太陽能控制器電路圖大(dà)全（LM393/電源/PIC12F675單片機控制器）

電路如圖所示。雙電壓比較器LM393兩個(gè)反相輸入端②腳和(hé)⑥腳連接在一起，并由穩壓管ZD1提供6.2V的(de)基準電壓做(zuò)比較電壓，兩個(gè)輸出端①腳和(hé)⑦腳分(fēn)别接反饋電阻，将部分(fēn)輸出信号反饋到同相輸入端③腳和(hé)⑤腳，這(zhè)樣就把雙電壓比較器變成了(le)雙遲滞電壓比較器，可(kě)使電路在比較電壓的(de)臨界點附近不會産生振蕩。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和(hé)J1組成過充電壓檢測比較控制電路；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和(hé)J2組成過放電壓檢測比較控制電路。電位器RP1和(hé)RP2起調節設定過充、過放電壓的(de)作用(yòng)。可(kě)調三端穩壓器LM371提供給LM393穩定的(de)８Ｖ工作電壓。被充電電池爲12V65Ah全密封免維護鉛酸蓄電池；太陽電池用(yòng)一塊40W矽太陽電池組件，在标準光(guāng)照(zhào)下(xià)輸出17V、2.3A左右的(de)直流工作電壓和(hé)電流；D1是防反充二極管，防止矽太陽電池在太陽光(guāng)較弱時(shí)成爲耗電器。

當太陽光(guāng)照(zhào)射的(de)時(shí)候，矽太陽電池組件産生的(de)直流電流經過Ｊ１－１常閉觸點和(hé)Ｒ１，使ＬＥＤ１發光(guāng)，等待對(duì)蓄電池進行充電；Ｋ閉合，三端穩壓器輸出８Ｖ電壓，電路開始工作，過充電壓檢測比較控制電路和(hé)過放電壓檢測比較控制電路同時(shí)對(duì)蓄電池端電壓進行檢測比較。當蓄電池端電壓小于預先設定的(de)過充電壓值時(shí)，Ａ１的(de)⑥腳電位高(gāo)于⑤腳電位，⑦腳輸出低電位使Ｑ１截止，Ｑ２導通(tōng)，ＬＥＤ２發光(guāng)指示充電，Ｊ１動作，其接點Ｊ１－１轉換位置，矽太陽電池組件通(tōng)過Ｄ１對(duì)蓄電池充電。蓄電池逐漸被充滿，當其端電壓大(dà)于預先設定的(de)過充電壓值時(shí)，Ａ１的(de)⑥腳電位低于⑤腳電位，⑦腳輸出高(gāo)電位使Ｑ１導通(tōng)，Ｑ２截止，ＬＥＤ２熄滅，Ｊ１釋放，Ｊ１－１斷開充電回路，ＬＥＤ１發光(guāng)，指示停止充電。

當蓄電池端電壓大(dà)于預先設定的(de)過放電壓值時(shí)，Ａ２的(de)③腳電位高(gāo)于②腳電位，①腳輸出高(gāo)電位使Ｑ３導通(tōng)，Ｑ４截止，ＬＥＤ３熄滅，Ｊ２釋放。其常閉觸點Ｊ２－１閉合，ＬＥＤ４發光(guāng)，指示負載工作正常；蓄電池對(duì)負載放電時(shí)端電壓會逐漸降低，當端電壓降低到小于預先設定的(de)過放電壓值時(shí)，Ａ２的(de)③腳電位低于②腳電位，①腳輸出低電位使Ｑ３截止，Ｑ４導通(tōng)，ＬＥＤ３發光(guāng)指示過放電，Ｊ２動作，其接點Ｊ２－１斷開，正常指示燈ＬＥＤ４熄滅。另一常閉接點Ｊ２－２（圖中未繪出）也(yě)斷開，切斷負載回路，避免蓄電池繼續放電。閉合Ｋ，蓄電池又充電。

