秦曉梅， 巢 明， 程春雨， 陳 景， 孫 鵬， 王開宇

(大連理工大學(xué) 電工電子國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心； 電工電子國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，遼寧 大連 116023)

0 引 言

能源是人類賴以生存的主要條件之一，人類社會的文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展很大程度上是建立在化石能源開發(fā)利用的基礎(chǔ)之上。然而，到了21世紀(jì)的今天，由于化石能源在開采與使用過程中衍生的日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染，以及不可再生的化石能源儲量的日益枯竭[1]，使綠色、清潔、環(huán)保、可持續(xù)性的能源愈加引起人們的廣泛關(guān)注，其中太陽能是最典型的可再生新能源[2]。太陽是萬物之母，能源之源，它具有取之不盡、用之不竭、清潔安全、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。國家以往殺雞取卵、竭澤而漁的發(fā)展方式走到了盡頭，順應(yīng)自然、保護(hù)生態(tài)的綠色發(fā)展昭示著未來。為深化教學(xué)改革，建設(shè)一流本科實(shí)踐教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與社會熱點(diǎn)問題相結(jié)合設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，提高學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)的興趣，使高等教育更具時代意義，更是高校教師的使命感及社會責(zé)任感。

《單片機(jī)原理及實(shí)驗(yàn)》是電類專業(yè)的必修課，該課是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，融合了電路理論、計算機(jī)基礎(chǔ)、數(shù)字電路與系統(tǒng)、模擬電子技術(shù)、計算機(jī)原理、微機(jī)接口技術(shù)等相關(guān)知識，是電類專業(yè)課程教學(xué)的重要組成部分[3]。傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都是基于實(shí)驗(yàn)箱來模擬工程場景而設(shè)計教學(xué)案例，如交通燈控制、電梯運(yùn)行控制、自動報時系統(tǒng)等，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不利于學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為了更好地激發(fā)學(xué)生潛能，樹立學(xué)生的社會責(zé)任感， 培養(yǎng)學(xué)生的主人翁意識，中心結(jié)合當(dāng)今社會熱點(diǎn)問題設(shè)計教學(xué)案例，向太陽要能源，基于單片機(jī)設(shè)計微型太陽能電站低功耗控制系統(tǒng)。當(dāng)光線條件適宜時，通過太陽能電池板吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)換為電能。利用此電能對鉛酸電池進(jìn)行充電，整個充電過程由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制及顯示，從而實(shí)現(xiàn)智能充電；同時鉛酸電池還為其他負(fù)載進(jìn)行供電，整個過程綠色環(huán)保，節(jié)能減排。實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，為了鍛煉學(xué)生，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次化、開放化，充分調(diào)動學(xué)生的主動性和能動性，切實(shí)有效地提高學(xué)生的動手和工程實(shí)踐能力[4-6]。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

基于單片機(jī)的太陽能電站控制系統(tǒng)由18 V單晶硅太陽能電池板(也稱光伏傳感器)、6 V鉛酸蓄電池[7]、充電控制電路、單片機(jī)系統(tǒng)模塊電路、低壓差開關(guān)型穩(wěn)壓器、多路A/D轉(zhuǎn)換模塊、12864顯示模塊、多路場效應(yīng)管供電控制電路等環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖1所示。

本系統(tǒng)由單片機(jī)為核心的主控板和具有一定功能的n塊負(fù)載板組成?？傮w架構(gòu)如下：① 由單片機(jī)的主控器控制太陽能板對鉛酸電池的充電，以保證對全系統(tǒng)的供電：通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，為鉛酸電池充電。由單片機(jī)通過PWM信號控制場效應(yīng)管，以控制充電電流的大小，通過多路AD轉(zhuǎn)換器分別采集鉛酸電池的電壓和太陽能板的輸出電壓，作為調(diào)節(jié)PWM信號占空比的判斷依據(jù)。② 根據(jù)需要由主控器實(shí)現(xiàn)對負(fù)載板電源的通/斷控制管理，以保證電池的正常使用：由多路場效應(yīng)管(MOS管)構(gòu)成多塊負(fù)載板供電控制電路。當(dāng)電池電壓過低時由主控器發(fā)出指令，切斷負(fù)載板的供電電源，以進(jìn)一步降低整個系統(tǒng)的功耗，保護(hù)電池不會因過度放電而損壞。

