摘 要：太阳能最大功率点跟踪技术（MPPT）是光伏发电领域中一项非常具有价值的技术。使用Silicon Labs公司的C8051F330单片机，结合MPPT技术，设计了一套太阳能光伏路灯控制系统。系统除了具有蓄电池充、放电等常用功能外；为了节约电能，还设计了主、副路灯分时控制功能。系统软件利用RTX51多任务实时操作系统实现。
关键词：单片机；光伏发电；最大功率点跟踪；RTX
1 光伏路灯控制系统组成及功能
本路灯控制系统由太阳能电池板、蓄电池、路灯和系统控制器四大部分组成。其结构如图1所示。整个系统的关键部分是系统控制器，它不仅要实现普通光伏路灯的基本功能，如：路灯定时；蓄电池充放电的管理；蓄电池的过充、过放保护；太阳能电池反接保护等，还要实现太阳能最大功率点跟踪的功能。
系统为了适应机动车道和非机动车道照明不同的情况，设计了双路路灯控制，即主灯主要为机动车道照明，副灯主要为非机动车道照明。并且两路路灯控制互相独立，可根据需要分别进行定时。
2 主要功能单元及原理
2.1 主控单元
本系统选用的主控器件为美国Silicon Labs公司的C8051F330型8位单片机。该单片机具有双路独立8/16位PWM输出功能；10位A/D；8K FLASH和768 Bytes的内部数据RAM；内部高频晶振频率最高可达24.5 MHz；还有17个标准I/O口，是一款性价比很高的单片机。
图2中，S1为8位拨码开关，用来设定主、副路灯定时时间。因为主、副灯定时各占用4位拨码开关，所以可定时时间范围为1～15小时。
2.2 最大功率点跟踪控制
恒压跟踪方式（CVT）是一种具有控制简单、可靠性较高、稳定性好、易于实现等优点的太阳能最大功率点跟踪方法。但是由于它受温度影响较大，只能在一定的温度条件下进行最大功率点跟踪，而一些路灯的使用环境是较为恶劣的，所以，本系统使用了扰动观察法来实现太阳能最大功率点的跟踪。
扰动法是通过对太阳能电池在某一时刻的输出电压、输出电流进行检测，得到该状态下太阳能电池的输出功率，再将它与前一时刻的功率值比较，根据两次（也可多次采样）功率值的差值来确定下一步给定负载端 参考 电压调整的方向。
从功率比较的角度分析，假设两次采样的功率分别为P1，P2，ΔP=P2-P1。当ΔP>0时，说明参考电压调整的方向是正确的，需继续按原方向调整；当ΔP=0时，说明参考电压调整方向与预期的方向是相反的，需要反向调整。
一般来说，仅从功率比较的结果是不容易反映出系统变化的真实情况的。但是，如果将参考电压和功率结合起来考虑就比较理想了。本系统采用了比值比较的方式来判断参考电压和功率的变化情况，这里设定了一个比较标志Flag，
在实现MPPT算法时，为了增加系统响应的快速性，可以采用变步长的寻优法。由于光伏系统的特性较软，在正常情况下变化不是特别剧烈，所以一般都使用定步长寻优法，这样也利于程序的实现。
2.3 蓄电池充、放电控制
系统使用铅酸蓄电池作为储能元件，由于太阳能电池板发出的电能受天气情况影响较大，这就对蓄电池的充、放电提出了较高的要求，因此，本系统采用双标三阶段方法来给蓄电池充电。
双标三阶段充电法的充电步骤是：（1）当蓄电池端电压低于额定开路电压时，用太阳能电池所能提供的最大电流给蓄电池充电，一直充到蓄电池端电压达到额定开路电压为止；（2）以额定开路电压为蓄电池充电，直到充电电流下降至额定浮充电流；（3）当蓄电池经过第2个充电状态后，再以额定浮充电压为标准给蓄电池充电。浮充电压的选择十分重要，因为根据蓄电池相关理论，如果浮充电压出现5％的误差就会导致蓄电池使用寿命缩短一半，所以在使用时一定要精确的对浮充电压进行定标。
系统在白天工作时使用霍尔电压、电流传感器对蓄电池的端电压和充电电流进行采样，单片机根据采样值与设定值的比较结果来产生PWM控制信号，对蓄电池充、放电的全过程进行监控。在夜间，由于没有了阳光，系统会自动关闭PWM信号输出，停止对蓄电池充电，这样也可以降低系统的总体功耗。当遇上阴雨天气，连续几天无法给蓄电池充电时，系统将根据设定的蓄电池最低放电电压来判断是否需要切断负载，以避免蓄电池由于过放电而损坏。
3 系统软件设计
在白天，系统正常工作时要进行以下主要任务操作：（1）蓄电池的充、放电控制；（2）稳定输出电压；（3）对太阳能电池板进行最大功率点跟踪；（4）判断是否天黑。夜间，系统进行的操作除了上述1、2两项外，还要进行路灯定时控制和判断是否天亮等操作。为了提高系统的实时性，故本系统采用了多任务并行的软件结构，即以上多个任务在处理器的控制下同时进行操作，这样就大大提高了系统的实时特性。
