太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章針對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)布線(xiàn)麻煩、節(jié)能效果差等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以STM8S單片機(jī)為核心控制器的太陽(yáng)能LED路燈智能照明系統(tǒng)。該照明控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)μ?yáng)能蓄電池進(jìn)行智能充放電控制，而且能夠自動(dòng)檢測(cè)外界光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)整自身燈光亮度，周期性采集光照度、溫度等環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)時(shí)控加光控自動(dòng)控制功能，工作穩(wěn)定可靠，充放電效果好，無(wú)需人工操作，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能LED路燈；PWM；STM8S；路燈控制器

引言

隨著環(huán)境污染的不斷加重及能源資源的日益稀缺，太陽(yáng)能作為一種新型可再生能源，因?yàn)槠滟Y源豐富、清潔環(huán)保、受地域限制小等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，尤其太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域業(yè)已發(fā)展成為成熟的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)[1]。LED燈具有高效節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，文章將太陽(yáng)能與LED路燈有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了基于STM8S單片機(jī)的太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的照明模式，解決了市場(chǎng)上一些太陽(yáng)能控制器存在的缺陷。

1 太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板、蓄電池、路燈控制器、LED燈具組成[2]。文章主要為太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能直流路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款高性能太陽(yáng)能控制器。

1.2 太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)的工作原理

太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)光照射下，其內(nèi)部PN結(jié)形成新的電子-空穴對(duì)，在一個(gè)回路里產(chǎn)生直流電流；這個(gè)電流流入控制器，會(huì)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。蓄電池白天接受充電，而晚上則會(huì)提供能量給LED。LED是通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)工作的，控制器在驅(qū)動(dòng)LED恒流工作同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測(cè)LED的狀態(tài)以及控制LED工作時(shí)間。在蓄電池電能不足的情況下，控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)外部的市電供電系統(tǒng)，保證LED的正常工作[3]。

2 系統(tǒng)硬件電路方案

太陽(yáng)能LED路燈照明控制系統(tǒng)電路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要電路包括：太陽(yáng)能電板電壓檢測(cè)電路、蓄電池電壓檢測(cè)電路、、PWM充電電路、放電和保護(hù)電路、溫度檢測(cè)電路等。其中，充放電控制、電流、和溫度采樣電路實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）電池充電模式，以選擇一個(gè)不同的狀態(tài)；（2）LED照明時(shí)間或可選自動(dòng)定時(shí)控制；采樣的太陽(yáng)能電池的輸出電壓和太陽(yáng)能電池板的電流；（3）取樣線(xiàn)的開(kāi)路電壓，該充電狀態(tài)的電壓；（4）在樣品上，所述電池的電流值，包括兩個(gè)充電和放電狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體控制電路結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，基于STM8S單片機(jī)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能控制器電路主要包括充放電主回路、光電檢測(cè)電路、電源電路以及各種保護(hù)電路等。

3.1 充電電路及控制策略

太陽(yáng)能電池板電壓經(jīng)半橋分壓電路R1和R2分壓后，送至STM8S的片上ADC1口實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)判別光線(xiàn)的強(qiáng)弱。白天光線(xiàn)充足時(shí)，由太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電。控制器根據(jù)實(shí)時(shí)采集的蓄電池端電壓大小，控制器把不斷檢測(cè)蓄電池端電壓作為控制充電程度的方法；另外設(shè)定轉(zhuǎn)換點(diǎn)的蓄電池端電壓值，控制充電各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和停充。

較好的充電策略是智能三階段充電方式（快充、過(guò)充和浮充）。

（1）快充階段。相當(dāng)于電流源的充電電路的輸出端。輸出電流是根據(jù)可接受的最大電池電流。在充電過(guò)程中，電池的端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)電池端電壓上升到所述閾值的轉(zhuǎn)換后，通過(guò)充電電路進(jìn)行充電階段。使用MPPT算法來(lái)控制輸出電壓，輸出電流是固定的。

（2）過(guò)充階段。充電電路，而被檢測(cè)到的充電電流，以提供一個(gè)較高電壓的電池。當(dāng)充電電流下降到閾值轉(zhuǎn)換器，當(dāng)電池被完全充電可以被識(shí)別，一個(gè)充電電路，在下一階段如下-浮充的階段。

（3）浮充階段。當(dāng)電池充滿(mǎn)電，最好的辦法是保持電源給電池提供準(zhǔn)確，具有溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓。

3.2 放電電路及控制策略

當(dāng)放電電路檢測(cè)到所述太陽(yáng)能電池板的電壓低于1V時(shí)，打開(kāi)控制電路，1分鐘后的延遲，由電池供電的負(fù)載，使LED燈。剛充滿(mǎn)電的電池電壓較大，一般在22.6～24.6V。作為最好的單個(gè)LED燈的負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流13～18毫安，3～3.2V的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，流過(guò)LED的電流約為26.7～31.5毫安，遠(yuǎn)高于可接受13～18毫安更大。當(dāng)電池電壓低于23.5V時(shí)，單片機(jī)I/O發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)的過(guò)放電保護(hù)電壓時(shí)，晶體管Q2導(dǎo)通時(shí)，MOSFET Q2被關(guān)斷時(shí)，電池不再供應(yīng)給負(fù)載；當(dāng)電池電壓上升到過(guò)放電恢復(fù)點(diǎn)24V，然后也通過(guò)I/O的低電平信號(hào)發(fā)出時(shí)，晶體管Q2截止，場(chǎng)效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，則電池將繼續(xù)向負(fù)載供電，當(dāng)在24.6V的電壓？25.6V變化，然后再次PWM供電負(fù)荷。

3.3 供電電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能LED路燈控制器電源由蓄電池提供，由于蓄電池輸出的是直流24V，而控制器上的MCU和運(yùn)放等其他電子元件需要的是直流5V電源，故需要進(jìn)行DC/DC變換，本系統(tǒng)采用電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2931AM對(duì)蓄電池端電壓實(shí)現(xiàn)降壓變換至5V。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件主要是設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)助完成硬件電路控制器的控制策略，在圖2所示的主程序。采用MPPT算法快充階段可提高輸出功率光伏電池成為可能。把電子節(jié)目采用PWM技術(shù)來(lái)調(diào)整負(fù)載電流可以在午夜被完全切斷負(fù)載，實(shí)現(xiàn)半功率點(diǎn)亮負(fù)載。

5 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)是太陽(yáng)能新能源與新生代綠色光源LED的完美結(jié)合。文章以意法半導(dǎo)體的STM8S單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的路燈照明控制系統(tǒng)，總體上，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)階段的智能電池充電控制功能，并能有效地防止電池的過(guò)充電，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)定時(shí)和切斷的半功率點(diǎn)負(fù)載，電池電壓小于過(guò)放電電壓的負(fù)載會(huì)切斷，所以電池過(guò)度放電保護(hù)，延長(zhǎng)電池壽命。該系統(tǒng)在能源利用率和工作可靠性方面有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王亞南，黃鶴松，劉華東等.基于AVR的智能太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與產(chǎn)品太陽(yáng)能，2011（13）：31-41.

[2]趙爭(zhēng)鳴，劉建敏，孫曉瑛等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]施鈺川.太陽(yáng)能原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2009.

[4]吳正茂，楊瑩，吳勇等.基于STC單片機(jī)的太陽(yáng)能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J]，南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，30（6）：19-22.

作者簡(jiǎn)介：馬法平（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：模式識(shí)別與智能控制系統(tǒng)研究。