基于AVR單片機的太陽能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計

王國義， 葉顯釗， 高 超， 陳永煌

(安徽工程大學(xué) 機電學(xué)院信息工程系，安徽 蕪湖 241000)

隨著科技和經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的不可再生資源利用起來不僅污染環(huán)境，而且也無法滿足人們對能源日益增長的需求。太陽能作為一種新的能源，取之不盡用之不竭，清潔無污染，被越來越多的人們關(guān)注并對其進行研究，在太陽能照明工程中，太陽能路燈是一個應(yīng)用廣泛、使用價值較高的典型工程。以往的太陽能路燈照明系統(tǒng)功能單一，對蓄電池的保護不夠，不能滿足人們對系統(tǒng)的智能化控制需求，在此設(shè)計基于單片機的太陽能路燈照明系統(tǒng)是一款智能化的控制系統(tǒng)，科學(xué)地采用不同百分比的PWM對蓄電池進行充電，負(fù)載的工作模式可以進行選擇，以滿足不同用戶的控制需求，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，具有很高的應(yīng)用價值。

1 太陽能路燈照明系統(tǒng)

太陽能路燈照明系統(tǒng)以ATMEL公司推出的精簡指令集8位單片機ATmega 48為核心，低功耗、速度快，它有8路10位的ADC，可直接輸入模擬量，6路的PWM用于控制輸出。該系統(tǒng)包括太陽能電池，蓄電池、路燈、檢測電路以及驅(qū)動電路等，太陽能電池接收光照將光能轉(zhuǎn)化為電能，蓄電池負(fù)責(zé)儲存電能并給路燈供電，檢測電路檢測太陽能電池，蓄電池和路燈的工作狀況，驅(qū)動電路驅(qū)動功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，負(fù)責(zé)給蓄電池進行充放電，系統(tǒng)擁有兩種工作模式，它們分別是純光控模式和光控加延遲模式，其工作模式通過按鍵設(shè)置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 充電電路設(shè)計

本文中的蓄電池采用鉛酸電池，電池的充電方法目前常用的主要有恒壓法充電、階段法充電和恒流法充電，此3種充電方法對蓄電池的保護都不夠，充電的質(zhì)量不僅影響蓄電池的壽命還影響著蓄電池的容量。采用兩個功率開關(guān)管串聯(lián)的形式作為充電電路的控制器件，通過單片機ATmega 48的PB口輸出高低電平來控制三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進而來驅(qū)動功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制太陽能電池與蓄電池的回路接通給蓄電池進行充電，PB口輸出的高低電平是根據(jù)控制需要通過單片機進行軟件編程來實現(xiàn)的。如圖1所示是充電電路。

2.2 放電電路設(shè)計

在夜晚到來時，路燈需要被點亮進行照明，此時蓄電池向負(fù)載路燈提供電能，在放電電路中用到了一個功率開關(guān)管，該型號為IRF3205S的場效應(yīng)管是電壓控制型器件，采用D2-PAK封裝方式。根據(jù)系統(tǒng)的控制需求通過單片機軟件編程控制PB0口輸出高低電平，來驅(qū)動功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時蓄電池與路燈構(gòu)成通路，蓄電池向路燈供電，路燈被點亮照明系統(tǒng)工作，反之路燈不被點亮。如圖2所示是放電電路。

2.3 指示電路設(shè)計

為了更好地掌握系統(tǒng)的運行情況，通過指示電路實時的指示太陽能電池，蓄電池和路燈的工作狀況，如圖3所示為指示電路，3個指示燈的陰極分別接單片機的PD3、PD4和PD5口，根據(jù)實際工作控制的需求通過軟件來設(shè)置單片機的PD3，PD4和PD5口的高低。D1綠色常亮表示有太陽光照射到太陽能電池板上，D1不亮表示沒有太陽光；D2綠色常亮表示蓄電池工作正常，若出現(xiàn)綠色閃爍表示蓄電池已充滿電；D3黃色常亮說明路燈正常工作，若D3黃色閃爍表示路燈過載或短路應(yīng)立即切斷負(fù)載，此時報警電路發(fā)出報警，提醒工作人員及時的斷開路燈、進行維護。

圖2 放電電路

圖3 指示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽能電池白天接收太陽光的照射并將光能轉(zhuǎn)化為電能，在充電電路的作用下將轉(zhuǎn)化的電能儲存在蓄電池中，到了晚上蓄電池在放電電路的管理下對路燈放電，路燈被點亮進行照明，當(dāng)白天再次來臨根據(jù)系統(tǒng)事先設(shè)定的工作模式關(guān)閉路燈，當(dāng)達到充電需求時對蓄電池再次充電。

3.1 主控程序設(shè)計

系統(tǒng)通過采集太陽能電池上的電壓來確定是否點亮負(fù)載路燈進行照明，當(dāng)確定是白天時，根據(jù)蓄電池所處的工作狀態(tài)決定對蓄電池是否充電，若蓄電池處在已充滿狀態(tài)則不需要充電，若欠壓狀態(tài)采取直充，反之采用不同百分比的PWM進行浮充，充分地保護蓄電池；若是夜晚則執(zhí)行相應(yīng)的程序，把路燈點亮進行照明，路燈的工作模式是根據(jù)事先設(shè)定的模式確定是采用純光控模式供電照明還是光控加延時模式照明。如圖4所示是主控程序流程圖。

圖4 主控程序流程圖

圖5 PWM充電程序流程圖

3.2 PWM充電程序

ATmega 48具有4種PWM輸出模式，分別是普通模式、CTC模式、快速PWM模式和相位修正模式。利用比較寄存器OCR0A和OCROB存放比較數(shù)據(jù)，如表1所示對波形的發(fā)生模式WGM[2：0]和比較輸出模式COM0x[1：0]的控制位進行設(shè)置，輸出的PWM頻率通過式(1)式計算可得：

(1)

式(1)中變量N代表分頻因子，N=1、8、64、256、1 024。

表1 控制寄存器A—TCCR0A格式

根據(jù)蓄電池的端電壓不同采用不同的充電模式，當(dāng)蓄電池的端電壓達到一定的數(shù)值時開始調(diào)用不同百分比的PWM子程序?qū)ζ涑潆?，這樣做的目的就是為了改善充電效果和保護蓄電池。如圖5所示是PWM充電程序流程圖。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的太陽能路燈照明系統(tǒng)，依據(jù)太陽能電池上的光照強弱來判定是白天還是夜晚，根據(jù)白天還是夜晚來確定執(zhí)行相應(yīng)的程序；根據(jù)蓄電池所處的工作狀態(tài)采用不同的充電方式，當(dāng)蓄電池的端電壓達到一定的數(shù)值時采用不同百分比的PWM對蓄電池進行充電，延長了蓄電池的壽命，提高了系統(tǒng)工作的效率和穩(wěn)定性，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

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