第３４卷第５期
Ｖ０１．３４
Ｎ½．５
½水学院学报
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２０１２年１０月
Ｏ½½．２０１２
ＵＮ眦ＲＳＩＴＹ
基于ＳＴＭ８的新型光伏控制器设计
陈
超，陈小元，吴夏来
（½水学院工学院，浙江½水３２３０００）
摘要：介绍一种采用½ＴＭ８芯片½为核心的中小型独立光伏充放电系统控制器的基本原理及其
功½，详细讨论电路主回路、开关管驱动电路、供电电源、控制电路、参数检测电路和人机交互模块等
主要组成部分的电路设计。该控制器可实现整个光伏充放电系统工½状态控制和蓄电池的½量管
理，功½完善，性½稳定，电路简单且成本½廉。
关键词：控制器；单片机；蓄电池；太阳½
½½½：１０．３９６９／½．½½½½．２０９５—３８０１．２０１２．０５．００８
中图分类号：ＴＭ３４３
文献标志码：Ａ
文章编号：２０９５—３８０１（２０１２）０５—００３４—０４
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０引言
目前，中小型独立光伏充放电系统在边远地区的通讯、交通、电力等领域得到了广泛应用。系统主要由太阳
½电池组件、蓄电池、光伏控制器、负½½组成。其中光伏控制器是整个系统自动运行的核心，其性½对整个系统的
成本和可靠性有着重要的½响。½往往因为充放电控制不合理，导致控制器故障较多，维修成本高，½响整个系
统正常½用。
本文研制了一款基于ＳＴＭ８单片机的新型光伏充放电控制器，讨论了电路主回路、开关管驱动电路、供电电
源、控制电路、参数检测电路和人机交互模块等主要组成部分电路的设计，实现了系统工½状态控制和蓄电池的
½量管理。
１
独立光伏充放电系统设计
收稿日期：２０１２—０５—０２
½者简介：陈超，男，浙江永康人，助教，硕士。
万方数据
第５期
陈超，陈小元，吴夏来：基于ＳＴＭ８的新型光伏控制器设计
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图１所示为常规中小型独立光伏系统结构图，主要由太阳½电池板、蓄电池、负½½和控制器组成。１２Ｖ规格
的太阳½电池板开路电压超过２１Ｖ，工½电压在１５Ｖ左右，采用一块或两块串联½为输入电源，可分别满足１２Ｖ
和２４Ｖ蓄电池的供电要求，且如½用８０½的太阳½电池板，根据太阳½电池板的电压电流特眭【１】，短路电流也不
超过８Ａ，可以自实现蓄电池的充电电流上限保护功½。独立光伏充放电系统常用在小区的路灯照明上，如采用
½½½的路灯负½½，１天工½１０½，采用３３Ａ½容量的１２Ｖ蓄电池可保证连续３个阴雨天时，系统也½正常工½。控
制器的½用是对独立光伏系统运行的状态进行数据采集、监控和显示，控制整个系统充放电回路的状态，保证整
个系统在长期无人职守的情况下可靠运行。
图½控制器的结构框图
２控制器电路设计
２．１
电路主回路
。
如图１所示，太阳½电池板、蓄电池和开关管Ｑ，、Ｑ：组成充电主回路，成双ＭＯＳ串联式结构。采用串联式结
构比较简便。Ｑ。、Ｑ：两个开关管共驱动信号，且源极共连。驱动信号采用Ｐ½Ｍ控制方式，可以有效提高充电效
率。开关管Ｑ，上的½二极管可防止电池板反接。½开关管导通时，电流从Ｑ，上的导电沟道流过，压降很½，可有
效减少损耗，优于单纯采用防反接二极管。
Ｑ，与输出１所接的负½½串联，接在蓄电池两端，组成蓄电池放电回路，½Ｑ，导通时，蓄电池对负½½放电。同
理，Ｑ。与输出２所接的负½½组成另一路放电回路。
２．２开关管驱动电路
图２（½）所示为充电回路上开关管Ｑ，、Ｑ：驱动电路图，图２（½）所示为放电回路上开关管Ｑ，、½驱动电路图。
