太陽能路燈控制硬件電路設計

翟佳潔

摘要：為實現太陽能路燈的智能開關控制、自動充放電、節能調光以及保護蓄電池等功能，設計了電源供電模塊、AD采集模塊、充放電控制模塊、串口通信模塊4個系統模塊，并將系統設計成負系統，以保證系統穩定可靠的工作。

關鍵詞：太陽能路燈；智能開關控制；自動充放電；節能調光；蓄電池保護

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A文章編號：16749944（2014）02026104

1引言

隨著現代科學技術及經濟的迅猛發展，各國對煤、石油、天然氣等不可再生能源的開采也到達了頂峰，隨之而來的能源缺乏、環境污染等問題成為了人類在21世紀面臨的重大問題。因此，人類開始注重開發可再生且污染小的能源，其中太陽能以其應用廣泛、應用領域眾多等受到關注。太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關注。

近年來，太陽能路燈作為技術和藝術相結合的太陽能照明系統，已開始在美國、法國、日本等發達國家很多地區得到廣泛應用，在我國則處于起步階段。在我國，太陽能路燈的研究方向主要是針對地理形勢、氣候形式以及環境特點為基礎的提高光電轉換、優化控制系統、人性化的光控系統等。如今，太陽能路燈的應用已取得了顯著的成效，在我國的很多地區都得到了應用。但目前國內太陽能路燈普遍存在的問題是功率小（光照度相當于100W以下的白熾燈），在遇到連續陰雨時，只能工作5d左右，且在大面積使用時，其啟動的時差高達十多分鐘，從而嚴重影響了陽光電燈的推廣和應用。

因此，在我們大部分的城市路燈仍采用的是市電供應，浪費大量的能源，特別是在能源日益緊張的今天，采用太陽能路燈就顯得十分重要。在太陽能路燈系統中，路燈控制器是整個系統的中控部分，它負責準確地控制電池的充放電，放電電池的開啟和關閉，智能地調節路燈的亮度，所以設計穩定可靠智能的路燈控制器在整個系統中是至關重要的。

本文中太陽能路燈系統主要是通過單片機來完成控制和實現，單片機實現了對太陽能路燈系統的智能控制。太陽能電池板利用光伏效應將光能轉換成電能，電流流經控制器，控制器采用單片機ATmega8來實現電流充放電的控制，通過處理器（ATmega8）發送指令對蓄電池充電且蓄電池給LED供電。

2太陽能路燈設計原理

太陽能路燈的系統設計原理如圖1所示，太陽能電池板在太陽能光的照射下，其內部PN結會形成新的電子空穴對，在一個回路里就能產生直流電流，這個直流電流流入控制器，同時控制器發出指令對蓄電池進行充電，即蓄電池在白天的時候會接受充電，而在晚上則會提供能量給LED；LED的工作是通過控制器進行的，控制器在保證LED恒流工作的同時，也會監測LED的狀態及控制工作時間長短；蓄電池的充電完全只是通過太陽能來實現的，以確保最大限度使用太陽能。

3太陽能路燈硬件電路設計

3.1電源供電模塊

根據設計要求將采集的太陽能轉化為電能后存儲于蓄電池，將蓄電池的電壓經穩壓后輸出穩定的+5V直流電源，所以，需要將寬泛的電壓轉換成12V電壓，再將12V電壓轉換成5V的電壓。

因此，本文選擇LM2596開關電壓調節器，該調節器是降壓型電源管理單片集成電路，具有很好的線性和負載調節特性，且固定輸出5V，繪制電源模塊電路如圖2所示。

3.2AD采集模塊

ATmega8有1個十位的逐次逼近型ADC。ADC與1個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口C的8路單端輸入電壓進行采集，ADC包括1個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

3.3串口通信模塊

由于串口RS232電平是-10V～+10V，MAX232就是用來進行電平轉換的，該器件包括2驅動器、2接收器和1個電壓發生器，該器件每一個接收器將TIA/EIA-232-F電平轉換為5TTL/CMOS電平，每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換為TIA/EIA-232-F電平。

TLP521光電耦合器：TLP521是可控制的光電耦合器件，其廣泛用于電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，增加安全性，減小電路干擾。主要有兩方面的作用：一方面，光電耦合器可以起到隔離兩個系統的地線的作用，使兩個系統的電源相互獨立，消除地電位不同所產生的影響；另一方面，光電耦合器的發光二級管是電流驅動器件，可以形成電流環路的傳送形式，由于電流環路是低阻抗電路，它對噪音的敏感度低，因此提高了通信系統的抗干擾能力（圖3）。

