嘿！用Arduino造一個(gè)太陽能充電控制器吧

一年前我在房子內(nèi)設(shè)計(jì)了一套太陽能系統(tǒng)來供電，開始用的是基于LM317的充電控制器和一個(gè)能量計(jì)來監(jiān)視這一套系統(tǒng)。最后換成了PWM控制器。在今年4月份把這個(gè)PWM控制器分享到網(wǎng)上后，瞬間就引起了大量關(guān)注。每天都收到了關(guān)于修改太陽能電池板和電池軟硬件的郵件，很大一部分都是建議把該系統(tǒng)換成12V電池供電。

為改進(jìn)上述問題，我設(shè)計(jì)了一套新的硬件和軟件系統(tǒng)，這個(gè)全新版本可以讓大家使用起來更方便。在這次設(shè)計(jì)中，我把能量計(jì)和充電控制器整合在一起。

第二代充電控制器的規(guī)格

1、 內(nèi)含充電控制器與能量計(jì)

2、 可選擇6V與12V電池

3、 可依據(jù)不同的電池電壓自動(dòng)進(jìn)行充電調(diào)節(jié)的PWM充電模式

4、 LED顯示電量狀態(tài)以及負(fù)載狀態(tài)

5、 20*4 LCD顯示電壓、電流、功率、能量以及溫度

6、 雷電保護(hù)

7、 反向電流保護(hù)

8、短路和過載保護(hù)

9、充電溫度補(bǔ)償

電氣特性

1、 額定電壓=6V/12V

2、 最大電流=10A

3、 最大負(fù)載電流=10A

4、 6V系統(tǒng)開路電壓=8-11V

12V系統(tǒng)開路電壓=15-25V

第一步：準(zhǔn)備材料

電子元件：

1、 Arduino Nano

2、 P溝道MOSFET IRF9540*2

3、 MBR 2045功率二極管

4、 穩(wěn)壓器（LM7805）

5、 溫度傳感器（LM35）

6、 電流傳感器（ACS712）

7、 TVS二極管（P6KE36CA）

8、 三極管（2N3904或2N2222）

9、 電阻（100k*2，20k*2，10k*2，1k*2，330Ω*5）

10、 陶瓷電容（0.1μF*2）

11、 電解電容（100μF和10μF）

12、 20*4 I2C LCD

13、 RGB LED

14、 Bi Color LED

15、 跳線

16、 頭針

17、 散熱器

18、 保險(xiǎn)絲和熔絲架

19、 按鈕

20、 穿孔板

21、 外殼

22、 接線端

23、 螺母/螺絲/螺栓

24、 塑料基板

工具：

1、 電烙鐵

2、 鋼絲鉗和剝模器

3、 螺絲刀

4、 鉆孔機(jī)

5、 Dremel工具

6、 噴膠槍

7、 小刀

第二步：控制器工作

充電控制器的核心是Arduino nano主板，arduino MCU可感應(yīng)太陽能電池板和電池電壓。該主板依據(jù)這個(gè)電壓值來對(duì)改變電池充電方式，并且控制負(fù)載。

充電電流的大小是由電池電壓和充電電壓設(shè)定值之差決定，該控制器使用了兩階段充電算法。按照此算法，控制器將發(fā)送一個(gè)固定頻率的PWM信號(hào)到太陽能電池板的P溝道MOSFET。

第三步：太陽能控制器的主要功能

以下是控制器的主要功能：

1、 電池過沖保護(hù)：當(dāng)電池充滿后，通過太陽能電池板來限制供電，這一功能由我的程序的周期代碼來實(shí)現(xiàn)。

2、 電池過度放電保護(hù)：當(dāng)電池到了低電量狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)斷開與電路負(fù)載的連接。由負(fù)載控制代碼完成。

3、 負(fù)載控制功能：在特定的時(shí)間內(nèi)連接和斷開負(fù)載，當(dāng)日落時(shí)斷開負(fù)載，日出則進(jìn)行連接。

4、 監(jiān)視功率和能量：監(jiān)視負(fù)載功率和能量，并通過顯示器顯示。

5、 異常狀況保護(hù)：在雷電、過壓、過流和短路的情況下保護(hù)電路。

6、 顯示功能：所有參數(shù)都可顯示。

7、 串行通信

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本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)11月《測(cè)試測(cè)量特刊》EE SHOW欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！

第四步：感應(yīng)電壓、電流和溫度

1、 電壓傳感器

電壓傳感器用來感應(yīng)太陽能電池板和電池的電壓，可通過兩個(gè)分壓器電路來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)電路均由100k和20k的電阻分別感應(yīng)太陽能電池板和電池電壓，R1和R2的輸出端與arduino A0腳相連，R3和R4與arduino的A1腳連接。

