基于嵌入式太陽能LED照明驅動系統設計與實現

胡 慶，張 康，卓必新，唐子錢

(成都大學電子信息工程學院，四川 成都 610106)

基于嵌入式太陽能LED照明驅動系統設計與實現

胡 慶，張 康，卓必新，唐子錢

(成都大學電子信息工程學院，四川 成都 610106)

從高效利用綠色能源的角度出發，設計了一款新型的基于嵌入式技術的太陽能LED照明驅動系統.系統采用太陽能電池發電并對其進行實時檢測，利用PWM對升降壓DC/DC轉換器進行控制以實現最大功率點跟蹤充電控制和蓄電池的智能管理，利用LED照明以提高能源利用率.系統工作可靠性，具有實用性及環保性.

太陽能;最大功率點跟蹤;嵌入式;LED照明;智能控制

0 引言

太陽能是目前備受關注的綠色能源之一，其中，應用最廣泛的是光伏電池發電，但光伏電池易受外界多種條件及自身因素的影響，其輸出特性具有明顯的非線性［1－5］.從高效利用綠色能源的角度出發，本研究設計了一種新型的基于嵌入式技術的太陽能LED照明驅動系統，提高了光伏發電系統的整體效率，獲得了最大的功率輸出.該系統高效、穩定、環保、實用，可廣泛應用于各類嵌入式設備電源的設計中.

1 系統總體結構設計

本研究設計的基于嵌入式太陽能LED照明驅動系統包括控制器模塊、太陽能電池組、DC/DC轉換器及最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)充電控制、儲存電能的蓄電池組、LED照明PWM控制驅動、LED光源以及終端管理平臺等部分，系統組成如圖1所示.

圖1 系統總體結構設計圖

系統工作原理是:在有太陽光的時間段，太陽能電池組將采集到的太陽能轉化為電能，在嵌入式控制芯片的控制下，利用升壓降壓雙模式拓撲電路結構，采用MPPT方式在智能充電管理芯片的協助下將電能儲存到蓄電池組中.在LED照明系統需要電能供電時，采用PWM控制驅動方式，向LED光源提供安全高效的電壓、電流，使其安全、穩定、高效、可靠地工作.系統對LED光源亮度采用2種模式進行調節:模式一，系統根據外界環境光線的強弱進行智能調光;模式二，人為自行調光.此外，在系統的終端管理平臺和人機交互界面上還可以對該系統的溫度、電壓、電流進行實時監測，便于系統日常的檢測和維護.

2 系統軟硬件設計

系統的軟硬件設計包括最大功率點跟蹤、電流電壓檢測、溫度檢測、光線檢測、蓄電池和LED照明的智能管理及人機交互界面及終端管理平臺，其中關鍵在于最大功率點跟蹤.

2.1 最大功率點跟蹤

最大功率點跟蹤設計以PWM作為控制參數，采用變化步長的方式，即自適應擾動觀察法［3］對最大功率點進行跟蹤.在距最大功率點較遠時，選擇較大的步長，便于以較快的速度接近系統最佳工作狀態;在距最大功率點較近時，選擇較小的步長，在接近系統最佳工作狀態的同時減小或避免系統過分的擺動.其功率—占空比(P－D)關系如圖2所示.

圖2 P－D關系示意圖

由圖2可知，功率占空比導數的絕對值|dP/dD|在接近最大功率點時逐漸變小.為此，本研究采用下式構造實時步長，

式中:K+1為占空比D的調整步長(0＜k＜1);dP=P(K)－P(K－1)，代表功率變化的幅度;kp為比例因子.由式1可以看出，當功率變化較小時，步長K+1也較小，可以保證輸出功率的平滑性;當功率變化較大時，步長k+1也較大，能夠快速跟蹤最大功率點，使系統具有一定的自適應能力.比例因子kp代表系統靈敏度的大小，越大系統反應越靈敏.

據此，可得到自適應擾動觀察法程序流程如圖3所示.