12V 20A 太陽能充電控制器電路圖

IC1 TLC2272Cp

IC2 CD4013BE CMOS

Q1 2N3904

Q2 IRF4905

Q3 2N3905

D1 1N4148

D2 20L15T

ZD1 1N5242 12V 穩壓二極管

LED1 紅/綠(lǜ)雙色

TZ1 V7270 or V727 瞬态電壓抑制器

TM1 2.0K（25℃） NTC 熱(rè)敏電阻

F1 20A 保險

VR1 100K

所有電阻 1/4w

R1 270K

R2 470K

R3 75K

R4 180K

R5，R7，R8，R9，R10，R11 100K

R6 200K

R12，R16，R17，R18， 330Ω

R13，R14 2.2K

R15 10K

C1 220μf 35V

C8 10nf

c2-c7，c9-c12 100nf

一款自吸閥安全型燃氣爐具脈沖控制器（如附圖所示，其中K1、K2分(fēn)别爲左、右爐開關。本文以左爐爲例介紹）。本控制器功能齊全，電路典型，市場(chǎng)占有率較大(dà)，可(kě)作爲維修人(rén)員(yuán)維修其他(tā)自吸閥安全型爐具脈沖控制器的(de)參考。

在圖中，當開關K1閉合後，C19通(tōng)過R29和(hé)V10基極充電，V10導通(tōng)，V11飽和(hé)，啓動線圈L1得(de)電，電磁閥吸合，燃氣通(tōng)過電磁閥到達爐頭。當C19充電約0．5秒後，C19負端電壓小于0．5V，V10、V11截止，電磁閥吸合過程結束。

（1）當K1閉合時(shí)，由于左爐火焰探針（A點）檢測不到火焰，加上比較器IC1-A有上拉電阻R5的(de)偏置作用(yòng)，IC1—A的(de)第⑨腳爲高(gāo)電平，IC1-A第14腳輸出也(yě)爲高(gāo)電平，C4繹過R10開始充電。開始充電時(shí)IC1-B第④腳電壓高(gāo)過IC1-B第⑤腳電壓，Ic1—B第②腳輸出爲低電平，振蕩管V2基極得(de)電起振，線圈T1次級感應的(de)交流電壓經過D8半波整流對(duì)C8充電，可(kě)控矽V4觸發極電流經過D9、R14、V3的(de)c—e極，使得(de)V4導通(tōng)。C8通(tōng)過GYB1初級和(hé)V4放電。同時(shí)在GYB1次級感應一個(gè)高(gāo)于12kV的(de)高(gāo)壓脈沖。由于V7基極無電流，V7截止，V5沒有觸發電流，V5截止，GYB2初級沒有電流通(tōng)路，GYB2次級無感應高(gāo)壓脈沖。

（2）當C4充電約8秒後，IC1-B第④腳電壓小于IC1—B第⑤腳電壓，LM339第②腳輸出爲高(gāo)電壓，V1、V3截止，T1次級無感應電壓，停止點火。

（3）在脈沖有放電高(gāo)壓時(shí)，V12基極通(tōng)過R32、D6得(de)電而飽和(hé)，維持線圈L2得(de)電而維持電磁閥開通(tōng)。如果脈沖控制器在點火時(shí)間（8秒）内，火焰探針檢測不到火焰（即點不看火），Ic1—B第②腳輸出爲高(gāo)電壓，V12沒有工作電流而截止。維持線圈L2沒有電流，電磁閥關閉，煤氣不能通(tōng)過電磁閥到達爐頭。

（1）煤氣燃燒時(shí)，火焰可(kě)在探針上産生一個(gè)負電勢（對(duì)地），此負電勢可(kě)以旁路掉R3、C1流過來(lái)的(de)正電流，此負電勢大(dà)小與探針溫度（即火的(de)大(dà)小）成正比。