2、 電流傳感器

電流傳感器在這里是用來測(cè)量負(fù)載電流的，然后用這個(gè)電流值來計(jì)算負(fù)載功率及能量，我用的是ACS712-20A。

3、 溫度傳感器

用來感應(yīng)室內(nèi)溫度，我用的是LM35，使用溫度范圍在-55℃-150℃范圍內(nèi)。

為何需要溫度監(jiān)控？

首先，隨著溫度的變化，電池的化學(xué)反應(yīng)也在改變。因此，在溫度變化時(shí)進(jìn)行充電調(diào)整非常重要。溫度傳感器專門監(jiān)控電池溫度，同時(shí)太陽能控制器還可通過此輸入端來調(diào)整合適的設(shè)定值。酸式電池的補(bǔ)償值為- 5mv /℃/cell（12V的電池為–30mV/oC，6V電池是15mV/oC）。這里的負(fù)號(hào)表示溫度升高時(shí)需要調(diào)低充電設(shè)定值。

第五步：校準(zhǔn)傳感器

電壓傳感器：

以arduino Vcc 的5V作為參考，校準(zhǔn)電壓等于5/1024，即0.0048828V

Vout=Vin*R2/（R1+R2）

Vin = Vout*（R1+R2）/R2 R1=100 and R2=20

Vin= ADC count*0.00488*（120/20） Volt

電流傳感器：

靈敏度為100mV/A

無測(cè)試電流的輸出電壓為VCC/2=2.5V

ADC count= 1024/5*Vin ，Vin=2.5+0.100*I

ADC=204.8（2.5+0.1*I） =512+20.48*I

可推出I =（ADC count/20.48）- 512/20.48=0.04882*ADC -25

溫度傳感器：

靈敏度為10 mV/°C

補(bǔ)償為（5/1024）*ADC count*100

第六步：充電過程

1、大電流快充，在此模式下預(yù)設(shè)的恒定電流會(huì)經(jīng)過電池，而這個(gè)過程不需要PWM，因?yàn)殡姵卣谶M(jìn)行充電，所以電池電壓也隨之增長。

2、恒壓充電，當(dāng)電池電壓到達(dá)快充設(shè)定值后，PWM會(huì)進(jìn)行控制，保持電壓不變。以免過熱等反應(yīng)，同時(shí)電流也會(huì)降低至安全等級(jí)，電池將完全充電。

3、 涓流充電：電池完全充電后，充電電壓會(huì)逐漸降低。

上述是理想的充電過程。

充電循環(huán)過程：

當(dāng)太陽能電池板的電壓大于電池電壓時(shí)，進(jìn)行大電流快速充電過程。但電池電壓到達(dá)14.4V時(shí)，將進(jìn)入恒壓充電模式。隨后PWM信號(hào)會(huì)管理充電電流，以使電池電壓在14.4V的狀態(tài)維持1小時(shí)。涓流充電過程的電池電壓為13.6V，當(dāng)電池電壓值低于13.6V超過10分鐘，充電將進(jìn)一步循環(huán)。

第七步：負(fù)載控制

通過監(jiān)控日出、日落來進(jìn)行負(fù)載控制。負(fù)載控制的主要作用是斷開負(fù)載與電池的連接，以防止深度放電而損壞電池。

當(dāng)太陽能電池電壓大于5V是表示日出，反之則為日落。

接通情形：晚上PV電壓低于5V，電池電壓高于LVD設(shè)定值時(shí)，控制器將接通負(fù)載，并且負(fù)載指示燈將變亮。

斷開情形：以下兩種情形負(fù)載會(huì)斷開：

1、 早上PV電壓大于5V時(shí)

2、 電池電壓低于LVD設(shè)定值時(shí)

紅燈亮即表示負(fù)載已經(jīng)斷開（LVD表示低電壓斷開）

第八步：功率與能量

功率是電壓與電流的乘積，即P=U*I

能量則是功率和時(shí)間的乘積，E=P*t

為監(jiān)控負(fù)載功率以及能量，參數(shù)均會(huì)在20*4LCD上顯示。

第九步：保護(hù)

1、 太陽能電池板的反極性保護(hù)

2、 過充保護(hù)

3、 深度放電保護(hù)

4、 短路和過載保護(hù)

5、 反向電流保護(hù)

6、 太陽能電池板輸入端過壓保護(hù)

可用功率二極管MBR2045來實(shí)現(xiàn)反極性和反向電流保護(hù)。而過沖和深度放電保護(hù)是通過軟件來控制。過流和過載保護(hù)只需兩個(gè)保險(xiǎn)絲（一根是在太陽能電池板的一端，另外一個(gè)是在負(fù)載端）

