基于單片機的太陽能LED照明系統控制器設計

東莞職業技術學院 麥 強

一、引言

近年來，隨著太陽能發電進行LED照明的廣泛應用，使用各種環保節能的太陽能LED路燈、庭院燈以及草坪燈等照明系統將成為公共照明的必然趨勢。太陽能光伏發電是一種可再生無環境污染的綠色能源，其組件價格不斷下降，是最有希望成為未來代替能源的發電方式；另外，LED作為新興的半導體固體光源，具有功耗低、壽命長、發光效率高、啟動時間短等特點，隨著白光LED發光強度和效率的提高，LED照明勢也必會取代傳統照明系統。太陽能光伏發電與LED照明都是直流電、低電壓，因此，把兩者結合使用不需要將太陽能電池產生的直流電轉化為交流電，從而提高了整個照明系統的能源利用率。為了優化太陽能LED照明系統，本文設計了一種基于STC單片機的控制器。

二、太陽能LED照明系統組成

太陽能LED照明系統的組成框圖如圖1所示，主要包括了太陽能電池板、蓄電池、LED燈以及把它們有機組合起來的智能控制器。

1.太陽能電池板

太陽能電池是把太陽能直接轉換為直流電能的器件。在本系統中，太陽能電池的主要作用是：(1)當光照條件較好時，將太陽能轉換為電能，然后再對蓄電池充電；(2)當光照條件較差時，可通過測量太陽能電池輸出電壓以判斷是否天黑。

2.蓄電池

蓄電池是用來貯存太陽能電池轉化形成的電能，并向負載供電。本系統對所用蓄電池組的要求是：(1)有足夠的蓄電量供LED燈在夜間工作；(2)可通過測量輸出電壓來確定剩余電量；(3)使用壽命長，可以少維護或免維護，工作溫度范圍寬，價格低廉。

3.LED燈

白光LED燈是一種高亮度白色發光二極管發光源。本系統選用LED燈的主要原因是：(1)高效節能、光效率高；(2)使用壽命長，安全系數高；(3)直流電，低電壓。

4.智能控制器

智能控制器是防止蓄電池過充和過放的設備，同時還具有測量功能和控制LED燈功能。在整個系統中智能控制器是最核心部分，它的主要作用有以下三個部分：(1)對蓄電池充電和放電管理，提高蓄電池壽命；(2)檢測周圍環境，智能控制LED燈開關；(3)智能設置LED燈的工作模式。

三、控制器系統硬件設計

智能控制器是太陽能LED照明系統最為重要組成部分，其功能設計的好壞決定了一個太陽能LED照明系統運行情況的優劣。智能控制器需要實現的功能有：根據太陽光照，自動轉換到斷開LED路燈而給蓄電池充電模式，或轉換到通過蓄電池給LED燈供電模式；并能測量蓄電池的電量，當電量不足時，自動關閉LED燈供電，從而防止蓄電池過充和過放等。本文選擇STC90LE52AD單片機對太陽能LED照明系統進行控制。以單片機為作為主控芯片的智能控制器電路模塊較多，其中充電電路模塊、放電電路模塊以及LED驅動電路模塊等三個模塊較為重要。

1.充電電路模塊

充電電路模塊（如圖1所示）采用蓄電池負極與太陽能電池板負極直接連接，通過控制正極連接處的場效應管Q3導通和關斷，達到控制充電的功能。充電電路模塊工作過程如圖2所示：P2.0發出高電平信號，使Ql導通、Q2截止，進而使得場效應管Q3導通，太陽能電池板給蓄電池充電；P2.0發出低電平信號，使Ql截止、Q2導通，進而使得場效應管Q3截止，太陽能電池板不再給蓄電池充電。

太陽能電池板電壓和蓄電池的電壓經R6、R7和R8、R9分壓送至A/D轉換口檢測，以辨別光線強弱和蓄電池電量。當光照充足時，單片機實時監測蓄電池的電壓，參照設定電壓值進入充電各階段。在充電各階段中，單片機P2.0端口采用脈寬調制PWM方式控制太陽能電池板對蓄電池充電，從而使蓄電池達到最大充電效果。

2.放電電路模塊

放電電路模塊采用蓄電池負極與LED驅動電路負極直接連接，通過控制正極連接處的場效應管Q6導通和關斷，實現控制蓄電池向LED驅動電路供電的功能。放電電路模塊工作過程如圖3所示：P2.1發出高電平信號，使Q4導通、Q5截止，進而使得場效應管Q6導通，蓄電池給LED驅動電路供電；P2.1發出低電平信號，使Q4截止、Q5導通，進而使得場效應管Q6截止，蓄電池充電停止給LED驅動電路供電。

3.LED驅動電路模塊

LED燈需要恒流驅動，驅動效果直接影響LED燈的效果。本系統中對恒流控制選用XL6003來驅動LED燈。LED驅動電路模塊如圖4所示，在芯片XL6003的基礎上加上一些外圍電路組成，其中包括：肖特基二極管DZ1；電感L1，電容C3、C4，采樣電阻R14以及負載LED燈。而采樣電阻R14是給芯片提供反饋信息的器件，通過改變R14的阻值得相應的輸出電流。XL6003的FB端口的參考電壓值為0.23，所以只要根據LED燈驅動電流值，即可求出相應的R14值即可。

四、系統軟件設計

太陽能LED照明系統控制器軟件的主要任務是：通過對太陽能電池板電壓采集，判斷當前是白天還是夜間。如果是白天，根據檢測到蓄電池的電壓值，控制進入不同充電階段給蓄電池充電，防止系統過充。如果是夜間，根據檢測到太陽能電池板的電壓值，控制LED燈打開，通過定時方式關閉LED燈，并對蓄電池放電進行控制，防止過放。

1.系統主程序

太陽能LED照明系統在智能控制器的作用下，白天，執行白天子程序；晚上，執行夜間子程序。通過對太陽能電池進行采樣檢測，判斷白天黑夜對系統正常運行非常關鍵。系統主程序流程圖如圖5所示。

2.白天子程序

白天子程序主要是采樣太陽能電池板電壓和蓄電池電壓，判斷是否滿足充電條件，再根據蓄電池電壓的不同進入不同的充電階段。在不同充電階段，通過調整充電電壓PWM脈沖的占空比來調整充電方式。當蓄電池處于過放保護階段時，采用直接充電方式；當蓄電池處于半飽和階段時，采用脈寬調制PWM方式充電；直到蓄電池進入過充保護階段時，停止充電。白天子程序流程圖如圖6所示。

3.夜間子程序

圖1 太陽能LED照明系統的組成框圖

圖2 充電電路模塊

圖3 放電電路模塊

圖4 LED驅動電路模塊

圖5 系統主程序流程圖

圖7 夜間子程序流程圖

夜間子程序主要是根據采樣太陽能電池板電壓和蓄電池電壓，判斷蓄電池是否過放，當蓄電池電壓高于過放保護電壓時，蓄電池給LED燈供電；當蓄電池電壓低于過放保護電壓時，停止對LED燈供電，進入過放保護階段。同時，在LED燈啟動后，通過單片機定時器預先設定好時間，當到達預定時間時，停止LED燈供電。夜間子程序流程圖如圖7所示。

五、小結

本文設計的太陽能LED照明系統控制器解決了太陽能LED照明系統中普遍存在的一些問題，如蓄電池壽命較短、能源利用率不高等。該控制器的設計使得太陽能電池板、蓄電池和LED燈合理地組合在一起，有利于太陽能在實際應用中的推廣，響應了國家節能減排的倡導。

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