（2）在點火時(shí)間（8秒）内，探針檢測到火焰時(shí)，R3、C1流過的(de)正電流被旁路到地。IC1-A第⑨腳爲負電壓（對(duì)地約-200mV）。IC1-A第14腳輸出爲低電平，D4鎖住C4正極電壓值爲0．5V，IC1—B第④腳爲低電平，IC1-B第②腳輸出爲高(gāo)電平，D7、V2截止，點火停止；D6、V12截止。R24通(tōng)過V15向V2基極提供一小電流，T1和(hé)V2組成的(de)振蕩電路小幅起振（平均振蕩電流8mA），以保持火焰檢删電路所需的(de)交流信号。同時(shí)因爲IC1-B第14腳輸出爲低電平，故V8截止，V9、V12飽和(hé)，維持線圈L2得(de)電，電磁閥維持住，燃氣可(kě)通(tōng)過電磁閥到達爐頭。整機正常工作。

當爐具正常工作發生意外熄火故障時(shí)，探針檢測不到火焰，C1、R3流過的(de)正電流不能被旁路到地，由于有偏置電阻R5的(de)作用(yòng)，IC1-A第⑨腳爲高(gāo)電平，IC1—A第14腳輸出爲高(gāo)電平，C14開始充電，LM339第②腳輸出爲低電平，脈沖控制器進行第二次點火。在二次點火時(shí)間内，V12飽和(hé)，維持線圈L2得(de)電，電磁閥仍維持。若在二次點火完畢探針仍檢删不到火焰，IC1—A第14腳輸出仍爲高(gāo)電平，IC1-B第④腳爲低電壓，LM339第②腳輸出爲高(gāo)電平，脈沖控制器點火完畢。V8飽和(hé)，V9、D6、V12截止，維持線圈L2因無電流，電磁閥關閉。燃氣不能到達爐頭。

當K1已經閉合，電磁閥維持線圈L2無電流時(shí)，V13截止，V14飽和(hé)，蜂鳴器F1得(de)電而發出報警聲。提示用(yòng)戶燃氣竈具已經意外熄火。［Page］

當K1閉合，在火焰探針（A）檢測不到火焰信号時(shí)，IC1-A第⑨腳和(hé)第14腳爲高(gāo)電平。V6基極經R7、D4、R9得(de)電而飽和(hé)。若在此時(shí)K2閉合，由于V6鎖住IC1-A第⑥腳電壓爲零，IC1-D第①腳爲高(gāo)電壓。V2、V7、V12均截止。K2控制的(de)電路不工作。

1）LM339爲四電壓比較器；2）點火頻(pín)率調整電阻：R14；3）點火電流調整電阻：R25；4）點火時(shí)間調整電阻：R10（K1左爐）；R21（K2右爐）；5）電磁閥吸合時(shí)間調整電阻：R29；6）産品檢測标準，額定工作電壓：DC3V；工作電壓範圍：DC2．1～3.3V；點火頻(pín)率：8～15Hz／s（DC3V）≥3Hz／s（DC2．1V）；點火時(shí)間：7—10s；點火電流≤150mA；點火高(gāo)壓：≥12kV；點火距離：≥4mm；點火火花顔色（形狀）：彎火弧形（藍白色）；電磁閥吸合時(shí)間：0．25s～0．75s；使用(yòng)次數：≥50000次；反饋電阻：≥3．3M。

基于EN298：2003安全标準的(de)自動燃氣控制器設計

由于能源的(de)稀缺，如何使燃料資源利用(yòng)更高(gāo)效、更合理(lǐ)，已成爲備受關注的(de)民生大(dà)事。同時(shí)，燃氣安全隐患問題也(yě)亟待解決。随著(zhe)技術的(de)進步，相關研究人(rén)員(yuán)逐漸将控制理(lǐ)論應用(yòng)于燃燒過程控制領域中。目前，西方發達國家燃燒控制技術發展比較成熟，但産品成本較高(gāo);我國燃燒控制技術相對(duì)落後，生産燃燒器以及燃燒控制設備沒有明(míng)确的(de)質量安全标準，故歐盟燃燒控制安全标準的(de)引入具有重大(dà)意義。

