言
??? 太陽能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源，日益受到世界各國的重視。西藏地區(qū)，地廣人稀，太陽能光伏發(fā)電成為首選。西藏地區(qū)最為迫切的問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)計的一個太陽能光伏發(fā)電照明系統(tǒng)，可嵌入到建筑材料中，使用方便。

2 設(shè)計思路
??? 通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，藏民們最希望解決照耀和手機(jī)充電問題。不難看出，采用小型化的光伏發(fā)電系統(tǒng)解決藏民的切身問題才是關(guān)鍵。西藏地區(qū)的陽光充分，藏式建筑多是南北朝向，并且在朝向南方的地方設(shè)置陽臺或窗戶。如果在靠南的墻上設(shè)計一個壁柜形狀的“磚”，在這塊“磚”靠墻外處安裝上太陽能光伏電池板，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”可同時解決照明和手機(jī)充電問題。光伏充電系統(tǒng)、蓄電池、系統(tǒng)控制板、太陽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，為了方便更換電池，把太陽能壁柜磚設(shè)計成能夠像壁柜一樣，可以通過合頁打開(安裝高度宜為1．5 m處，方便用戶操作)。
??? 為了使該系統(tǒng)能夠為廣大藏民所接受，必須考慮以下幾點(diǎn)：(1)由于終端用戶是廣大藏區(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，必須考慮兩級保護(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、太陽能電池板、太陽能充放電控制器、蓄電池組成，如圖1所示。

??? 圖1中，LCD采用SPLC501模組，通過SPCE061A直接控制，配合鍵盤輸入來設(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))；鍵盤設(shè)計比較簡潔，主要仿造鼠標(biāo)的操作來設(shè)計，使用戶對系統(tǒng)的設(shè)置和操作簡單化，共設(shè)置3個鍵：上翻、下翻和確認(rèn)鍵；語音提示則使用SPCE061A的DA通道，經(jīng)過由SPY0030構(gòu)成的音頻放大電路直接輸出到揚(yáng)聲器；太陽能電池板的開路電壓為20 V，考慮到對蓄電池的保護(hù)，選用8 W型號；蓄電池選用20AH，DC12V型；最后，在控制器引出多路強(qiáng)制開關(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12．0V，由蓄電池提供(直接從J10引出)。J1接入太陽能電池板，整個主回路必須通過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)成的電路是實現(xiàn)MOSFET V1控制的關(guān)鍵。

??? 在NPN三極管的基極通過R11與PWM相連接，而該P(yáng)WM波則通過SPCE061A主控板輸出控制信號。當(dāng)PWM輸出為低電平時，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)，太陽能電池板與蓄電池的充電回路等價于開路狀態(tài)；當(dāng)PWM輸出為高電平時，VQ3導(dǎo)通，太陽能電池板正極→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)。
??? 整個電路控制的核心是PWM波對MOSFET導(dǎo)通截止的控制，該設(shè)計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
??? 過載保護(hù)是通過采集充放電電路的狀態(tài)值(主回路的電流)實現(xiàn)的，當(dāng)充放電電路出現(xiàn)異常時，不妨設(shè)放電電流較大時，則電路通過主回路使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實際接近地電位，在分析充電過程中，可近似等效為地電位。
??? 圖3為過載保護(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。

??? I_AD信號通過IC1A開環(huán)電壓比較器，與基準(zhǔn)電壓V_REF(1．4V)進(jìn)行比較，在未過充時，I_AD信號的輸出電位應(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，該狀態(tài)不會對由VQ1、VQ2、VQ5、VQ6所組成的控制回路產(chǎn)生影響，即由R21和VD9所形成的支路等價于斷開。
??? 如果是過放情況，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，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的集電極均通過電阻與電源正極相連，因此，VQ2和VQ6無條件強(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，這樣就避免過放電(即負(fù)載短路)。

5 軟件部分設(shè)計
??? 該系統(tǒng)具備藏文界面和漢文界面，用戶可根據(jù)實際需要切換。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)具備自動關(guān)燈設(shè)置功能，報警次數(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個按鍵，即：上翻鍵，下翻鍵和確認(rèn)鍵。這種鍵盤設(shè)計類似鼠標(biāo)的按鍵，操作和設(shè)定方便。
5．1 系統(tǒng)程序設(shè)計
??? 圖4為主程序流程。該程序是一個死循環(huán)，在循環(huán)過程中，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)入二級界面(如充電電壓設(shè)置、放電電壓設(shè)置等)之前，必須通過向上或向下的按鍵選擇要進(jìn)入的二級界面菜單。同時，必須按確認(rèn)鍵才能夠進(jìn)入二級界面菜單．該子程序提供20 s不操作就自動返回的功能。
??? (2)充電控制子函數(shù)通過采樣太陽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，三段式充電算法也在該子函數(shù)中實現(xiàn)；充電控制子函數(shù)也對過充進(jìn)行檢測；通過使用R14電阻采集當(dāng)前回路電流，通過放大器精密放大，由A/D通道計算電壓值，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)是否處于過流狀態(tài)。如果過流，則使用軟件方式強(qiáng)制關(guān)斷；否則，進(jìn)一步檢測蓄電池是否處于低電壓狀態(tài)。如果低于預(yù)設(shè)門坎電壓，則啟動報警并關(guān)斷輸出回路；如果大于預(yù)設(shè)的門限電壓，則檢測輸出回路是否已經(jīng)開啟，同時判斷定時時間，以實現(xiàn)定時關(guān)閉照明負(fù)載的功能。
5．2 軟件保護(hù)部分
??? 過充電和過放電保護(hù)由兩級保護(hù)組成，一級是采用軟件保護(hù)，通過采集充放電回路的電路狀態(tài)，由軟件關(guān)斷外部電路實現(xiàn)；另一級則是硬件強(qiáng)制關(guān)斷保護(hù)如圖3所示，即在電路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過充電或者過放電時，硬件電路自動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、電池過放、電池過充。
??? 這3種情況的軟件保護(hù)都是通過采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析系統(tǒng)所處的狀態(tài)，通過單片機(jī)對系統(tǒng)控制而實現(xiàn)對系統(tǒng)保護(hù)；而硬件強(qiáng)制關(guān)斷在系統(tǒng)處于過流放電的情況下(如負(fù)載短路)，不管軟件保護(hù)是否啟動，硬件強(qiáng)制關(guān)斷會自動響應(yīng)，關(guān)閉負(fù)載輸出，對系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

6 測試結(jié)果
??? 結(jié)合西藏地區(qū)的實際情況，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)計了藏區(qū)太陽能照明壁柜磚。設(shè)計完成后，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)行實地測試，效果較好。表1為設(shè)備指標(biāo)測試結(jié)果。因此，該設(shè)計在應(yīng)用方面具有一定的新意，是一個較為經(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。