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自制太阳能发电系统的设计历程:
2012年6月,在学生毕业大甩卖时,我收了一块10W的太阳能电池板,它就是我自制家用太阳能系统的奠基石。(当时玩了几天就搁置了)
图1、自制家用太阳能系统的奠基石(10W太阳能电池板)
2012年9月,一次停电时,手机需充电,我突然想到了10W的太阳能电池板。于是第二天开始拼接太阳能电池板的外围,给USB设备充电,可不再怕停电,而且是真正的低碳、绿色能源。这样一套最简单的系统开启了我的自制家用太阳能发电系统的梦想,如图二所示。(注:所有的模块都不是自己设计,仅仅是简单拼接。)
图2、拼接的太阳能给USB充电电路
2012年10月~11月,首先做了个简单整体规划,第一步要解决的就是选择主控。以前做过简单的DSP2812开发,感觉用在这里实在是大材小用,且成本高不利于普及,接着马上想到了51单片机。可我对51只是了解,但不熟悉。于是开始学习,选择了郭天祥老师《10天学会51单片机》,非常感谢这部视频教程,让我学会了51单片机。(吐下槽:我这样的基础,每天14小时废寝忘食学习,整整花了2周时间,所以我想一般人想要10天……,呵呵)后续规划中,发现了使用51的问题,51单片机虽然便宜,但是没有AD采样,如果加上ADC0804也只能采样1路,还是8bit,采样几路系统就复杂了,成本就起来了。逛了逛坛子,又选择了Atmega16A,内置8路10bitAD采样,价格也不算太高。稍微学习了基础,就上手了AVR这款单片机(有了51的底子,再上手AVR几乎无阻力,所以这次也没去系统学习,而是用什么学什么。)
2012年12月~2013年1月,解决了主控问题后开始搭建太阳能发电监控系统各个原始模块。在近2个多月的时间里,学习了如何腐蚀电路板,巩固了Altium Designer,温习了模电特别是运放,在年前终于搭建出了原始系统,如图三所示。
图3、太阳能发电系统原始模块
由于每个功能基本都单独搞成了个测试模块,所以联接时到处飞线,只能叫原始模块了,呵呵。简单介绍下:左上是基于LM324的AD信号调理电路板,左下是基于Atmega16A的主控板(供电是由7805转换过来的),中间的是几个继电器构成的主电路板(正中间绿板子是淘宝上买的限压限流充电模块),右边是由水泥电阻配个降压模块构成的可调负载。
2013年2月~3月,经过一段时间的测试,发现了些问题,最突出的问题就是采样精度达不到95%,特别是电流采样平均90%都困难,带着问题不断思索后确定了改进的方向:1、主控由Atemga16A(DIP封装),改进为Atmega16A(TQFP封装),原因是TQFP封装可以启用2路可编程的差分采样(10倍和200倍放大),同时参照Atemga16A的技术说明书修订了主控板的AD采样电路,按要求加入了电感和电容滤波,并对采样信号也增加了滤波;2、逐步精简和整合原始模块,减少飞线,增加联接口。元器件逐步向贴片元件转型,缩小电路板尺寸;3、自设计高效充电模块。
为了这个梦想,我放弃了许多娱乐时间,终于在3月初完成了对太阳能发电系统各原始模块的第一次整合工作,见图四,并给手机和笔记本电脑供电,见图五。
图4、第一次整合后的太阳能发电系统
图5、接上负载后的系统
经过一段时间的测试该系统特点如下:
1、电压测量精度98%以上,电流测量精度96%以上;
2、系统最高工作电压23V(MP2307限制),系统最大工作电流4.5A(50mRΩ/1W限制);
3、可累积工作时间和发出电能,不惧掉电(Atmega16内置EEPROM);
4、自设计充电模块具备高效、可控、带电网支撑功能,软硬件双保护功能。
近段时间工作有点忙,一是整理以前的设计过程,二是加深对DC/DC变压模块使用,三是测试系统,特别是稳定性和可靠性(为以后能成为可靠产品做好铺垫,疏忽不得)。完成了第五篇《基于MP2307的USB供电模块》,这个模块的目标就是小、模块式,插接方式,预留监控端口。
图6 负载(基于MP2307的USB供电模块)
2013年3月~4月初,经过整理后系统开始逐步变为模块化了,加入防过流的保险丝,制作了第一个升压电路(基于UC3843的Boost升压电路,过几天总结完毕马上续帖)。现在看来低压直流系统的主要工作大头应该完成(升压、降压、限压、限流等功能都调试出来了),剩下的就是整理和完善设计了。第二版系统开始放图:
图7 散开放置的模块图
图8 组装后带蓄电池、手机、笔记本全家图
第六篇、基于UC3843的Boost升压模块整理完毕,在188楼。这次写得比较细,希望大家能读懂,想动手的可以做得出东西。此刻电压直流部分主要功能都已经实现了(降压、升压、限压、限流),太阳能发电系统的直流部分就是完善AVR的管理和结构了。
2013年5月1日前,终于完成了高度整合后的第三版(把Boost升压电路也做成模块化)。并在汽车上小试一把了,单片机的控制部分加入了控制开关和蜂鸣器报警等电路。直接上图吧!
组合拼图
第七、八篇是使用Atmega16A自制太阳能充电器的过程,并朝着成品化方向发展。已经做出了一片半成品,并成功售罄,也是对自己学习的最好肯定。期间有不少发烧友给了很好的建议和意见,特别是厦门林工和河北曹工的帮组,加速了从发烧自制向成品化的转变。下面几个图是几次重要版本的。技术资料请看230楼附件。Atmega16A的功能和资源几乎使用到了70%以上,呵呵。
第一版 18V太阳能板充12V电池
第三版 18或36V太阳能板充12或24V电池
全部售出版本全家福
技术交流:
当每个模块设计得相对完善后,将会分享所有资料,包含自己的设计底稿,GENGXIN