基于C8051F920的太陽能金鹵燈控制器設(shè)計

在世界能源短缺、環(huán)境污染日益嚴重的今天，如何有效地利用清潔的太陽能正在成為各國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略。目前，大部分照明設(shè)備仍以傳統(tǒng)能源來照明，所以充分利用太陽能作為照明設(shè)備的能源供給，在節(jié)約能源、保護環(huán)境等方面具有重要意義。
為此，設(shè)計了具有太陽能供電功能的金鹵燈控制器。該控制器既具有金鹵燈電子鎮(zhèn)流器功能，又具有太陽能充電器功能。該控制器作為電子鎮(zhèn)流器，與傳統(tǒng)鎮(zhèn)流器相比，具有功率因素高，運行穩(wěn)定，體積小等優(yōu)點。作為具有太陽能供電功能的控制器，根據(jù)設(shè)定，控制器白天控制太陽能充電系統(tǒng)對12 V／100 Ah蓄電池充電，晚上使金鹵燈工作。由于太陽能光伏板在自然環(huán)境下容易受到雷擊損壞，所以該控制器在設(shè)計時還兼顧了防雷擊的保護功能。

1 控制器整體結(jié)構(gòu)
該控制器采用微型封裝的C8051F920單片IC作為CPU，C8051F920作為一款高集成度(SoC)，高速度(100 MIPS)的IC，其具有如下特點：
(1)高性能集成模擬外設(shè)。數(shù)據(jù)采集時一般可以免去外部模擬部件和系統(tǒng)校準、多通道高速采樣，有利于節(jié)電設(shè)計。同時也可以省去外部時鐘器件。模擬信號布線已在片內(nèi)完成，所以可簡化PCB設(shè)計，改善系統(tǒng)的噪音性能。具有10位分辨率ADC，以及高精度的內(nèi)部振蕩器(1．5％)。
(2)外部通信接口?？赏ㄟ^軟件選擇UART，SM-Bus／12c，SPI之一作為串行通信接口，具有特殊串行接口USB 2．0，CAN 2．OB，16位和8位的復用和非復用并行數(shù)據(jù)總線。
(3)高性能數(shù)字I／O。具有計數(shù)器／定時器PCA模塊，I／O可實時動態(tài)配置。
該控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

太陽能光伏板接入光伏信號處理電路，光伏電壓經(jīng)PWM充電控制電路送到12 V蓄電池內(nèi)。正常工作時，12 V蓄電池輸出電壓經(jīng)高頻平面變壓器次級感應(yīng)升壓、整流后到全橋電路。同時12 V輸出電壓與電壓變換電路相連接，向控制器其他電路供電。
全橋驅(qū)動電路與點火電路、金鹵燈相連。全橋驅(qū)動電路采用UBA2032芯片。當金鹵燈發(fā)生短路時，全橋驅(qū)動短路可關(guān)閉全橋。鍵盤和顯示人機接口可對點火時間、方式、充電過壓保護范圍等進行設(shè)定。升壓整流電路與開關(guān)控制電路相連，將輸入12 V升壓到60～120 V，供金鹵燈工作。
MCU監(jiān)控電路與PWM充電電路、電壓變換電路、全橋驅(qū)動電路、鍵盤和顯示人機接口相連，對12 V蓄電池的充放電、點火線圈、金鹵燈的啟動和穩(wěn)定運行及電路保護進行控制。點火電路對升壓后的負電壓進行整流并與點燈線圈一起形成10～20 kV的點燈電壓。信號檢測和轉(zhuǎn)換電路具有對12 V蓄電池的當前電壓、電流、蓄電池充電電流、光伏信號處理電路的電壓進行檢測的功能。[next]