1、設計規範

本設計符合EN298：2003安全标準規範。該标準規定了(le)鼓風或非鼓風燃氣燃燒器和(hé)燃氣用(yòng)具的(de)自動燃燒控制系統、程序控制裝置和(hé)與之相連接的(de)火焰檢測裝置結構、功能、測試方法和(hé)标志要求。

2、關鍵技術

2.1、光(guāng)電耦合器隔離高(gāo)低壓技術

光(guāng)電耦合器是一種把發光(guāng)源、受光(guāng)器及信号處理(lǐ)電路封裝在同一密閉殼體内的(de)器件，其内部結構如圖1所示。工作時(shí)輸入的(de)電信号驅動發光(guāng)二極管，使其發出一定波長(cháng)的(de)光(guāng)，被光(guāng)探測器接收，産生光(guāng)電流，經進一步放大(dà)後，将電信号直接輸出，即實了(le)“電→光(guāng)→電”的(de)轉換及輸出。把光(guāng)作爲信号傳輸媒介，輸入端和(hé)輸出端在電氣特性上絕緣，這(zhè)樣就實現了(le)“電隔離”。

2.2、基于STC單片機ID的(de)芯片加密技術

如果解密後的(de)結果和(hé)EEPROM中的(de)編碼相匹配，則進入正常循環;否則，使程序跑飛(fēi)的(de)同時(shí)清空所有EEPROM。此外，考慮到若加密驗證程序隻放在主程序的(de)開始執行，則有被專業破解人(rén)員(yuán)直接跳過加密驗證程序的(de)可(kě)能，故系統設計時(shí)采用(yòng)周期性加密驗證方式，提高(gāo)系統保密性。

2.3、基于雙MCU的(de)FailSafe技術

FailSafe技術要求在緊急狀況下(xià)可(kě)以立即切斷所有的(de)危險輸出以防發生事故，即實現“故障導向安全”，也(yě)可(kě)稱作“失效安全”。燃氣控制器使用(yòng)的(de)特殊性決定了(le)該系統對(duì)安全性要求比較高(gāo)，本設計在采用(yòng)冗餘技術的(de)前提下(xià)實現了(le)FailSafe。冗餘技術又稱爲儲備技術，其核心理(lǐ)念是利用(yòng)系統并聯模型來(lái)提高(gāo)系統可(kě)靠性，一般分(fēn)爲工作冗餘和(hé)後備冗餘。本設計中采用(yòng)前者，即多(duō)單元平均負擔工作，工作能力有一定冗餘。

系統工作過程中，電磁閥對(duì)火焰的(de)控制是影(yǐng)響安全的(de)重要因素。當電磁閥打開時(shí)即有燃氣釋放，若沒有火焰存在是十分(fēn)危險的(de)，故需确保在沒有火焰時(shí)電磁閥處于關閉狀态。

如表1所列，設計使用(yòng)兩個(gè)MCU對(duì)電磁閥和(hé)火焰的(de)狀态進行檢測和(hé)控制。在認爲兩個(gè)MCU同時(shí)出現故障的(de)可(kě)能性非常低的(de)前提下(xià)，當有一個(gè)MCU或相關器件出現故障時(shí)，會在另一個(gè)MCU的(de)控制下(xià)關閉電磁閥，并切斷所有的(de)危險輸出，如燃氣釋放。假設每個(gè)MCU及相關部件出現故障的(de)幾率是1%，雙MCU控制時(shí)出現故障的(de)幾率僅爲0.01%，即通(tōng)過雙MCU控制實現了(le)FailSafe。

3、系統設計

功能設計要求略——編者注。

3.1、系統工作流程

燃氣控制器的(de)系統運行流程如圖2所示，虛線框内的(de)各模塊是控制器中實際包含的(de)模塊，而左側矩形框内表示該控制器所要檢測和(hé)控制的(de)外圍設備及相關電路。

