基于ARM的太陽能路燈控制系統的設計與實現

同方股份有限公司 于海成

1 引言

隨著經濟的發展、社會的進步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現有主要能源火電、水電和核電，都存在枯竭或者是破壞環境的危險。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費。可以說，唯有太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發電絕對干凈，不產生公害。所以太陽能發電被譽為是理想的能源。

LED路燈作為高效節能的新光源，有著眾所周知的優點，太陽能發電與LED路燈恰恰是最理想的組合。太陽能LED路燈以太陽光為能源，白天充電晚上使用，無需復雜昂貴的管線鋪設，可任意調整燈具的布局，安全節能無污染，無需人工操作工作穩定可靠，節省電費免維護。因為相同照度情況下，LED路燈需要的電能較傳統燈具需要的電能少的多，這就意味著用相對小面積的太陽能電池板和小容量的蓄電池就能滿足照度要求，大大減少了太陽能應用于路燈的成本。二者結合是今后路燈發展的必然趨勢。

本文探討了一種基于ARM的太陽能路燈智能控制系統的設計與實現。

2 智能太陽能路燈控制系統整體方案

基于ARM的太陽能路燈智能控制系統主要由太陽能電池板、蓄電池、LED 路燈和控制器四大部分組成。如圖1所示：

圖1 太陽能路燈系統圖

白天太陽能電池板接受太陽輻射能并轉化為電能輸出，經過充電控制電路儲存在蓄電池中；晚間當光線照度降低時，控制器使LED路燈點亮，并且根據時間自動改變功率，做到最大程度的節能。

在太陽能路燈系統中，太陽能充放電控制器是整個路燈系統中的核心部件，它的性能在一定程度上決定了整個路燈系統的性能好壞。

3 智能太陽能控制系統硬件設計

目前階段，LED路燈已經在光效、可靠性和壽命方面取得突破性進展，目前發展太陽能LED路燈關鍵在于控制系統，如何優化太陽能電池板的面積、實現最優的充電和放電管理、如何保證長期穩定運行，根據亮度、溫度、時間等外界條件實現智能功率調節、減少故障率這都是太陽能路燈控制系統研發設計中必須要認真研究的課題。

3.1 智能路燈控制系統

如圖2所示，是控制系統的原理框圖。該太陽能路燈智能控制系統選用德州儀器的32位ARM微控制器LM3S9B96為主處理器。

LM3S9B96以ARM Cortex-M3為內核，此處理器有高性能、低成本、管腳數少、以及低功耗等方面的優勢，與此同時，它還提供出色的計算性能和優越的系統中斷響應能力。非常適合用于本智能控制系統中。其特點有：

圖2 太陽能路燈智能控制系統總圖

速度快，80MHz運行速度，性能100 DMIPS；

有高效的處理器內核，系統和存儲器；

硬件觸發器和快速乘法運算，便于MPPT算法實現；

有更好的性能和電源效率；

集成多種睡眠模式，更低功耗。本處理器常年處在待機檢測狀態，蓄電池取電，低功耗很重要。

3.2 電流采樣電路

電流信號的采樣采用康銅絲電阻，此系列電阻選用高精密合金絲并經過特殊工藝處理，使其阻值低，精度高，溫度系數低，具有無電感，高過載能力的特點。廣泛用于通訊系統，電子整機，自動化控制的電源等回路作限流，均流或取樣檢測電路連接等。本設計通過康銅絲電阻采樣的電壓信號經過集成運放LM358的放大，輸入到ARM中，進行數據的處理和控制。如圖3所示。

圖3 電流采樣電路原理圖

回路電流在康銅絲電阻上產生的壓降輸入到集成運算放大器的反向輸入端。由于Ui

3.3 電壓采樣電路

太陽能電池板和蓄電池電壓采樣均采用電阻分壓電路進行采樣，如圖4所示，這里就不詳細敘述了。

3.4 MPPT技術的硬件支持電路

圖4 電壓采樣電路原理圖

MPPT是Maximum Power Point Tracking（最大功率點跟蹤）的簡稱，MPPT控制器能夠實時偵測太陽能板的發電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最高的效率對蓄電池充電。它主要取決于電池板的工作溫度和當時的光照水平。理論上講，使用MPPT控制器的太陽能發電系統會比傳統的效率提高50%，除去周圍環境影響與各種能量損失，最終的效率也可以提高20%～30%。

