一体化太阳能电源中心：充电控制器、逆变器、移动电源与 LED 灯

组件与供应

Microchip ATmega8	×	1
降压转换器	×	1
SparkFun 3W 铝基板 LED (5 只装, 暖白)	×	1
Nokia 5110 显示屏	×	1
SparkFun 散热器	×	1
SparkFun N 沟道 MOSFET	×	4
SparkFun P 沟道 MOSFET	×	1
40W 或以下 12V 系统太阳能板	×	1
SparkFun 18650 锂电池	×	1
DC-DC 0.9V-5V 转 USB 模块 5V 升压电源	×	1
通用 NPN 三极管	×	1
12-0-12/220 中心抽头变压器	×	1
1N4007 高压大电流二极管	×	1
公排针 36P 单排	×	1
滑动开关	×	1
SparkFun 12mm 轻触开关	×	1
Arduino Proto Shield	×	1
条板/实验板 8x11 cm	×	1
Arduino UNO	×	1
Arduino Nano R3	×	1
Arduino Mega 2560	×	1
低压降肖特基二极管 5822	×	1
电容 10 µF	×	1
电容 100 nF	×	1

必要工具与机器

电烙铁

电钻

热熔胶枪

应用与在线服务

Arduino IDE

AutoDesk 123D

关于项目

项目简介

我有闲置的太阳能板、12V 电池、变压器等，决定整合成一个单板完整的小型光伏解决方案。先看看各功能模块：

• 充电控制器：调节光伏板给直流蓄电池充电及负载放电，延长电池寿命。
• 逆变器：将直流转为交流供交流负载使用。
• 移动电源：通过 USB 提供 5V 直流给移动设备充电，支持便携/离网充电。
• 应急灯：超高亮 LED 光源，停电、露营、夜间户外活动可用。

本装置集成以上所有功能，后两项由板载锂电池独立供电。配合太阳能板（高达 100W）、12V 铅酸电池和变压器，所有功能均可使用。

Uno 原型版

首个版本在 Uno 板上开发，硬件最少、功能最基础。Nokia 显示屏直插，开发 MOSFET 扩展板控制电池充放电。无菜单控制、无逆变器、无 PWM 充电等高级功能，仅开关充电并显示电池/面板电压。虽能工作但无亮点。

实验板完整版

新版本功能：

• PWM 太阳能充电控制器，支持高达 100W 面板
• 方波迷你 60W 逆变器
• 最多三路 12V 直流负载控制
• 主直流负载支持自动开/关
• 独立 USB 移动电源
• 降压稳压模块
• 板载 LED 应急灯，支持闪烁和亮度调节

两按钮/开关控制滚动选择菜单，在 Nokia 5110 显示选项和状态。背面热熔胶绝缘防短路！

便捷功能：显示背光开关、降压模块可从内部电池断开独立工作。

技术原理解析

充电控制器分开关型、PWM 型、MPPT 型。开关型最简单（我 v1 版本），不随电池电压升高而限制充电电流。PWM 随电池充满逐渐减小充电电流，优势：

• 帮助恢复失去的电池容量、脱硫
• 提高电池接受充电能力
• 维持高达 95% 平均电池容量
• 均衡漂移的电池单元
• 减少电池发热和气体析出，防电解液流失
• 延缓老化，延长系统寿命

但 PWM 无法从光伏板获取最大电力，因它将面板电压拉近电池电压。MPPT 解决此问题，本质是可调升降压变换器，能转换更多太阳能。

逆变器分方波、修正正弦波、纯正弦波。方波设计最简单，适合交流灯、CFL、台扇、电烙铁等小负载，不适合感性电机、精密设备/电源（谐波失真）。修正正弦波由方波合成，优于方波。纯正弦波适配所有负载但硬件复杂、软件算法难、成本高。

降压稳压器是降压 DC-DC 变换器，这里用降压模块给 4.2V 锂电池充电，为控制器、移动电源、LED 灯供电。

USB 移动电源本质是升压 DC-DC，将锂电池 3.3-4.2V 升至 5V USB 电压给移动设备充电，同时含充电降压电路。本项目中降压模块从面板取电给板载电池充电。