关键词：单片机；光伏发电；最大功率点跟踪；RTX
1 光伏路灯控制系统组成及功能
本路灯控制系统由太阳能电池板、蓄电池、路灯和系统控制器四大部分组成。其结构如图1所示。整个系统的关键部分是系统控制器，它不仅要实现普通光伏路灯的基本功能，如：路灯定时；蓄电池充放电的管理；蓄电池的过充、过放保护；太阳能电池反接保护等，还要实现太阳能最大功率点跟踪的功能。
系统为了适应机动车道和非机动车道照明不同的情况，设计了双路路灯控制，即主灯主要为机动车道照明，副灯主要为非机动车道照明。并且两路路灯控制互相独立，可根据需要分别进行定时。
2 主要功能单元及原理
2.1 主控单元
本系统选用的主控器件为美国Silicon Labs公司的C8051F330型8位单片机。该单片机具有双路独立8/16位PWM输出功能；10位A/D；8K FLASH和768 Bytes的内部数据RAM；内部高频晶振频率最高可达24.5 MHz；还有17个标准I/O口，是一款性价比很高的单片机。
图2中，S1为8位拨码开关，用来设定主、副路灯定时时间。因为主、副灯定时各占用4位拨码开关，所以可定时时间范围为1～15小时。
2.2 最大功率点跟踪控制
恒压跟踪方式（CVT）是一种具有控制简单、可靠性较高、稳定性好、易于实现等优点的太阳能最大功率点跟踪方法。但是由于它受温度影响较大，只能在一定的温度条件下进行最大功率点跟踪，而一些路灯的使用环境是较为恶劣的，所以，本系统使用了扰动观察法来实现太阳能最大功率点的跟踪。
扰动法是通过对太阳能电池在某一时刻的输出电压、输出电流进行检测，得到该状态下太阳能电池的输出功率，再将它与前一时刻的功率值比较，根据两次（也可多次采样）功率值的差值来确定下一步给定负载端 参考 电压调整的方向。
从功率比较的角度分析，假设两次采样的功率分别为P1，P2，ΔP=P2-P1。当ΔP>0时，说明参考电压调整的方向是正确的，需继续按原方向调整；当ΔP=0时，说明参考电压调整方向与预期的方向是相反的，需要反向调整。
一般来说，仅从功率比较的结果是不容易反映出系统变化的真实情况的。但是，如果将参考电压和功率结合起来考虑就比较理想了。本系统采用了比值比较的方式来判断参考电压和功率的变化情况，这里设定了一个比较标志Flag，
在实现MPPT算法时，为了增加系统响应的快速性，可以采用变步长的寻优法。由于光伏系统的特性较软，在正常情况下变化不是特别剧烈，所以一般都使用定步长寻优法，这样也利于程序的实现。
2.3 蓄电池充、放电控制
系统使用铅酸蓄电池作为储能元件，由于太阳能电池板发出的电能受天气情况影响较大，这就对蓄电池的充、放电提出了较高的要求，因此，本系统采用双标三阶段方法来给蓄电池充电。
双标三阶段充电法的充电步骤是：（1）当蓄电池端电压低于额定开路电压时，用太阳能电池所能提供的最大电流给蓄电池充电，一直充到蓄电池端电压达到额定开路电压为止；（2）以额定开路电压为蓄电池充电，直到充电电流下降至额定浮充电流；（3）当蓄电池经过第2个充电状态后，再以额定浮充电压为标准给蓄电池充电。浮充电压的选择十分重要，因为根据蓄电池相关理论，如果浮充电压出现5％的误差就会导致蓄电池使用寿命缩短一半，所以在使用时一定要精确的对浮充电压进行定标。
系统在白天工作时使用霍尔电压、电流传感器对蓄电池的端电压和充电电流进行采样，单片机根据采样值与设定值的比较结果来产生PWM控制信号，对蓄电池充、放电的全过程进行监控。在夜间，由于没有了阳光，系统会自动关闭PWM信号输出，停止对蓄电池充电，这样也可以降低系统的总体功耗。当遇上阴雨天气，连续几天无法给蓄电池充电时，系统将根据设定的蓄电池最低放电电压来判断是否需要切断负载，以避免蓄电池由于过放电而损坏。
3 系统软件设计
在白天，系统正常工作时要进行以下主要任务操作：（1）蓄电池的充、放电控制；（2）稳定输出电压；（3）对太阳能电池板进行最大功率点跟踪；（4）判断是否天黑。夜间，系统进行的操作除了上述1、2两项外，还要进行路灯定时控制和判断是否天亮等操作。为了提高系统的实时性，故本系统采用了多任务并行的软件结构，即以上多个任务在处理器的控制下同时进行操作，这样就大大提高了系统的实时特性。
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