太陽能LED路燈控制系統的設計

摘 要：設計了一套基于STC12單片機的太陽能LED路燈控制系統，系統采用變步長的電導增量法跟蹤太陽能電池板最大功率點，充分利用太陽能電池板的能量，對鉛酸蓄電池充電。同時實時監測鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等現象；對LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環境照度的監測控制LED路燈在不同電流強度下工作，以增強LED路燈的使用壽命，實現節約用電的目的。

關 鍵 詞：太陽能；LED；最大功率跟蹤

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A

一、引言

當前，由于全球性能源危機，世界主要發達國家都開始重視可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源，已被公認為未來解決能源危機的最有效能源[1]；LED燈具有壽命長、高效節能、環保等優勢。因此，把太陽能與LED路燈有機地結合起來，開發出一套太陽能LED路燈控制系統非常重要[2]。

目前，在所有的太陽能利用中，光伏發電無疑是其中一項重要的解決方案。但是，太陽能電池具有非常明顯的非線性特性，造成太陽能電池與負載之間的不匹配， 從而降低了太陽能電池的輸出效率；同時光伏發電成本居高不下，制約了光伏產業的發展。因此為了充分利用太陽能，降低發電成本，提高發電效率的需要，急需研制一種能實時跟蹤太陽能最大功率點（MPPT）[3]的控制系統。

為此，設計了的基于STC12單片機的太陽能LED路燈控制系統，系統采用變步長的導電增量法跟蹤太陽能電池板的最大功率點，充分利用太陽能電池板的能量，對鉛酸蓄電池充電，同時實時監測鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等現象；對LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環境照度的監測控制LED路燈在不同電流強度下工作，以增強LED路燈的使用壽命，實現節約用電的目的。

二、系統原理

基于STC12單片機的太陽能LED路燈控制系統原理圖如圖1所示。系統主要由太陽能光伏板、太陽能電流電壓采集、Buck充電電路、鉛酸蓄電池、Boost放電電路、蓄電池電壓采集、放電電路電流采集、LED路燈及STC12單片機等部分組成。通過采集太陽能光伏板的電壓來判定充電和分段式恒流負載輸出。當檢測到太陽能板電壓高于蓄電池電壓一定值時開始MPPT充電模式，這時STC單片機通過采樣到的太陽能板電壓和電流值通過變步長的電導增量法計算最大功率點，通過PWM信號的占空比調節太陽能板充電電壓大小達到最佳充電功率點，充電同時實時監測蓄電池電壓防止過充電；當檢測到太陽能板電壓低于一定值時，停止充電進入分段式恒流負載輸出控制模式，此時主要根據不同的太陽能板電壓值，通過Boost放電電路控制PWM信號的占空比方式控制負載輸出電路輸出不同的電流值。

三、系統硬件設計

1.Buck MPPT充電控制主電路

太陽能最大功率點跟蹤控制電路主要采用如圖2所示的Buck斬波降壓電路。其中，Q1、Q2就是通過PWM信號的占空比來調節太陽能板的充電電壓大小，Q3、Q4主要起防反充的作用（當蓄電池電壓高于太陽能板時要及時關閉），壓敏電阻TVS管防雷擊和浪涌電壓，U1（ACS712）是霍爾電流傳感器，通過它來檢測太陽能板的輸出電流。

2.負載開關控制電路

負載開關控制電路主要有MOS管Q7、Q8和自恢復保險絲F1、F2、F3組成，可以和后級的負載Boost電路構成簡單的恒流分段式控制電路控制LED路燈工作在不同的恒流電流值下。

3.STC單片機采樣控制電路

STC單片機采樣控制電路如圖4所示，主要完成對太陽能板的電流電壓的采樣、蓄電池電壓的采樣以及負載輸出電流的采樣等。通過采樣的信號完成MPPT控制信號和負載多段式恒流輸出控制信號的產生及各個指示燈控制信號的產生。

4.MPPT充電控制電路

MPPT充電控制電路如圖5所示，主要把STC單片機產生的MPPT充電控制PWM信號通過高速光耦U4（P521）轉換成MOS的控制信號，來實現控制信號之間的隔離，減少電路噪聲干擾等作用，同時也有助于增加驅動MOS的能力。

四、系統軟件設計

系統軟件流程圖如圖6所示。此次設計采用的STC12單片機有2路8位PWM發生器和8路10位AD轉換器，可直接實現PWM輸出和AD轉換。系統實時采集太陽能板電壓和蓄電池的電壓，當檢測到的太陽能板電壓大于蓄電池電壓加上0.4V時，系統進入充電模式，通過判斷當蓄電池電壓低于14.5V時進入最大功率點充電子程序，否則關閉充電；而當檢測到太陽能板電壓低于6V時，系統進入放電模式，通過判斷當蓄電池電壓低于10.5V時停止放電，否則進入分段式放電子程序。

最大功率點充電子程序流程圖如圖7所示。相比于光照的突變，光伏太陽能板表面溫度的變化是非常的緩慢的，因此，在研究最大功率點跟蹤時，可以近似的認為光伏板表面的溫度是不變的。當dU=0時，光照的變化必然引起功率P的變化；當dU<0時，若dI<=0，則光照降低；當dU>0時，若dI>=0，則光照增強。對于其他情況，可以設定一個閾值δ，當|dI|>δ時，認為光照發生了較大變化。

基于以上原理設計了一種變步長的電導增量法，未檢測到光照發生變化時，若dU≠0，系統沒有工作在最大功率點。在最大功率點的左側（dP/dU>0）時，應該提高工作點的電壓，即減小占空比（增大Duty值dD>0）。該區域遠離最大功率點，dP/dU變化速度小，為了加快逼近速度可取，其中M1、N設置為適當的常數，當N>1時，可以放大dP/dU>1時的步長，并縮小dP/dU<1時的步長。在最大功率點的右側（dP/dU<0）時，應當降低工作點電壓，即增加占空比（減小Duty值dD<0）。該區域內dP/dU變化速率較大，取dD=M2*dP/dU。檢測到光照發生變化時，出于電流的變化方向和最大功率點電壓變化方向一致，因此可以取dD=M3*dI作為步長數據，可以快速追蹤由輻照度變化引起的最大功率點電壓變化。

五、總結

設計了一套基于STC12單片機的太陽能LED路燈控制系統，系統采用變步長的電導增量法跟蹤太陽能電池板最大功率點，并可實時監測鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等的現象；對LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環境照度的監測使LED路燈在不同電流強度下工作，以增強LED路燈的使用壽命，實現節約用電。

參考文獻

[1] 高峰，孫成權，劉全根.太陽能開發利用的現狀及發展趨勢.世界科技研究與發展[J].2001，23（4）：35-39.

[2] 劉永璽.功率型白光LED的熒光粉涂覆工藝及散熱技術研究[D].廈門：廈門大學.2008，2-5.

[3] Cullen R.A.http：//www.blueskyenergyinc.com/uploads/pdf/BSE_What_is_MPPT.pdf.