圖中編号與燃燒控制系統工作流程相對(duì)應：

①系統運行過程中，外圍輸入信号通(tōng)過接口電路被控制系統的(de)輸入模塊接收;

②經過輸入模塊處理(lǐ)後的(de)信号被中央處理(lǐ)模塊所接收;

③中央處理(lǐ)模塊中的(de)兩個(gè)MCU對(duì)輸入信号進行分(fēn)析和(hé)處理(lǐ);

④通(tōng)過故障處理(lǐ)模塊對(duì)系統運行故障進行檢測和(hé)處理(lǐ)，并将處理(lǐ)結果反饋給中央處理(lǐ)模塊;

⑤中央處理(lǐ)模塊将分(fēn)析和(hé)處理(lǐ)後的(de)信号傳輸給輸出控制模塊;

⑥輸出控制模塊将低壓控制信号通(tōng)過繼電器來(lái)控制高(gāo)壓信号，最後通(tōng)過接口電路對(duì)外圍設備運行進行自動化(huà)控制。

在以上各模塊工作的(de)過程中，均由電源管理(lǐ)模塊提供适當電壓。

3.2、硬件設計

3.2.1、系統硬件電路

燃氣控制器硬件框圖如圖3所示，主要包括主控制器STC12C5204、輔助控制器STC12C5201、MCU同步電路、電源電路、輸入電路、輸出控制電路等幾個(gè)部分(fēn)。圖3中出現的(de)英文縮寫含義略——編者注。

3.2.2、系統輸入電路

（1）火焰檢測電路

圖4爲燃氣控制器火焰檢測電路圖，主要利用(yòng)火焰的(de)導電性和(hé)整流效應而設計。火焰檢測對(duì)系統來(lái)說非常重要，故探測點Fire同時(shí)連接到了(le)MCU1和(hé)MCU2的(de)I/O口上。

圖4中FE爲火焰探測器，電阻R46、R22和(hé)電容C4構成低通(tōng)濾波器。電阻R47和(hé)R14組成L型衰減器，使J10與N之間得(de)到10.67V交流電壓。電容C3起到交流耦合作用(yòng)，使FE端得(de)到純淨的(de)交流信号。在FE點火時(shí)，1mm内約産生兩萬伏高(gāo)壓脈沖，故電路中采用(yòng)大(dà)功率電阻R46與R22，可(kě)以盡量拉開火焰探頭與檢測電路中比較器及光(guāng)耦的(de)距離，以保護電路。

無火焰存在時(shí)，FE端直流分(fēn)量爲零，在上拉電阻R17作用(yòng)下(xià)，LM393同相輸入端INA+電壓爲+0.7V，比較器輸出爲邏輯1，光(guāng)耦不導通(tōng)，Fire爲低電平;有火焰存在時(shí)，燃氣燃燒器産生離子體，當電源提供的(de)交流電信号接觸到火焰探針時(shí)，可(kě)在火焰上形成通(tōng)路，相當于J10與零線之間接入一個(gè)二極管，具有單向導通(tōng)特性，整流後波形如圖5所示，此時(shí)直流分(fēn)量爲負值。比較器同相輸入端INA+爲DC-0.7V，比較器的(de)輸出爲邏輯0，光(guāng)耦導通(tōng)，Fire爲高(gāo)電平。