如圖5所示，點3為太陽能光伏陣列輸出功率最大點，目前太陽能光伏陣列工作在點1，此時減小開關管的占空比，系統采樣點2的電壓電流信號，如果l點的電壓小于2點，點1的功率也小于點2，則太陽能光伏陣列就轉移到點2工作。開關管的占空比減小，根據增量電導法，始終尋求最大功率點3進行工作，對太陽能光伏陣列而言就是負載加重，就會使太陽能光伏陣列的輸出功率增加。

圖5 MPPT技術控制圖示

本系統采用利用Boost型DC—DC變換器可以實現最大功率點的跟蹤。如圖6所示，Boost變換器可以始終工作在輸入電流連續的狀態下，只要輸入的電感足夠大，則電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，Boost電路非常簡單，并且由于功率開關管一端接地，其驅動電路設計更為方便。關于Boost電路的更多的參數設置，這里不詳細敘述。

圖6 MPPT算法實現硬件部分原理框圖

4 智能太陽能控制系統軟件設計與實現

4.1 主程序流程圖（如圖7所示）

4.2 MPPT控制電導增量法軟件設計

最大功率點跟蹤(MPPT)的算法有：恒定電壓控制法CVT、電導增量法(Incremental conductance，簡稱IncCond法)、曲線擬合法(Curve．fitting)、神經網絡(Neural network)、干擾觀測法(Perturbation andobservation，簡稱P&O法)等。本太陽能路燈智能控制系統MPPT算法采用電導增量法完成。

電導增量法是常用的一種MPPT控制方法，是對擾動觀察法的改進。其控制思想與擾動觀察法類似，也是利用dP/dv的方向進行最大功率點跟蹤控制，只是光伏器件工作在最大功率點時控制有所不同。由最大功率點處的光伏器件特性dP/dV，可推導公式：

圖7 主程序流程圖

通過光伏陣列P—U曲線可知最大值PM處的斜率為零，所以有

上式即為要達到最大功率點的條件，即當輸出電導的變化率等于輸出電導的負值時，陣列工作于最大功率點。這種跟蹤方法的優點是當環境條件發生變化時，能夠快速跟蹤其變化，并且陣列電壓擺動較擾動觀察法小；缺點是算法較復雜，硬件的要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統各個部分響應速度都要求比較快，因而整個系統的硬件造價也會比較高，其算法程序流程圖如圖8所示。

圖8 電導增量法的示意圖

4.3 蓄電池充電控制子程序

目前，太陽能路燈系統主要由于蓄電池壽命低而導致整個路燈系統可靠性不高。對蓄電池的充放電進行智能控制，防止過充過放，對蓄電池的保護是非常關鍵的。蓄電池充電控制程序使控制器檢測到蓄電池充電或放電超出一定范圍時，控制器切斷充放電回路，保證電池不被損壞。蓄電池端電壓用U0表示；蓄電池額定充電電壓用UH表示；蓄電池極限放電電壓用UL表示；脈沖占空比用D表示；占空比最大值和最小值分別用DH和DL表示。蓄電池充放電控制流程如圖9所示。

圖9 蓄電池充放電電控制子程序

除此之外，本控制系統還包括AD采樣、數據濾波、定時程序、溫度補償程序等，因為具有一定的通用性，在一般的控制系統里比較常見，因為篇幅有限這里就不一一列舉。

5 結束語

本文介紹的這種基于微控制器ARM的太陽能路燈智能控制系統的設計，是一種切實可行的方案。雖然工程實踐中還沒有大面積的采用，但是通過不斷的努力與實踐，相信這種智能化的方案一定會被廣泛地采納應用，為新能源的應用提供可靠的技術保障。

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