4.2 控制器主回路硬件的实现

　　图5为控制器主回路及控制电路框图，它采用脉宽调制的方法，通过控制开关管Q的开通状态将光伏电池的直流信号变换成一个可变占空比的脉冲信号，从而改变光伏电池的等效负载，进而达到MPPT功能。

　　图中充电主回路采用的是BUCK型降压电路，适合本试验用25 W光伏电池给13.5 V超级电容器组的独立光伏系统。BUCK变换器的工作原理是通过斩波形式将平均输出电压降低，通过调节占空比来达到调节光伏电池输出电压的目的，使其输出电压能够保持在最大功率点的电压处。工作过程中，开关管Q反复导通和截止，两种不同状态的切换，将光伏电池输出的直流电压转换为脉冲形式的电压，再经过L，C滤波，形成直流电压输出。

　　采用降压斩波电路作为MPPT控制的主回路，是考虑到降压斩波电路容易控制，完全可以实现最大功率跟踪功能。以本系统为例说明：系统选用25 W光伏电池，最大功率点电压为17.5 V。光伏电池电压受光照及温度的影响，即使是在恶劣的环境下S=200 W/m2，T=70℃，最大功率点电压也为14.4 V，大于13.5 V的超级电容器组，因此完全能够达到MPPT功能。

　　系统所用的单片机为Silicon公司生产的C8051F310单片机。C8051F310芯片是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS);全速，非侵入式的在系统调试接口(片内);真正10位200 kS/s的25通道单端/差分ADC;具有高精度可编程的24.5 MHz内部振荡器;16 kB可在系统编程的FLASH存储器，1 280 B片内RAM;硬件实现的SMBUS/I2C，增强型SPI串行接口和增强型UART;4个通用的16位定时器;具有5个捕捉，比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器电池(PCA)，每个模块都可以独立地实现8位或16位脉宽调制功能;具有19个I/O端口(容许5 V输入);2.7～3.6 V的工作电压，70%的指令执行时间为一个或两个系统时间周期，具有扩展的中断系统，是一款功能强大，性价比高的芯片。

　　该控制器通过单片机A/D采样通道将从主回路采样到的光伏电池电压，电流及超级电容器组端电压，经转化采到单片机内，并计算出光伏电池的输出功率。然后根据MPPT控制方法，从单片机口输出一个频率约为24 kHz的PWM波，此脉冲波通过光耦TLP250来驱动开关管，最终达到利用MPPT控制来给超级电容器充电。

　　该系统负载为大功率LED灯，超级电容器给LED灯供电。当控制器检测到晚上或天阴，即单片机给出控制信号，使超级电容器开始放电，LED灯亮。因为LED灯在工作过程中要求工作电压或电流恒定，因而，需要在超级电容器与负载之间设计稳压器或恒流器。该系统中选用了一种降压芯片及一种恒流芯片，使LED灯工作在稳定状态。

　　超级电容器的放电问题，理论上可以完全放电，但事实上会影响超级电容器的寿命，而且负载额定电压对超级电容器的电压也有一定的要求，因此还是要设计控制器的过充，过放功能。防止超级电容器过充，过放也是通过单片机检测超级电容器端电压，看其是否超过了设计的限定值，如果超过了，则同样通过单片机发出控制信号，控制充电回路及放电回路，达到防过充、防过放的目的。

　　从图5中可以看到，二极管D1起到防反充的作用，即只有当光伏电池电压高于超级电容器端电压时才能够导通，而当阴天或晚上时，光伏电池电压低于超级电容器电压时，防止超级电容器给光伏电池放电。