由于开关管Ｑ。、Ｑ：和开关管Ｑ３、Ｑ。源极接的电½不同，因此必须采用不同的驱动方式。
由图２（½）可知，½单片机½ＴＭ８输出的控制信号Ｐ½Ｍ½为高电平时，三极管Ｔ。：关断，Ｔ１基极与发射极间无
正偏电压而关断；Ｑ，、Ｑ：上的栅极经电阻Ｒ，、Ｒ１上拉到电½Ｖ＋９；不管Ｑ。、Ｑ：是否导通，电½Ｖ＋９始终大于Ｑ。、Ｑ：
源极电压，所以½保证开关管开通。½Ｐ½Ｍ½为½电平时，Ｔ。：导通，Ｔ，亦导通；Ｒ，的阻值很小，½略其对电½的
½响，Ｑ。、Ｑ：的栅极通过Ｒ５下拉到电½ＰＶ一；Ｑ，、Ｑ：关断。综上所述：此驱动电路实现了控制信号Ｐ½Ｍ½的电½
高或½对应Ｑ，、Ｑ：的关断或导通的逻辑关系。
从图２（½）可知，½单片机½ＴＭ８输出的控制信号Ｐ½Ｍ２为高电平时，Ｔ３导通，Ｑ，关断；Ｐ½Ｍ２为½电平时，Ｑ，
开通。通过对Ｑ，的Ｐ½Ｍ控制，可以实现对负½½功率的调节，其性½优于常通控制模式。电阻Ｒ。，阻值很大，连接
在信号Ｐ½Ｍ２和电½Ｌ½ＡＤ一两端，保证缺少Ｐ½Ｍ２信号或被拉高时，½½½Ｔ３导通，Ｑ，关断；且½Ｐ½Ｍ２信号
为½电平导致Ｑ３导通时，Ｒ。，的接人½ＬＯＡＤ一的电½不会对Ｐ½Ｍ２信号产生干扰。
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½水学院学报
２０１２年
（½）Ｑ，和Ｑ：驱动电路
图２驱动电路
（½）Ｑ，驱动电路
以上２种驱动电路中，稳压二极管Ｄ：。和Ｄ恐分别限制Ｑ，、Ｑ：和Ｑ，的栅源电压，½其不超过极限值。
从以上分析可得：单片机½ＴＭ８输出的驱动控制信号与开关管栅极驱动电压可电½匹配，电路简单实用。
２．３供电电源
单片机对电源质量非常严格，系统参数的采样精度亦需要稳定的电源提供保证。同时控制电路和功率电路
的共地问题也是设计供电电源需要考虑的重要因素。本系统的控制电源直接从蓄电池取电，考虑到系统电源供
电½力要求，采用了如图３所示的电路设计。
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图３供电电源电路图
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由图３可知，若蓄电池没有连接到光伏控制器上，则ＢＡ½一端将会悬空，供电电源就无法工½。此处的二极
管Ｄ４起到防反接的½用。采用三极管Ｔ４、电阻Ｒ。，、电容½。和稳压管Ｄ，组成一级电源，并引入电压负反馈。采用
９．５Ｖ的稳压管时，可以保证输出９Ｖ的电压，½为开关管驱动电源和二级电源的输入电源。同理，二级电源采用
５．７Ｖ的稳压管，可以保证５Ｖ的输出，½为数字电源给½ＴＭ８等芯片供电。
２．４控制电路
本光伏控制器的核心是ＳＴ公司的½ＴＭ８系列的½１０５单片机，图４为其封装引脚图。该芯片功½强大，集成
度高，可以½电路简洁，方便维护。芯片集成了１６ＭＨ½的系统时钟，计算速度快；可以输出高频的Ｐ½Ｍ信号，减
小主电路的纹波电压电流；½½½精度的ＡＤＣ可以满足系统参数检测的精度；１６个高吸收电流输出½力的Ｉ，½
脚可以直接驱动数码管，无需数码管驱动芯片；内部集成的ＥＥＰＲＯＭ，可以记½系统故障信息等重要信息；特别
是芯片具有的½功耗模式，可以减小待机损耗田。
２．５参数检测电路
太阳½电池板的电压检测方式如图½所示，通过电阻分压检测实现。电池板的电压值直接反映光照强度，
通过对电压值的判断即可估算出光照强度，无需额外再加光强度传感器圈。同理，蓄电池的电压参数也可通过电
阻分压的方式检测得到【４】。
２．６人机交互模块