圖1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)鉛酸電池的工作參數(shù)和太陽能板的輸出特性，合理的設(shè)計出PWM的函數(shù)方程，從而實(shí)現(xiàn)充電電路的智能輸出控制與管理，確保電池充電的高效率和安全性，如圖2所示。

圖2 PWM函數(shù)方程

通過顯示電路實(shí)時顯示太陽能板的輸出電壓、鉛酸電池的電壓以及對應(yīng)的PWM信號的占空比。

2 單晶硅太陽能電池板

單晶硅太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率較高，通常為15%左右，最高達(dá)到24%，是目前所有太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，采用透明度較高的防水環(huán)氧樹脂封裝成低鐵鋼化玻璃封裝，因此其堅固耐用，使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年，工作溫度范圍在-40～90 ℃之間。本系統(tǒng)采用單晶硅太陽能電池板輸出最大功率為50 W，輸出峰值電壓為18 V。

3 充電管理控制電路

整個系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于對鉛酸電池的充電管理。充電管理控制電路由絕緣柵增強(qiáng)型P溝道場效應(yīng)管IRF9540、光電耦合器、限流保護(hù)電阻等構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 充電管理控制電路

采用P溝道MOS管做開關(guān)的原因是其導(dǎo)通時內(nèi)阻特別低，約為0.01 Ω，由于工作于PWM的開關(guān)狀態(tài)，所以自身功耗可以忽略。如果選用三極管做開關(guān)，導(dǎo)通時內(nèi)阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.1 Ω，不適于低功耗系統(tǒng)設(shè)計。P溝道MOS管的特點(diǎn)是低電平導(dǎo)通，之所以采用P溝道，是因?yàn)樵谠O(shè)計的電路中，高電平是太陽能電池板的電壓，該電壓是個變化量(18～0 V)，用其做控制電平不穩(wěn)定，如果用低電平控制的話一定是穩(wěn)定的。

系統(tǒng)采用的MOS管屬于絕緣柵型器件，是電壓控制型元件，輸入阻抗很高，接近于無窮大。當(dāng)有人靠近或周圍有電磁場干擾時，很容易在柵極(即G極)累積一個電場的電壓，造成誤操作。因此設(shè)計電路時一定要加一個負(fù)偏電阻，阻值約為0.1～1 MΩ，這樣當(dāng)沒有信號輸入時，始終是截止的。

用光電耦合器做場效應(yīng)(MOS)管的驅(qū)動信號源，光電耦合器的輸入端接至單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號，PWM是占空比可調(diào)的方波信號。當(dāng)PWM信號為高電平時，通過300 Ω的限流電阻驅(qū)動光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管亮，使得內(nèi)部的光敏三極管導(dǎo)通，此時C、E結(jié)壓差為零，光耦的輸出為零，這樣使P溝道MOS管的柵極電壓為0 V，S極與D極導(dǎo)通，太陽能板向電池充電的回路導(dǎo)通；反之當(dāng)PWM信號為低電平時，光耦的發(fā)光二極管不亮，內(nèi)部的光敏三極管截止，此時光耦輸出為高電平，使P溝道MOS管的柵極電壓為高電平， S極與D極截止，充電的回路斷開。利用PWM信號占空比的變化改變電池充電電流變化，占空比越大充電電流就越大，反之占空比越小充電電流越小。

光耦作為MOS管的控制輸入端，理論上MOS管的反偏電阻和光耦的負(fù)載電阻用一個即可，但是經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，如果用0.1～1 MΩ電阻，光耦的輸出端的信號就變成了較為遲鈍的充放電波形，使MOS管進(jìn)入線性狀態(tài)而發(fā)熱并消耗大量的能量。這種現(xiàn)象的原因是由于該電阻過大，當(dāng)光敏三極管在導(dǎo)通到截止或截止到導(dǎo)通變化時因電阻太大造成分布電容上的電壓很難馬上釋放掉，其波形就不是正常的PWM信號了。因此用0.1 MΩ電阻就可以解決這個問題，而且對MOS管沒有任何影響，因?yàn)镸OS管不取電流，只取電壓，只是當(dāng)光耦輸出為低電平期間會消耗5 mA的電流，而帶來的益處則是能保證MOS管快速的導(dǎo)通與截止，避免其過熱并保證電路長期穩(wěn)定的工作。

