基于ATmega128L單片機太陽能路燈的設計

熊慧芳

摘要：在全球經(jīng)濟不斷發(fā)展的今天，人們的科技水平和生活質(zhì)量也有了質(zhì)的飛躍，人們對能源的需求日趨增長。基于現(xiàn)有太陽能路燈系統(tǒng)的需求，文章設計出了一個基于ATmegal28L單片機太陽能路燈。該路燈主要采用ATmega128L主控芯片和Speic電路，可有效控制照明系統(tǒng)的電流電壓輸出，實現(xiàn)太陽能路燈控制系統(tǒng)的最佳運行。實驗結果表明該控制器運行穩(wěn)定、可靠性高、性價比高，具有良好的市場前景。

關鍵詞：ATmega128L單片機；太陽能路燈；設計

1引言

近年來，人們開始關注到再生能源，而再生能源在整個能源消耗中也占有較高的使用比例。太陽能是目前較為常見的一種再生能源，符合我國低溫光熱利用范疇，具有一定的構建價值，且與太陽能相關的技術研究也日趨成熟。太陽能路燈就是典型的太陽能光伏發(fā)電應用產(chǎn)品，它是以太陽能作為電能供給，用來提供夜間道路照明。因為不需要消耗電網(wǎng)電能、不需要架設輸電線路或挖溝鋪設電纜，不污染環(huán)境、安全可靠，因而在公共照明及亮化裝飾領域有著廣闊的前景。本文以單片機設計為基礎，設計出了一種太陽能路燈只能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動控制太陽能路燈的充電時間、點亮時間等功能設定。

2太陽能路燈系統(tǒng)的結構

太陽能路燈系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池組、燈具等部分組成、）若需輸出電源為交流220v或110v，還需要配置逆變器、）太陽能路燈系統(tǒng)結構如圖1所示。

太陽能路燈系統(tǒng)是利用太陽能電池的光生伏特效應原理，白天太陽能電池吸收太陽能光子能量產(chǎn)生一定的電動勢，通過控制器對蓄電池進行充電，將光能轉換為電能貯存起來蓄電池充電到一定程度時控制器內(nèi)的自動保護系統(tǒng)動作，切斷充電電源。到夜晚或路燈周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器給照明燈供電。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池、控制器控制著蓄電池的供電，到設定的時間后切斷，保證蓄電池的正常使用，整個系統(tǒng)還具有限荷保護和防需裝置，以保護系統(tǒng)設備的過負載運行及免遭需擊，保證系統(tǒng)設備的安全。

在太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能控制器是整個路燈系統(tǒng)中的核心部件，它控制著整個系統(tǒng)使其合理穩(wěn)定地運行，它的性能在一定程度上決定了整個路燈系統(tǒng)的性能好壞?？刂破鞯闹饕δ軐π铍姵氐某浞烹娺M行控制，防止=蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方，控制器還應具備溫度補償功能。

3基于ATmega128L單片機太陽能路燈的系統(tǒng)設計

基于ATmega128L單片機太陽能路燈包括太陽能電池、路燈控制器、VRLA蓄電池和LED路燈。其中主控新芯片運用了ATmegal28L單片機微處理器，以便更好的完成路燈系統(tǒng)的正常運行和智能控制。ATmegal28單片機是以AVR RISC結構為基礎的一種低功耗CMOS微處理器。該處理器內(nèi)的執(zhí)行時間為單周期指令執(zhí)行，含有較強的指令集，故其數(shù)據(jù)吞吐率可達1 MIPS/MHz，可有效減輕系統(tǒng)處理速度和功能耗損方面的矛盾。

如圖2所示，控制器首先經(jīng)電壓電流對太陽能電池進行采樣檢測，同時將電壓電流輸出，然后主控芯片ATmegal28L在MPPT算法控制下自動對Sepic電路開關器件進行控制，實現(xiàn)IGBT在系統(tǒng)內(nèi)的通斷，是供電點跟蹤技術發(fā)揮最大化的作用，同時也提高了整個照明系統(tǒng)的功率點，提高太陽能路燈照明系統(tǒng)的使用效率。

4基于ATmegal 28L單片機太陽能路燈的詳細設計

4.1硬件設計

4.1.1采樣電路設計

太陽能光伏路燈照明系統(tǒng)內(nèi)的單片機采樣電路主要依靠太陽能電池和VRLA蓄電池實現(xiàn)，共同采用了其電壓與電流。根據(jù)電阻器分壓原理電壓采樣可獲得電壓值采樣，再啟動電壓跟隨器隔離和運算放大器，單片機轉換濾波后的低通濾波器，為保證電流采樣的有效進行，需將較小的電阻串聯(lián)在電路負極，通信后可將電路放大，然后進入單片機轉換。

4.1.2Sepic電路設計

speic電路是太陽能光伏路燈照明系統(tǒng)中的直流—直流變換器（DC-DC Converter），處于DC-DC光伏路燈照明系統(tǒng)中，IGBT是Speic電路內(nèi)的開關器件，其驅(qū)動電路型號）足TLP250。相對于傳統(tǒng)的Boost升壓電路和Buck電路而言，Sepic電路的電壓輸出具有較為廣泛的范圍，可用公式表示為：V0=D/1-D×V_i。

4.1.3蓄電池充電電路設計

光伏路燈照明系統(tǒng)的充電電路設計采用VRLA蓄電池，該蓄電池的充電芯片為UC3906，是保證VRLA蓄電池完成最佳充電的關鍵，可滿足系統(tǒng)充電的全部檢測功能和控制功能。基準電壓的精確性是UC3906芯片的重要特征，隨著環(huán)境和溫度的變化，基準電壓也會發(fā)生相應的變化，且變化規(guī)律遵循VRLA蓄電池電壓運作過程中的溫度特性，以確保VRLA蓄電池可在較大溫度差內(nèi)實現(xiàn)最佳充電狀態(tài)。在太陽能路燈照明系統(tǒng)中，VRLA蓄電池的具體充電過程為：接通輸入電KVin后，進行Q2導通，處于恒流充電階段時系統(tǒng)內(nèi)存在最大工作電流，當VRLA蓄電池端內(nèi)有95%過充電壓時，系統(tǒng)進入過充電狀態(tài)，整個系統(tǒng)的充電電流開始下降，當降至VRLA蓄電池的截止電流時，蓄電池進入浮充轉臺，電平從電壓比較器輸出后，VRLA蓄電池指示燈亮起，表示電量充足。

4.2軟件設計

基于Arrmegal28L微處理器太陽能路燈控制系統(tǒng)采用了GCC編譯環(huán)境，采用高級編程語言L設計和模塊化設計思想，具有移植性高的特點。系統(tǒng)內(nèi)的各個模板參數(shù)出入一致，相互關聯(lián)，利于整個系統(tǒng)的設計和修改，減少不必要的時間，縮短了程序設計和開發(fā)周期。信號采樣模塊、最大功率跟蹤算法模塊、初始化模塊、LED路燈驅(qū)動模塊、主程序、VRLA蓄電池充放電模塊是組成系統(tǒng)的六大模塊，具體程序設計圖如圖3所示。

經(jīng)測試證明，該控制器具有良好的啟動性能，蓄電池的充電過程能夠達到預期的要求。當蓄電池電壓過低時，能夠自動啟動開關管，斷開放電回路實現(xiàn)了蓄電池的過放保護，而且可以針對不同的蓄電池設定參數(shù)，進行溫度補償。