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第５期
陈超，陈小元，吴夏来：基于ＳＴＭ８的新型光伏控制器设计
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人机交互模块包括ＬＥＤ灯、按键、数码管３个部分。５盏ＬＥＤ灯的各种组合显示可描述蓄电池剩½电量、
过½½短路报警、系统运行等状态。通过按键操½和数码管的显示，用户可以设½控制器的各种工½方式，如：
（１）纯光控模式：只要光强度降到临界点，就启动负½½；反之关闭负½½。
（２）光控加延时模式：此模式可以设½不同的延时时间。光照强度弱于设定值５分钟后，负½½开始工½。½达
到设定的延时时间时，就关闭负½½。此模式的控制策略可以适用于不同光照情况的地区。
（３）通用控制模式：取消光控、延时等功½，½为一般的控制器工½。
３充放电控制策略
有效利用蓄电池充放电特性是提高蓄电池利用率、延长其寿½的关键闭。本方案采用串联Ｐ½Ｍ式控制方
式，即在周期不变情况下，控制输出波½的占空比，通过开关管的高频导通和关断来控制充电过程。蓄电池的充
电阶段包含４个阶段同，如图５所示。
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电压
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一／
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图５充电过程曲线
图６控制器实物图
（１）快充阶段：太阳½电池板的短路电流和最大功率输出时的电流相差不大，如果短路电流小于蓄电池充电
允许的最大电流，则开关管可采用直接导通的方式对蓄电池快速充电。½输出电压达到昂。时，须切换到恒压充
电阶段。
（２）恒压充电阶段：单片机通过恒压控制模式½输出电压恒定在Ｅ½，这时候充电电路的开关管处于Ｐ½Ｍ控
制模式。随着蓄电池内部电压的升高，½充电电流减小到厶：时，须切换到过充阶段。
（３）过充阶段：在此阶段，保持充电电流为如，充电电路将会½蓄电池的供电电压升高到Ｅ矗。此时，蓄电池充
满，须切换到浮充阶段。
（４）浮充阶段：该阶段，充电电路将会为蓄电池提供一个精确控制，带温度补偿的浮充电压，保持蓄电池满额
状态。
蓄电池的放电策略主要有常通模式和Ｐ½Ｍ控制模式２种。采用常通模式，负½½可工½在满功率状态。诸如
路灯负½½，还可采用Ｐ½Ｍ控制模式，通过对占空比的调节可以调节输出平均电压，进而调节输出功率。
４结束语
本文从电路设计和蓄电池充放电控制策略２个方面研究分析了一种基于趼Ｍ８单片机的光伏控制器的设
计。其基本功½完善、性½可靠、功耗½、操½界面简单实用，可以高效完成所有功½。按照上述思想研制的光伏
控制器经过长期运行，实现了良½效果。本文设计的控制器电路简单，成本½廉，便于维修，适合于市场推广。
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万方数据
基于STM8的新型光伏控制器设计
½者：
½者单½：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
陈超， 陈小元， 吴夏来， CHEN Chao， CHEN Xiaoyuan， WU Xialai
½水学院工学院,浙江½水,323000
½水学院学报
Journal of Lishui University
2012,34(5)
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