3.4充放電控制模塊

自動充放電，當陽光充足，光伏組件電壓大于蓄電池電壓時，單片機對蓄電池充電；當夜晚來臨并且蓄電池電壓足夠時侯接通放電回路，蓄電池對LED燈供電。

利用單片機來控制太陽能電池板對蓄電池充電以及蓄電池對負載的供電，對蓄電池起到保護作用，防止其過沖和過放，以及內部短路保護。

蓄電池保護（蓄電池為12V）：當蓄電池電壓低（低于10.6V）時，會自動關閉路燈，防止過放，以保護電池。當電池充滿（14.4V）時，會停止其他充電狀態，而進入涓流充電狀態，以防止過沖。

該電路所能實現的是當蓄電池電壓低（低于10.6V）時，Q1導通，對蓄電池進行充電；當蓄電池和太陽能板電壓相等時，Q1不能被導通，因此蓄電池停止充電，實現了所需的防止過沖（圖4）。

3.5繼電器控制燈

ULN2003是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由7個硅NPN復合晶體管組成。該電路有如下特點：ULN2003的每一對達林頓都串連一個2.7kΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。endprint

ULN2003是大電流驅動陣列，可用于單片機、智能儀表等控制電路中，可直接驅動繼電器等負載（圖5）。

3.6充電PWM控制

目前有多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，本文設計采用的是PWM調光技術對LED路燈進行調光的脈沖PWM法。它是把每一脈沖寬度相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制電流的目的，從而可以使PWM調光技術對LED路燈進行調光，可以和各種可調光恒流匹配工作（圖6）。

3.7復位源

3.7.1上電復位

上電復位（POR）脈沖由芯片內部的電源檢測電路產生。當Vcc低于上電復位VPOT時，MCU復位。上電復位電路既用于上電觸發復位啟動，也用于掉電復位啟動。當系統上電時，上電復位POR電路使MCU處于復位狀態，復位狀態的保持時間為：Vcc上升到VPOT的時間+啟動延時時間。當系統電源電壓Vcc下跌，低于VPOT時，無需經過任何延時，MCU立即進入復位狀態。

3.7.2外部復位

在RESET復位引腳上的一個低電平脈沖將產生外部復位，該低電平的寬度至少為TRST。當RESET引腳上的電平由低變高，達到VRST時，再經過設定的啟動延時時間，MCU啟動運行（圖7）。

3.8晶振電路

ATmega8的XTAL1和XTAL2引腳分別是片內振蕩器的反相放大器輸入、輸出端，可在外部連接一個石英晶體或陶瓷振蕩器。熔絲CKOPT用于選擇兩種不同振蕩器的工作方式。當CKOPT被編程時，振蕩器的輸出為一個滿幅的振蕩信號。對于系統能夠適合在高噪聲環境下工作，或需要把XTAL2的時鐘信號作為時鐘輸出驅動時可以采用此種方式。該方式有較寬的工作頻率范圍。當熔絲位CKOPT未被編程時，振蕩器輸出一個較小擺幅的振蕩信號，此時相應減少了功率消耗。但此種方式的工作頻率范圍受限，振蕩器的輸出不能作為外部時鐘驅動使用。

外接的陶瓷振蕩器在CKOPT未編程時，最大工作頻率為8MHz，在CKOPT被編程時，最大工作頻率為16MHz。無論外接使用的是石英晶體還是陶瓷振蕩器，電容C1和C2的值總是相等的。具體電容值的選擇，取決于使用的是石英晶體還是陶瓷振蕩器，以及總的引線電容和環境的電磁噪聲。

在本部分設計中，電容值的選取是由于在許可范圍內，C1，C2值越低越好，C值偏大雖有利于振蕩器的穩定，但將會增加起振時間。而電容C至少要22pF，因此本設計采用22pF。這兩個電容的作用是上電時幫助晶振起振，因為晶振正常工作輸出為正弦波，有時不加電容起動不起來，加電容后，剛一上電給電容充電，電容放點幫助晶振起振（圖8）。

3.9狀態指示

此電路用于顯示電路所處狀態，表示電路處于充放電或過沖過放狀態（圖9）。

4總結

（1）智能性：采集光強實現智能開關燈，通過光敏電阻采集光強，當光強低時，路燈開啟；采集電壓值實現自動充放電，白天或蓄電池電不足時，對蓄電池充電，在夜晚蓄電池電量充足時，對LED供電。

（2）人性化：PWM調制充電并具備蓄電池保護，延長蓄電池壽命。PWM調制放電，PWM控制路燈調光，不同的時間段，占空比不同，達到不同程度的節能，根據實際和需求控制路燈的亮度，達到環保和人性化。與時控路燈相比較，不需要通過時間設置，到達時間才可以開啟，而且可以根據時間來調整燈的亮度。因此，本設計更彰顯出人性化，更適合應用。

（3）穩定性：本設計在串口通信模塊增加了隔離電路，增加了繼電器火花抑制電路，同時充電控制電路為單向流動，具備防反沖功能。

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