硬件工作原理

系统各硬件服务不同功能，核心是 AVR ATmega8A 单片机（可改 ATmega328P，微调后兼容），用 Arduino 编程。

全新 ATmega8A 烧录 Arduino Optiboot8 引导程序，也可买已烧录引导程序的 Arduino Mini/ATmega328 避免麻烦。

控制器、显示屏、LED 灯、移动电源由板载锂电池供电。两个瞬时触摸按钮经并联电容硬件去抖动，用于菜单操作。滑动开关控制整机供电开关。

太阳能充电由 P-MOSFET 执行，驱动电路用 2N2222 三极管，单片机 PWM 控制。PWM 占空比随外部电池电压调整。面板电流经 P-MOSFET 充入铅酸电池。电池充满则单片机关断 MOSFET。充电停止后电压缓慢下降，降至 13.6V 以低占空比恢复浮充。

12V 直流负载由 N-MOSFET 控制，单片机驱动其栅极。

板载 LED 灯也由 N-MOSFET 驱动，栅极 PWM 控制亮度。

逆变器部分由两个 N-MOSFET 交替导通模拟交流。外接中心抽头升压变压器可得方波交流输出。

逆变器动作原理：

让电流交替方向流过升压变压器中心抽头初级线圈，次级感应出交流电压。上管导通下管关断时电流向上，反之向下。两 MOSFET 需在两倍工频下翻转。产生 50Hz 交流需在 12-0-12V/220V 变压器低压侧施加方波，周期 20ms，故每 10ms 翻转一次栅极信号（即 100 次/秒）。

警告!!!：交流高压致命，可导致死亡/受伤！严禁裸手触碰变压器高压侧！

不使用逆变器功能时，“2XDC Load”选项允许在逆变器端子接两路 12V 直流负载。

软件设计精髓

提供两套代码：单文件完整版和按功能分标签的模块化版。

将任务组归纳为单一函数。例如：

• Get_ADCVal()：采样面板、内部电池、外部电池电压各 20 次取平均，更新电压变量。
• Context_Control()：处理用户交互、动作控制、显示信息更新。
• Charging_Control()、Discharging_Control()、Load_Control()：作为后台闭环任务，监测电池电压、控制自动负载、过充/过放保护等。

用户输入通过中断驱动的瞬时按键获取。按键按下触发 INT0/INT1 中断，修改易变量 dp 和 ds。第三变量 level 配合 dp（显示指针）和 ds（显示内容选择器）实现菜单/子菜单导航和动作执行。

16 位 Timer1 配置为每 10ms 产生溢出中断，逆变器开启时翻转 PIN_INVP 和 PIN_INVN。

所有 Lcd_...() 函数处理显示控制。

ATmega8A 与 ATmega328P (Uno) 对比

系统易移植到 ATmega328P/Uno，代码修改：

TIMSK 替换为 TIMSK1
#define ADC_VREF 2.69 替换为 #define ADC_VREF 1.11
#define ADCVDIV_R1 22 替换为 #define ADCVDIV_R1 8.2

硬件上需用 8.2kΩ 电阻替换 22kΩ以将面板/电池电压分压进 ADC 测量范围。

演示视频

我通常先看视频再读文字。同好者请欣赏视频：

(此处原文嵌入视频，略)

改进空间

ATmega8A Flash 空间耗尽，未能加入关键功能：

• 软件过载/短路保护
• 图形图标和 Logo
• 能量计量与记录
• 剩余备份时间估算与报警
• 笔记本充电选项
• 6V 系统支持
• 蓝牙负载控制
• 定时负载控制
• RTC 实时钟
• 物联网连网方案

若你打算制作类似装置，别忘了加这些功能！ATmega328P (Uno) 或 Arduino Mega 更适合集成所有选项。总之，它能干活，我挺满意。

额外资源

• 下载支持 ATmega8 的 Arduino 1.0.6
• 打开 Arduino.exe，工具 → 开发板 → Optiboot8
• 按此法烧录引导程序
• 编译上传代码