圖3 自適應擾動觀察法的設計流程圖

首先，利用U和I的值計算出當前時刻輸出功率P(K)，得到dP=P(K)－P(K－1).CMP為系統設定的門限值，決定控制器的控制精度.當|dP|＜CMP時，可認為系統工作在最大功率附近，此時不需要調整占空比D;當|dP|＞CMP時，說明當前工作點離最大功率點較遠，需要計算出新的步長，以調節占空比D.接下來要判斷dP的符號，若為正，則繼續原方向變化;若為負，應朝相反方向變化.變量flag為步長的符號位，決定占空比D的變化方向，取1和－1.

2.2 管理平臺

為對該系統有一個良好的調試和管理，本研究設計了液晶屏調試平臺和手機終端管理平臺，在系統板上進行調試的同時也可以通過藍牙設備將系統的各個參數進行回傳并顯示在終端管理平臺上，參數包括太陽能電池輸出電壓、充電回路電流、太陽能電池輸出的功率、系統各個組件的溫度、蓄電池電量、充放電狀態等.該平臺可以對系統進行有效地控制，如系統發生異常(溫度)時發出報警并停止工作、對LED光源進行人工調節亮度、停止充電等控制，建立起一個人性化的人機交互界面.液晶屏調試平臺和終端管理平臺如圖4所示.

圖4 液晶屏調試平臺和終端管理平臺

3 實驗

在完成以上設計并能夠通過管理平臺觀察各個參數和控制LED的亮度及系統的其他功能的實現后，再使用開路電壓為21.5 V、短路電流為0.57 A、最大功率為10 W太陽能電池板進行實驗.在不同的時間段輸出電壓相同的情況下通過調試平臺觀察有MPPT和無MPPT 2種情況下各自的充電回路電流，并進行功率比較實驗，其數據如圖5所示.

圖5 有MPPT和無MPPT各自的充電回路電流實驗數據

從圖5中，很容易觀察到通過MPPT對光伏發電系統效率的提高.

4 結論

本研究采用嵌入式芯片控制的太陽能LED照明驅動系統，電路結構簡單、可靠性好、效率高，且具有針對蓄電池過充、過放、輸出過流等異常情況的多種保護作用，并實現了太陽能電池板的最大功率點跟蹤.本系統能夠對各個模塊的狀態進行實時監測，LED光源既能夠根據外界環境進行智能調節亮度，也可以根據需要進行人工調光.此外，系統還擴展設計了5 V的USB電源接口，可方便地移植到其他設備中，具有一定的推廣價值.

［1］歐陽名三，余世杰，沈玉木梁.一種太陽能電池MPPT控制器實現及測試方法的研究［J］.電子測量與儀器學報，2004，18(2):30 －34.

［2］王健，劉廷章，楊曉.基于太陽能驅動的 LED照明系統［J］.自動化儀表.2008，52(12):5 －10.

［3］路曉，秦立軍.自適應擾動觀察法在光伏MPPT中的應用與仿真［J］.現代電力，2011，28(2):80 －84.

［4］王宜懷，吳瑾，蔣銀珍.嵌入式系統原理與實踐—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［5］王銳，周澤坤，張波.用于PWM控制DC-DC變換器的電流檢測電路［J］.電子與封裝，2006，6(7):28 －31.

Design and Implementation of Solar LED Lighting Driver System Based on Embedded Technique

HU Qing，ZHANG Kang，ZHUO Bixin，TANG Ziqian
(School of Electronic and Information Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

A new solar LED lighting driver system based on embedded technique is designed for efficient use of green power.It generates electricity by solar cells which are detected real-timely.Boost-Buck DC/DC converter is controlled by the PWM to realize the control of the maximum power point tracking(MPPT)charge and the intelligent management to the batteries.LED is adopted to improve the energy efficiency，working reliability，practicality and environment protection.

solar power;MPPT;embedded;LED-lighting;intelligent control

TM914.4

A

1004－5422(2014)01－0049－03

2013－11－13.

四川省教育廳科技應用基金(11ZB278)資助項目.

胡 慶(1977—)，女，碩士，副教授，從事通信電路與物聯網技術研究.