4 單片機(jī)模塊

該系統(tǒng)中單片機(jī)模塊所承擔(dān)的工作是：由單片機(jī)通過PWM信號控制場效應(yīng)管，以控制充電電流的大??；通過多路AD轉(zhuǎn)換器分別采集鉛酸電池的電壓和太陽能板的輸出電壓，作為調(diào)節(jié)PWM信號占空比的判斷依據(jù)；驅(qū)動顯示器件顯示充電的狀態(tài)信息等。

本設(shè)計采用PIC18F452單片機(jī)作為主控器，其內(nèi)部具有8路10位ADC通道，1個CCP模塊，自帶上電自動復(fù)位功能、WDT看門狗電路等[8]。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PIC18F452單片機(jī)最小系統(tǒng)

其中ADC電路，可根據(jù)需要設(shè)置為10位或8位轉(zhuǎn)換精度。既可以直接使用內(nèi)部的VCC做轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電源以簡化系統(tǒng)設(shè)計，也可以使用外接的“專用基準(zhǔn)電源Uref”做輸入，以提高轉(zhuǎn)換精度。ADC模塊的轉(zhuǎn)換時鐘頻率可以通過編程來設(shè)置，可選由“系統(tǒng)時鐘”的分頻或“內(nèi)部自帶RC振蕩器”兩種振蕩源作為轉(zhuǎn)換時鐘，當(dāng)采用“內(nèi)部自帶RC振蕩器”模式時，可在單片機(jī)處于“SLEEP”狀態(tài)下正常實(shí)現(xiàn)AD的轉(zhuǎn)換。

CCP模塊可以實(shí)現(xiàn)“輸入捕捉Capture”、“輸出比較Compare”和“脈寬調(diào)制PWM—Pulse Width Modulation”等功能。

設(shè)計有SLEEP模式，以滿足系統(tǒng)的低功耗設(shè)計要求。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行SLEEP指令進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，系統(tǒng)時鐘fosc停振，單片機(jī)自身的工作電流可以降低到15 μA。睡眠狀態(tài)可由WDT(看門狗)或與系統(tǒng)時鐘無關(guān)的中斷喚醒。

5 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

在太陽能電站控制系統(tǒng)的設(shè)計中，除了要考慮對電池充電的電流控制外，降低整個系統(tǒng)的功耗是非常重要的環(huán)節(jié)。若系統(tǒng)自身功耗過大，對鉛酸電池形成很大的供電負(fù)擔(dān)，特別是當(dāng)太陽光減弱或消失后，整個系統(tǒng)將由鉛酸電池獨(dú)立供電，降低了系統(tǒng)工作的持續(xù)性，這種狀況的持續(xù)會造成電池過度放電，系統(tǒng)也會因電壓降低而停止工作，過低的電壓甚至?xí)p壞電池。

在系統(tǒng)設(shè)計中除了采用低功耗元器件和單片機(jī)外，選用具備SLEEP技術(shù)的單片機(jī)是降低系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)正常工作時主控器板子的電流消耗為45 mA，其中單片機(jī)本身消耗電流35 mA。當(dāng)進(jìn)入SLEEP狀態(tài)時，自身的電流則由35 mA下降為微安級。

具體實(shí)現(xiàn)方案是系統(tǒng)設(shè)計中有一個低功耗的光敏傳感器模塊，當(dāng)太陽光線消失且電池電壓低于6 V時，系統(tǒng)執(zhí)行SLEEP命令，單片機(jī)時鐘系統(tǒng)停震，自身的電流由35 mA下降為μA級。主控器在進(jìn)入SLEEP前通過主控器單片機(jī)的引腳輸出高電平(對應(yīng)P溝道MOS管)將其供電全部切斷，使整個硬件系統(tǒng)(包括主控器和負(fù)載板電路)的功耗降為最低，使鉛酸電池的供電電流趨近于零，如圖5所示。當(dāng)外界的陽光增強(qiáng)時，光敏電阻組件的INTx端會向主控器發(fā)出中斷申請，以喚醒睡眠狀態(tài)下的主控單片機(jī)，使整個系統(tǒng)恢復(fù)工作并向電池充電。負(fù)載板供電控制電路板如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

