太陽能草坪燈控制系統研究與設計

1.引言

隨著能源危機的日益加重，太陽能光伏發電技術得到人們的重視。太陽能草坪燈以無須架設電纜、安裝方便、美化環境等優點而受到越來越多的重視。但是現有的太陽能控制系統成本高，效率低，嚴重的制約了太陽能在節能燈方面的發展。本文設計了一款新型太陽能控制系統，該系統采用STM32芯片對照明系統進行控制，防止過充、過放，根據光照情況及時開關燈。該控制器在實現了多樣化的道路照明同時獲得了最佳的節能效果。

2.太陽能草坪燈的系統結構

如圖1所示：太陽能草坪燈實質上是一個小型獨立光伏系統，主要有太陽能電池板、蓄電池、控制電路、照明電路等組成。其中控制系統STM32是整個系統的核心，負責數據的處理和控制工作，它的性能好壞關系到整個系統是否能夠正常運行。

3.硬件系統的實現

3.1 STM32芯片簡介

STM32F103系列是以ARMv7構架的嵌入式處理器，它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片。它最高工作頻率可達到72MHZ，具有512K字節的閃存和64K的SRAM。STM32的12位ADC為逐次逼近型模數轉換器，各通道有單次、連續或掃描模式，轉換的結果以左對齊或右對齊存儲寄存器中。芯片內嵌2個12位的ADC，通道采樣時間可編程，最快可達到1μs，每個ADC具有16個外部通道，具有轉換速度快、精度高的優點。

3.2 控制電路

蓄電池是獨立光伏系統必不可少電能存儲器件，其放電深度和過充電程度都會影響蓄電池的壽命。蓄電池的放電深度隨天氣狀況和季節的變化而變化。在天氣晴朗或夏天時放電深度小，在天氣陰沉或冬天放電深度大。為了提高蓄電池運行的穩定性和可靠性，系統對蓄電池充放電過程中的電壓，當蓄電池充、放電到一定程度時，應停止對其充、放電。根據光敏電阻采集到的數據可以判定光照強度，從而可以控制開關段電路。數據采集控制如圖2所示。

3.2.1 電壓檢測電路

在一種草坪燈的應用中選擇了12V，4.5AH免維護蓄電池，蓄電池的正常應用10.8V~14.4V。設計為當電壓低于10.8V或者高于14.4V時，控制電路關斷蓄電池，防止過放、過充。利用電阻分壓采樣實時檢測蓄電池電壓，并經過低通濾波電路處理變換后，輸入STM32的ADC通道，由STM32將模擬信號轉換成數字信號，從而實現對充放電電路控制。

STM32的ADC輸入范圍是0~3.6V，將蓄電池最高電壓定為14.4V，最低10.8V。當輸入模擬電壓低于閾值Umin或者高于閾值Umax時通過調整PWM脈沖控制三極管導通或關斷從而控制電路的充放電。

3.2.2 溫度檢測

蓄電池的溫度嚴重影響著其工作性能和使用壽命，蓄電池溫度測量成為保護蓄電池的一種重要方法。蓄電池的容量隨著溫度的變化而變化，因此系統設計必須對蓄電池進行溫度補償控制。我們把采樣溫度參數與存儲在STM32中的電壓值進行比較，對蓄電池充、放電電壓進行控制，從而保護蓄電池。

溫度采集模塊應用的是美國模擬器件公司生產的AD590，它的測溫范圍是-55℃~+150℃，它的電源電壓范圍是4-30V，可以承受4V正向電壓和20V反向電壓。AD590具有很高的精度，在其測溫范圍內它的非線性誤差僅為±0.3℃。它產生的電流與溫度成絕對正比，溫度每增加1℃，輸出電流增加1μA，具有很好的線形關系，足以滿足本系統對溫度檢測的應用要求。

3.2.3 光控電路

該控制電路對數據精度要求不嚴格，我們可以利用光敏電阻在光照和非光照下其阻值的不同來實現。此電路采用GM5537光敏電阻，該電阻適合靈敏度高、精度要求不高的場合。在A/D轉換中我們可以用STM32自帶的ADC轉換通道。

根據光敏電阻在不同的光照強度下的電阻值不同，可以實現白天光照強時自動熄滅、晚上光照弱時自動打開。為避免受到干擾，開關電路延時一分鐘。

4.系統軟件設計

圖1 草坪燈控制系統

圖2 數據采集

圖3 系統流程圖

該系統通過AD轉換得到蓄電池的電壓、溫度參數，通過與STM32設定的閥值比較，當大于或者小于閥值時由芯片產生PWM脈沖來控制三極管的導通，從而控制蓄電池開通、關斷，防止過充、過放，保護蓄電池，延長其使用壽命。該系統的軟件設計主要包括：電壓檢測程序，光照檢測程序，溫度檢測程序。

軟件的控制程序主要包括ARM初始化、電壓檢測、光照檢測、溫度檢測、數據判斷等組成。控制系統的軟件設計采用C語言編程，基于Keil μVision4開發環境。系統的流程如圖3所示。

5.結束語

本文對太陽能草坪燈控制系統的軟、硬件作了簡單的介紹。太陽能控制系統把電池板、蓄電池以及照明設備聯系起來，是太陽能草坪燈中最重要的一個環節。它的好壞直接影響到整個系統的性能和使用。

單片機根據采集到的電壓、溫度等參數發出控制信號，可以使充放電電路穩定有效的運行。本系統能夠很好地實現電池的檢測與保護以及準確地開關斷照明電路，能夠很好地節能環保。經研究分析，該系統能滿足一般日常生活的需求。該系統結構簡單，成本低廉，具有很高的推廣使用價值。該系統還可以應用于庭院燈，廣告箱，太陽能攝像頭等。

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