代码

• 单标签完整代码
• 完整代码
• 引导程序

单标签完整代码 Arduino

#define PIN_SCE 12
#define PIN_RESET 13
#define PIN_DC 8
#define PIN_SDIN 7
#define PIN_SCLK 6
#define PIN_INVP 4
#define PIN_INVN 5
#define PIN_LOAD 9 // 12V 直流负载
#define PIN_LAMP 10 // 白光 LED
#define PIN_BATTPWM 11 // 驱动 PMOS 给外部电池充电
#define PIN_BATTint_Sense A2
#define PIN_SOLAR_Sense A0
#define PIN_BATText_Sense A3
#define ADC_VREF 2.695 // 内部参考电压，Uno(ATmega328P)约 1.11V，我用的 ATmega8A 给出此值
#define ADCVDIV_R1 22 // 分压下电阻 22K
#define ADCVDIV_R2 175 // 分压上电阻 175K
// PIN 2 & 3 作中断按键
// PIN 0 & 1 作编程口
// PIN RESET 作...
#define LCD_C LOW
#define LCD_D HIGH
#define LCD_X 84
#define LCD_Y 48
uint8_t x=0;
uint8_t level=0;
uint8_t blinker=0;
boolean Load_Auto_Enable=0;
float maxADC_Voltage=0.0;
float BattInt_Voltage=0.0;
float BattExt_Voltage=0.0;
float PV_Voltage=0.0;
volatile int y=0;
volatile uint8_t dp =0;
volatile uint8_t ds =0;
volatile boolean cycle=0;
volatile uint8_t cdc_level =0;

