太陽能LED路燈照明系統設計

摘 要：文章針對傳統照明系統布線麻煩、節能效果差等缺點，設計了以STM8S單片機為核心控制器的太陽能LED路燈智能照明系統。該照明控制系統不僅能夠對太陽能蓄電池進行智能充放電控制，而且能夠自動檢測外界光強自適應調整自身燈光亮度，周期性采集光照度、溫度等環境信息，實現時控加光控自動控制功能，工作穩定可靠，充放電效果好，無需人工操作，延長了蓄電池的使用壽命。

關鍵詞：太陽能LED路燈；PWM；STM8S；路燈控制器

引言

隨著環境污染的不斷加重及能源資源的日益稀缺，太陽能作為一種新型可再生能源，因為其資源豐富、清潔環保、受地域限制小等優點，在許多領域已經得到了廣泛的發展和應用，尤其太陽能發電領域業已發展成為成熟的朝陽產業[1]。LED燈具有高效節能、壽命長、環保等優點。因此，文章將太陽能與LED路燈有機地結合在一起，設計了基于STM8S單片機的太陽能LED路燈照明系統，實現了節能環保的照明模式，解決了市場上一些太陽能控制器存在的缺陷。

1 太陽能LED路燈照明系統簡介

1.1 太陽能LED路燈照明系統組成結構

太陽能LED路燈系統主要由太陽電池板、蓄電池、路燈控制器、LED燈具組成[2]。文章主要為太陽能直流供電系統、太陽能直流路燈照明系統設計了一款高性能太陽能控制器。

1.2 太陽能LED路燈照明系統的工作原理

太陽能LED路燈照明系統中，太陽能電池板在太陽光照射下，其內部PN結形成新的電子-空穴對，在一個回路里產生直流電流；這個電流流入控制器，會對蓄電池進行充電。蓄電池白天接受充電，而晚上則會提供能量給LED。LED是通過控制器驅動工作的，控制器在驅動LED恒流工作同時，也會監測LED的狀態以及控制LED工作時間。在蓄電池電能不足的情況下，控制器會發出控制信號啟動外部的市電供電系統，保證LED的正常工作[3]。

2 系統硬件電路方案

太陽能LED路燈照明控制系統電路組成結構如圖1所示。主要電路包括：太陽能電板電壓檢測電路、蓄電池電壓檢測電路、、PWM充電電路、放電和保護電路、溫度檢測電路等。其中，充放電控制、電流、和溫度采樣電路實現的功能為：（1）電池充電模式，以選擇一個不同的狀態；（2）LED照明時間或可選自動定時控制；采樣的太陽能電池的輸出電壓和太陽能電池板的電流；（3）取樣線的開路電壓，該充電狀態的電壓；（4）在樣品上，所述電池的電流值，包括兩個充電和放電狀態。

圖1 系統總體控制電路結構圖

3 系統硬件電路設計

根據系統的功能要求，基于STM8S單片機設計的太陽能控制器電路主要包括充放電主回路、光電檢測電路、電源電路以及各種保護電路等。

3.1 充電電路及控制策略

太陽能電池板電壓經半橋分壓電路R1和R2分壓后，送至STM8S的片上ADC1口實時監測來判別光線的強弱。白天光線充足時，由太陽能電池板給蓄電池充電。控制器根據實時采集的蓄電池端電壓大小，控制器把不斷檢測蓄電池端電壓作為控制充電程度的方法；另外設定轉換點的蓄電池端電壓值，控制充電各階段的自動轉換和停充。

較好的充電策略是智能三階段充電方式（快充、過充和浮充）。

（1）快充階段。相當于電流源的充電電路的輸出端。輸出電流是根據可接受的最大電池電流。在充電過程中，電池的端電壓進行實時檢測，當電池端電壓上升到所述閾值的轉換后，通過充電電路進行充電階段。使用MPPT算法來控制輸出電壓，輸出電流是固定的。

（2）過充階段。充電電路，而被檢測到的充電電流，以提供一個較高電壓的電池。當充電電流下降到閾值轉換器，當電池被完全充電可以被識別，一個充電電路，在下一階段如下-浮充的階段。

（3）浮充階段。當電池充滿電，最好的辦法是保持電源給電池提供準確，具有溫度補償功能的浮充電壓。

3.2 放電電路及控制策略

當放電電路檢測到所述太陽能電池板的電壓低于1V時，打開控制電路，1分鐘后的延遲，由電池供電的負載，使LED燈。剛充滿電的電池電壓較大，一般在22.6～24.6V。作為最好的單個LED燈的負載的驅動電流13～18毫安，3～3.2V的驅動電壓。因此，流過LED的電流約為26.7～31.5毫安，遠高于可接受13～18毫安更大。當電池電壓低于23.5V時，單片機I/O發出一個高電平信號的過放電保護電壓時，晶體管Q2導通時，MOSFET Q2被關斷時，電池不再供應給負載；當電池電壓上升到過放電恢復點24V，然后也通過I/O的低電平信號發出時，晶體管Q2截止，場效應管Q2導通，則電池將繼續向負載供電，當在24.6V的電壓？25.6V變化，然后再次PWM供電負荷。

3.3 供電電路設計

太陽能LED路燈控制器電源由蓄電池提供，由于蓄電池輸出的是直流24V，而控制器上的MCU和運放等其他電子元件需要的是直流5V電源，故需要進行DC/DC變換，本系統采用電壓轉換芯片LM2931AM對蓄電池端電壓實現降壓變換至5V。

4 系統軟件設計

軟件主要是設計來協助完成硬件電路控制器的控制策略，在圖2所示的主程序。采用MPPT算法快充階段可提高輸出功率光伏電池成為可能。把電子節目采用PWM技術來調整負載電流可以在午夜被完全切斷負載，實現半功率點亮負載。

5 結束語

太陽能LED路燈照明系統是太陽能新能源與新生代綠色光源LED的完美結合。文章以意法半導體的STM8S單片機為核心設計的路燈照明控制系統，總體上，實現了三個階段的智能電池充電控制功能，并能有效地防止電池的過充電，同時還實現定時和切斷的半功率點負載，電池電壓小于過放電電壓的負載會切斷，所以電池過度放電保護，延長電池壽命。該系統在能源利用率和工作可靠性方面有一定的實用價值。

參考文獻

[1]王亞南，黃鶴松，劉華東等.基于AVR的智能太陽能路燈控制器的設計[J].技術與產品太陽能，2011（13）：31-41.

[2]趙爭鳴，劉建敏，孫曉瑛等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[3]施鈺川.太陽能原理與技術[M].西安：西安交通大學出版社，2009.

[4]吳正茂，楊瑩，吳勇等.基于STC單片機的太陽能LED路燈控制器設計[J]，南昌工程學院學報，2011，30（6）：19-22.

作者簡介：馬法平（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：模式識別與智能控制系統研究。