光伏信號處理電路包括防信號反接電路、光伏電壓取樣電路和雷擊保護電路。其中，防信號反接電路可以阻止光伏信號反接輸入對控制器電路造成損壞。電壓取樣電路提供給C8051F920采樣后的光伏電壓信號。雷擊保護電路可以防止將天空中閃電、雷擊引入控制器而造成損壞。PWM充電控制電路將對蓄電池充電， MCU輸出的PWM信號用于驅(qū)動大功率MOS管，控制充電電壓的大小，以免造成對蓄電池的損壞。
2．2 電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計
升壓整流電路包括反激式升壓高頻平面變壓器和快恢復整流二極管及保護電路。高頻平面變壓器初級連接到電源的輸入端和功率MOS管，次級連接到整流二極管和保護電路。金鹵燈啟動時，次級提供400 V左右的直流電壓，該電壓經(jīng)三倍壓整流電路變換為1 200 V的直流電壓。正常工作時，變壓器的次級提供60～120 V直流電壓。升壓后的電壓信號經(jīng)過LM2902傳送至C8051F920，以實現(xiàn)電壓取樣檢測。
全橋驅(qū)動電路采用飛利浦公司推出的UBA2032高壓單片IC，UBA2032片內(nèi)集成有電壓穩(wěn)壓器、振蕩器、輸入信號延遲和橋路禁止電路、控制邏輯、高／低壓電平移位器、高端左／右驅(qū)動器和低端左／右驅(qū)動器等單元電路。當金鹵燈發(fā)生短路時，全橋驅(qū)動短路可關(guān)閉全橋，實現(xiàn)對金鹵燈的保護。
鍵盤顯示電路連接到C8051F920的SPI接口上，可實現(xiàn)點燈時間、方式、充電過壓保護范圍等的設(shè)定。ZLG7290是一種全新的、具有I2C總線的鍵盤和顯示接口芯片，使用該芯片設(shè)計的鍵盤和顯示電路，在設(shè)置完參數(shù)后，可以拔掉不用，簡化了控制器硬件和軟件設(shè)計。信號檢測和轉(zhuǎn)換電路將充電電流和點燈電流在取樣電阻上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，并放大到合適的范圍給MCU的A／D輸入端；另一方面，點燈電流信號的點燈電壓信號經(jīng)放大比較電路連接到開關(guān)控制電路，直接控制燈的開路和短路保護。
2．3 點火電路的設(shè)計
金鹵燈的工作可分為三個階段：電極釋放自由電子，電子在外加電場中加速；自由電子的動能轉(zhuǎn)化為氣體原子的激發(fā)能；激發(fā)能轉(zhuǎn)換為光能。
圖3為金鹵燈的伏安特性曲線。

由于金鹵燈內(nèi)充滿惰性氣體，其擊穿電壓很高，通常要求達到20 kV左右，故要求點火電路能夠提供足夠高的電壓?；诖?，通過將變壓器次級與圖4所示的三倍壓點火電路相連，可獲得1 200 V的電壓，再經(jīng)過點燈線圈連接至金鹵燈后，可在金鹵燈的兩極得到20 kV左右的點燈電壓。[next]

3 充電系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件采用模塊化設(shè)計，其工作流程如圖5所示。通過程序?qū)崟r檢測太陽能光伏板和蓄電池的電壓大小。白天向蓄電池充電時通過控制PWM充電電壓的大小，以避免因為充電電壓太大而損壞蓄電池；晚上關(guān)閉充電電路，并檢測蓄電池電壓和點燈標記，只有當滿足設(shè)定的點燈要求時才啟動點燈程序。

4 結(jié) 語
介紹一種具有太陽能供電功能的金鹵燈控制器的設(shè)計。通過采用C8051F920單片機實現(xiàn)了電子鎮(zhèn)流器和太陽能充電的雙重功能。在充分了解金鹵燈的工作特點后設(shè)計了控制器的各部分子電路。經(jīng)過試驗測量，整機工作電流小于20 mA，大大地減小了控制器本身電能的消耗。該控制器在實時檢測蓄電池的電量后控制太陽能充電系統(tǒng)的工作狀態(tài)和燈的各個工作狀態(tài)，能夠使金鹵燈可靠穩(wěn)定地運行，達到了設(shè)計要求。