void setup(void) {
  LcdInitialise(); LcdClear();
  LcdString("*ARDUBOY PV*"); LcdString(" CONTROLLER,");
  LcdString("AC INVERTER,"); LcdString("POWER BANK, "); LcdString("LAMP THING!!");
  delay(3000);
  analogReference(INTERNAL);
  maxADC_Voltage=(ADC_VREF/ADCVDIV_R1)*(ADCVDIV_R1+ADCVDIV_R2);
  pinMode(PIN_LOAD,OUTPUT); digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP); attachInterrupt(0, SW1, FALLING);
  pinMode(3, INPUT_PULLUP); attachInterrupt(1, SW2, FALLING);
}
void loop(void) {
  Get_ADCVal(); Context_Control(); Charging_Control(); Discharging_Control(); Load_Control(); LcdClear();;
}
void Get_ADCVal(void) {
  int I=0,J=0,K=0;
  for(x=0;x<20;x++) { I+=analogRead(PIN_BATTint_Sense); J+=analogRead(PIN_BATText_Sense); K+=analogRead(PIN_SOLAR_Sense); }
  BattInt_Voltage=I/20.0; BattExt_Voltage=J/20.0; PV_Voltage=K/20.0;
  BattInt_Voltage=maxADC_Voltage*BattInt_Voltage/1023.0;
  BattExt_Voltage=maxADC_Voltage*BattExt_Voltage/1023.0;
  PV_Voltage=maxADC_Voltage*PV_Voltage/1023.0;
}
void Context_Control(void) {
  if(ds==0) {show_menu();}
  if(ds==1 && dp == 0) {show_info(); delay(100);}
  if(ds==1 && dp == 1) { level=1; dp=0; while(level==1) { int temp=ds; LcdClear(); show_load_ctrl();delay(250); if (dp==0){ if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=0;digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);}} if (dp==1){if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=0; digitalWrite(PIN_LOAD,HIGH);}} if (dp==2){ if(ds!=temp){Load_Auto_Enable=1;}} if (dp==3){show_load_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;} } }
  if(ds==1 && dp == 2) { level=2; dp=0; while(level==2) { int temp=ds; show_inv_ctrl();delay(250); LcdClear(); if (dp==0){ if(ds!=temp){Timer1_Init();}} if (dp==1){ if(ds!=temp){Timer1_DeInit();}} if (dp==2){ if(ds!=temp){Timer1_DeInit();digitalWrite(PIN_INVP,1);digitalWrite(PIN_INVN,1);}} if (dp==3){show_inv_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;} } }
  if(ds==1 && dp == 3) { level=3; dp=0; while(level==3) { int temp=ds; LcdClear(); show_led_ctrl();delay(250); if (dp==0){blinker=0;if(ds!=temp) {if(y<=255){y=y+15;analogWrite(PIN_LAMP,y);}}} if (dp==1){blinker=0;if(ds!=temp) {if(y>=0){y=y-15;analogWrite(PIN_LAMP,y);}}} if (dp==2){if(ds!=temp) {blinker^=1;analogWrite(PIN_LAMP,127);delay(250);analogWrite(PIN_LAMP,0);}} if (dp==3){show_led_ctrl();delay(250);level=0;dp=0;ds=0;} } }
  if(blinker==1) {analogWrite(PIN_LAMP,0);} delay(250); if(blinker==1) {analogWrite(PIN_LAMP,127);}
}
void show_menu(void) { LcdXY(0,dp); LcdString("->"); LcdXY(15,0); LcdString("Sys Info"); LcdXY(15,1); LcdString("DC Load+"); LcdXY(15,2); LcdString("AC Load~"); LcdXY(15,3); LcdString("LED Lamp"); }
void show_info(void) { LcdXY(0,0); LcdString("Bat_I="); LcdNumtoString(BattInt_Voltage); LcdString("v"); LcdXY(0,1); LcdString("Bat_E="); LcdNumtoString(BattExt_Voltage); LcdString("v"); LcdXY(0,2); LcdString("Sol_P="); LcdNumtoString(PV_Voltage); LcdString("v"); LcdXY(0,3); if(BattExt_Voltage >8.0) {LcdString("Batt Conn OK");} else {LcdString("Connect Batt");} if (PV_Voltage > 10.5 && cdc_level!=3 && cdc_level!=0) {LcdString("Charging:ON ");} else {LcdString("Charging:OFF");} if (TCNT1 >=45535 ) {LcdString("Inverter:ON");} else {LcdString("Inverter:OFF");} }
void show_load_ctrl(void) { LcdXY(0,dp); LcdString("->"); LcdXY(15,0); LcdString("Load Off"); LcdXY(15,1); LcdString("Load On"); LcdXY(15,2); LcdString("Load Auto"); LcdXY(15,3); LcdString("Return"); LcdXY(0,4); LcdString("Must Connect"); LcdString("12V DC Load"); }