光敏電阻測光模塊由光敏電阻、LM339比較器、電位器W等組成，如圖7所示。選擇一個適當(dāng)?shù)墓饩€，調(diào)節(jié)電位器，使比較器處于一個接近反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，即比較器的同相端(+)與反相端(-)的電壓近似相等。當(dāng)環(huán)境光線繼續(xù)變亮?xí)r，光敏電阻的阻值變小，比較器的反相端(-)的電壓下降，這樣同相端的電壓高于反相端的電壓，比較器輸出一個高電平；反之如果環(huán)境光線變暗時，光敏電阻的阻值增加，反向端的電壓要高于同相端，因此比較器輸出零電平。將此信號送入單片機(jī)的中斷輸入引腳，借此可以用來查詢或引發(fā)單片機(jī)的中斷。LM339是OC門結(jié)構(gòu)，因此要有一個10 kΩ左右的上拉電阻。

圖6 負(fù)載板供電控制電路板

圖7 光敏電阻測光電路

為了保證電池在安全的電壓范圍內(nèi)工作，除了在充電狀態(tài)下利用PWM技術(shù)控制電池的充電電流，防止因過充電而損壞電池以外，在電池放電過程中也要對電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測、控制。

當(dāng)環(huán)境光線變暗，太陽能板失去為電池充電能力后，整個系統(tǒng)由電池獨(dú)立提供能源，此時系統(tǒng)對電池電壓進(jìn)行檢測，如果電池電壓低于6.0 V時，則切斷負(fù)載板的供電并將主控器進(jìn)入到SLEEP狀態(tài)，在這種情況下，單片機(jī)自身功耗電流降為十幾μA，加之所有的負(fù)載板斷電，使電池處于微供電狀態(tài)，有效防止電池因過度放電而損壞。

當(dāng)環(huán)境光線逐漸變亮?xí)r，光敏電阻模塊會通過INTx信號產(chǎn)生中斷，喚醒處于SLEEP狀態(tài)下主控器并恢復(fù)所有負(fù)載板供電，整個系統(tǒng)被喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。睡眠技術(shù)及中斷喚醒操作流程如圖8所示。

圖8 睡眠技術(shù)及中斷喚醒操作流程圖

6 實(shí)驗(yàn)案例

這種基于社會熱點(diǎn)問題、從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)設(shè)計的教學(xué)案例，具有模塊化、層次化、多方案、工程化、綜合性的特點(diǎn)，如圖9所示。各個功能模塊都可以選用不同的電子元器件，采用不同的設(shè)計方案，學(xué)生可以根據(jù)自身的能力興趣選擇不同層次的方案來進(jìn)行綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)[9-12]。

圖9 教學(xué)案例特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)案例經(jīng)過2年的實(shí)施，深受學(xué)生喜愛，同時也吸引了很多(包括非電類的)學(xué)生在小學(xué)期的實(shí)驗(yàn)室開放周中進(jìn)行實(shí)踐。學(xué)生設(shè)計制作的基于單片機(jī)的微型太陽能電站低功耗控制系統(tǒng)實(shí)物如圖10所示，同時選出優(yōu)秀的作品用于在實(shí)驗(yàn)室展板中為其他系統(tǒng)板進(jìn)行供電。

圖10 學(xué)生作品展示

7 結(jié) 語

為深化教學(xué)改革，建設(shè)一流本科實(shí)踐教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)課程結(jié)合社會熱點(diǎn)問題設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，對學(xué)生的綜合設(shè)計能力、實(shí)踐動手能力以及創(chuàng)新能力都有了很大的提升[13-16]，同時也為后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)以及各類競賽積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

在系統(tǒng)功能方面，仍有許多地方值得進(jìn)一步探索與提高，以訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計能力。如通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺實(shí)現(xiàn)太陽能板與陽光的自動跟蹤功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的充電效率等。中心將在實(shí)踐中繼續(xù)探索，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性，全方位訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。