（2）低壓檢測電路

如圖6所示，爲燃氣控制器低壓檢測電路圖。由于電壓不足時(shí)會影(yǐng)響系統的(de)正常運行，因此，需要對(duì)系統電壓進行實時(shí)監測。

低壓檢測通(tōng)過比較器和(hé)低壓檢測電路共同完成。圖6中LOWVOLT是低壓檢測點，與主控MCU的(de)I/O口相連接，高(gāo)電平表示檢測電壓偏低，低電平表示電壓正常。網絡點5V1比零線電壓高(gāo)5V，經分(fēn)壓，反相輸入端INB一的(de)電壓爲1.875V，同相輸入端INB+的(de)電壓爲30kΩ/（30kΩ+3MΩ）&TImes;待測電壓臨界值爲181.8V，若同相輸入端的(de)電壓低于反相輸入端，即供電電壓低于預設值，則光(guāng)耦導通(tōng)，LOWVOLT檢測到上升沿。

3.2.3、系統輸出控制電路

系統輸出控制電路邏輯如圖7所示，故障報警燈和(hé)風機連在幹路上，其他(tā)電路包括兩個(gè)燃氣控制閥門、點火裝置以及執行器均需接受風機的(de)總控制，即隻有在風機打開的(de)前提下(xià)，系統才允許進行輸氣、點火等動作。

3.3、軟件設計

3.3.1、系統軟件架構

圖8爲燃氣控制器軟件架構圖，顯示了(le)軟件的(de)主要組成部分(fēn)及其嵌套關系。

3.3.2、主控MOU芯片加密及加密驗證軟件設計

主控MCU加密基礎是STC12C5201AD系列芯片的(de)每一個(gè)單片機在出廠時(shí)都具有全球唯一的(de)序列号（ID号），可(kě)以在單片機上電後通(tōng)過相關指令從内部RAM單元F1H～F7H中存儲的(de)連續7個(gè)單元值來(lái)獲取該單片機的(de)ID号，利用(yòng)其唯一性對(duì)MCU進行加密。此時(shí)，再燒錄流程控制程序則隻能匹配當前芯片。加密軟件流程、密碼驗證軟件流程如圖9、圖10所示。

3.3.3、系統流程控制軟件設計

結合系統功能要求及被測參數的(de)相關性，确定各任務如下(xià)：

TASK#1：開機檢測（鎖存錯誤檢測，火焰檢測，低壓檢測），重複檢測7次。

TASK#2：CPI檢測，重複檢測20次。

TASK#3：開機前LP檢測，重複檢測20次。

TASK#4：打開風機，兩個(gè)周期後進行風機電平檢測。

TASK#5：打開SA，進行火焰檢測和(hé)RWtest檢測，重複檢測40次。

TASK#6：關閉SA，進行火焰檢測和(hé)RWtest檢測，重複檢測60次。

TASK#7：打開BV2，4個(gè)周期後進行火焰檢測。

TASK#8：關閉IG點火器，進行RWtest檢測，LP檢測，重複檢測14次。

TASK#9：打開BV2，進行火焰檢測，RWtest檢測，LP檢測，重複檢測24小時(shí)。

根據任務的(de)執行順序，畫(huà)出如圖11所示系統主程序流程圖，以及圖12所示sEOS系統任務調度流程圖。系統運行時(shí)，首先進行密碼驗證，驗證通(tōng)過後進行系統初始化(huà)，包括I/O口輸入輸出模式初始化(huà)、系統輸出控制模塊初始化(huà)、定時(shí)器初始化(huà)及任務切換時(shí)任務狀态值初始化(huà)。由于STC芯片内置R/C振蕩器随著(zhe)溫度變化(huà)，其提供的(de)頻(pín)率會有一定溫漂，加上制造工藝方面的(de)誤差，導緻内部R/C振蕩器不夠敏感，因此燃氣控制器初始化(huà)完成後，需要根據工頻(pín)交流電頻(pín)率（50Hz）來(lái)獲取校正後的(de)芯片頻(pín)率，以此來(lái)保證系統運行控制的(de)精度。産生中斷間隔（一個(gè)“ClockTIck”）爲20ms，根據系統功能對(duì)時(shí)間精度的(de)需求，sEOS任務調度和(hé)切換周期定爲0.5s，即每隔0.5s系統查詢一下(xià)任務狀态當前值，根據該值決定任務的(de)調度。