void show_inv_ctrl(void) { LcdXY(0,dp); LcdString("->"); LcdXY(15,0); LcdString("AC Inv On"); LcdXY(15,1); LcdString("AC Inv Off"); LcdXY(15,2); LcdString("2XDC Load"); LcdXY(15,3); LcdString("Return"); LcdXY(0,4); LcdString("2XDC Load,NO"); LcdXY(0,5); LcdString("TRANSFORMER!"); }
void show_led_ctrl(void) { LcdXY(0,dp); LcdString("->"); LcdXY(15,0); LcdString("LED ++"); LcdXY(15,1); LcdString("LED --"); LcdXY(15,2); LcdString("LED Blk"); LcdXY(15,3); LcdString("Return"); LcdXY(0,4); LcdString("LED DISABLEs"); LcdXY(0,5); LcdString("When INVR On"); }
void SW1() { dp++; if(dp>3){dp=0;} }
void SW2() { ds^=1; }
ISR(TIMER1_OVF_vect) { noInterrupts(); TCNT1 = 45535; cycle^=1; if(cycle==0) { digitalWrite(PIN_INVP,HIGH); delayMicroseconds(1); digitalWrite(PIN_INVN,LOW); delayMicroseconds(1); } if(cycle==1) { digitalWrite(PIN_INVP,LOW); delayMicroseconds(1); digitalWrite(PIN_INVN,HIGH); delayMicroseconds(1); } interrupts(); }
static const byte ASCII[][5] = { {0x00,0x00,0x00,0x00,0x00}, {0x00,0x00,0x5f,0x00,0x00}, ... }; // 字体表省略
void LcdCharacter(char character) { LcdWrite(LCD_D, 0x00); for (int index = 0; index < 5; index++) { LcdWrite(LCD_D, ASCII[character - 0x20][index]); } LcdWrite(LCD_D, 0x00); }
void LcdClear(void) { for (int index = 0; index < LCD_X * LCD_Y / 8; index++) { LcdWrite(LCD_D, 0x00); } }
void LcdInitialise(void) { pinMode(PIN_SCE, OUTPUT); pinMode(PIN_RESET, OUTPUT); pinMode(PIN_DC, OUTPUT); pinMode(PIN_SDIN, OUTPUT); pinMode(PIN_SCLK, OUTPUT); digitalWrite(PIN_RESET, LOW); digitalWrite(PIN_RESET, HIGH); LcdWrite(LCD_C, 0x21); LcdWrite(LCD_C, 0xA0); LcdWrite(LCD_C, 0x04); LcdWrite(LCD_C, 0x14); LcdWrite(LCD_C, 0x20); LcdWrite(LCD_C, 0x0C); }
void LcdString(char *characters) { while (*characters) { LcdCharacter(*characters++); } }
void LcdWrite(byte dc, byte data) { digitalWrite(PIN_DC, dc); digitalWrite(PIN_SCE, LOW); shiftOut(PIN_SDIN, PIN_SCLK, MSBFIRST, data); digitalWrite(PIN_SCE, HIGH); }
void LcdXY(int x,int y) { LcdWrite(LCD_C,0x80|x); LcdWrite(LCD_C,0x40|y); }
void LcdNumtoString(float number) { char string[8]; LcdString(dtostrf(number,5,2, string)); }
void Load_Control(void) { if (Load_Auto_Enable == 1 && PV_Voltage < 4.5 && cdc_level > 0) {digitalWrite(PIN_LOAD,HIGH);} if (Load_Auto_Enable == 1 && (PV_Voltage >10.5 || cdc_level==0)) {digitalWrite(PIN_LOAD,LOW);} }
void Charging_Control (void) { if (PV_Voltage > 10.5 && BattExt_Voltage >8.0) { if (BattExt_Voltage <= 12.5) { analogWrite(PIN_BATTPWM,255); cdc_level = 0; } if (BattExt_Voltage > 12.5 && BattExt_Voltage <=12.9) { analogWrite(PIN_BATTPWM,200); cdc_level = 1; } if (BattExt_Voltage > 12.9 && BattExt_Voltage <=13.3) { analogWrite(PIN_BATTPWM,160); cdc_level = 1; } if (BattExt_Voltage > 13.3 && BattExt_Voltage <=13.6) { analogWrite(PIN_BATTPWM,120); cdc_level = 2; } if (BattExt_Voltage > 13.6 && BattExt_Voltage <=13.9 && cdc_level == 2) { analogWrite(PIN_BATTPWM,80); cdc_level = 2; } if (BattExt_Voltage > 13.9 && BattExt_Voltage <=14.3 && cdc_level == 2) { analogWrite(PIN_BATTPWM,40); cdc_level = 2; } if (BattExt_Voltage > 14.3 ) { analogWrite(PIN_BATTPWM,0); cdc_level = 3; } } else {analogWrite(PIN_BATTPWM,0); cdc_level = 3;} }
void Discharging_Control (void) { if (BattExt_Voltage <= 10.8) { cdc_level = 0; digitalWrite(PIN_LOAD,LOW); Timer1_DeInit(); } }
void Timer1_Init(void) { noInterrupts(); pinMode(PIN_INVP,OUTPUT); pinMode(PIN_INVN,OUTPUT); TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 45535; TCCR1B |= (1 << CS11); TIMSK |= (1 << TOIE1); interrupts(); }
void Timer1_DeInit(void) { noInterrupts(); TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0; digitalWrite(PIN_INVP,LOW); digitalWrite(PIN_INVN,LOW); interrupts(); }

完整代码 C/C++

代码已整理且可读，预览不可用（仅供下载）。

引导程序 C/C++

预览不可用（仅供下载）。

原理图