很多因素可導(dǎo)致暫時(shí)性的過壓現(xiàn)象，但是雷電的影響最嚴(yán)重。在這個(gè)設(shè)計(jì)中采用了雙向TVS二極管P6KE36CA來抑制雷電和過壓帶來的危害。上一個(gè)設(shè)計(jì)用的是整流二極管，你也可以在負(fù)載端加上同樣的TVS二極管。

第十步：LED指示燈

電池電量指示燈：這是電池電量的主要表示方式，用RGB LED按照上圖進(jìn)行連接。

Battery LED燈表示電池狀態(tài)

紅色表示電壓過低

綠色表示電壓正常

藍(lán)色表示完全充

Load LED燈表示負(fù)載狀態(tài)

綠色表示負(fù)載連接

紅色表示負(fù)載斷開

最后一個(gè)LED是顯示太陽能電池板的狀態(tài)

第十一步：LCD顯示

上圖20x4 I2C LCD顯示了電壓、電流、功率、能量和溫度。顯示的內(nèi)容可在代碼中進(jìn)行改變。

第十二步：面包板測(cè)試

焊接之前在面包板上進(jìn)行測(cè)試是很棒的辦法。在連接好所有器件后，上傳代碼。根據(jù)用戶的需要，在代碼中進(jìn)行修改即可。

第十三步：電源和接線端子

接線端：為太陽能輸入端、電池和負(fù)載端連接增加三個(gè)螺絲接線端，中間的是連接電池的，左邊連接太陽能電池板，右邊連接負(fù)載。

電源：在上一版本里使用了9V電池給arduino供電，現(xiàn)在用穩(wěn)壓器（LM7805）把電池電壓調(diào)低到5V。經(jīng)過幾次測(cè)試后發(fā)現(xiàn)用LM7805容易發(fā)熱而浪費(fèi)能量，所以采用更高效的DC-DC降壓變換器更可靠。

第十四步：裝配

按上述圖片裝好各元件，并在板子背面焊接好。從圖中可看到，我分別用紅色和黑色線把穩(wěn)壓器的5V端和GND腳連接在板上。不過為了美觀性，我把它們焊接在背面。

第十五步：焊接

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按照原理圖來焊接所有的元件。在兩個(gè)MOSFET和功率二極管上均裝上散熱器。

備注：MBR2045有兩個(gè)陽極和一個(gè)陰極，所以需要將這兩個(gè)陽極短路連接。

第十六步：連接電流傳感器

連接好所有元件后，在MOSFET的漏極和負(fù)載熔絲架的上端上焊接兩根粗線。然后將這兩根線連到螺絲接線端。

第十七步：制作LED指示和溫度傳感板

原理圖上只有2個(gè)LED，但是為了顯示太陽能電池板上的狀態(tài)，另外增加了一個(gè)LED。

這里需要準(zhǔn)備一個(gè)如上圖的小型穿孔板，然后在板的兩側(cè)鉆兩個(gè)3.5mm的孔。

將LED插到板上并且在背面進(jìn)行焊接，還有用來插入溫度傳感器的3腳的排母和一個(gè)連接外部設(shè)備的10PIN直角排針。然后把RGB LED的陽極連接到溫度傳感器的Vcc腳。

第十八步：最終測(cè)試

在主板和顯示板都設(shè)計(jì)完后，用跳線連接各排母。每個(gè)連接都需按照原理圖操作。將USB接線插入arduino，然后下載代碼。如果你想看到連續(xù)的監(jiān)控效果，就保持這個(gè)連接。

保險(xiǎn)絲額定值：在樣品中用的是5A的熔絲架，但是實(shí)際用途上使用的是120%-125%的短路電流保險(xiǎn)絲。

控制器的連接

首先，將控制器與電池連接，而且需要線連接負(fù)極再連正極。然后連接太陽能電池板，同樣是先負(fù)后正。最后連接負(fù)載。

測(cè)試方法

在這里我用的降壓變壓器和黑布來測(cè)試控制器。變換器的輸入端連接電池，輸出端連接控制器電池端。

電池狀態(tài)

用螺絲刀旋轉(zhuǎn)變換器的電位計(jì)，來模擬不同的電池電壓。LED等也會(huì)隨著電壓的變化變亮和熄滅。注意在這過程中太陽能電池板需保持?jǐn)嚅_或者是用黑布/紙板將其覆蓋。

日出/日落

用黑布來模擬即可

負(fù)載控制

按照電池的電量和日出、日落的變化，負(fù)載會(huì)進(jìn)行連接或斷開。

溫度補(bǔ)償

在溫度傳感器附近加熱或者用冰塊等降溫，可以在LCD顯示屏上立即看到溫度的變化。

充電補(bǔ)償?shù)脑O(shè)定值可在串口監(jiān)視器上顯示。

第十九步-第二十四步，請(qǐng)參見11月《測(cè)試測(cè)量特刊》。