基于單片機的太陽能路燈控制系統設計

鄧智文

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的太陽能路燈控制系統設計

鄧智文

遼寧錦州渤海大學工學院

本文主要介紹的是基于單片機的太陽能路燈控制系統的設計，路燈的狀態控制是根據自動檢測環境光照強度實現的。實現的目的主要包括了使得太陽能電池板的效率實現最大化，同時還可以設置LED的工作顯示時間。

太陽能 LED 單片機

1 引言

隨著社會信息技術的不斷的突破與進步，人們追求節環保的意識逐漸的增強，可再生新能源越來越引起了人們的高度重視。目前市場上被認為是最具有環保功能的燈是LED路燈，LED路燈的優點是使用的壽命長，有著豐富的色彩，安全性能高。同時太陽能-LED路燈的優點是結合了LED的基礎實現的，綠色照明的實現是結合了能源的清潔特性和LED的高效率達到目的的。

現今，現實的生活中通常使用的路燈選擇的結構是高壓鈉燈，在高壓鈉燈里面的電子驅動中所要做的是進行電流的轉變，這個轉變的過程是將交流向直流，接著轉變成交流，最終造成了系統的執行效率過于低的結果。同時因為用到的是市電，因此在電力的建設方面所用到的管線比較繁瑣。太陽能-LED路燈能夠解決上面提出的一些難點，因為從太陽能電池板中得到的結果電流是直流，同時作為直流驅動光源中的一種，太陽能-LED路燈實現綠化節能中是結合太陽能以及LED路燈的優點，從而大大地提高了系統的整體效率，使得市政府所投入的成本大大地減少了。

2 設計原理

通過太陽能-LED路燈系統的原理圖能夠知道，當太陽能電池板經過太陽光一定的光照之后，太陽能電池板里面的PN結就會產生新型的電子空穴對，從而直流電流就會在一個回路里面形成?？刂破髦芯蜁尤脒@個新的電流，而且控制器也可以有新的指令生成，當充電蓄電池的時候。也就是當白天的時候，蓄電池可以成功充電，同時當晚上的時候，LED就會接收到能量。通過控制器完成LED的進程，當電流是恒流的時候，控制器就會對LED的狀態進行監測。同時還會對LED的工作時間進行控制。當天氣是陰天的時候，或者是蓄電池需要充電的時候，控制信號就會產生，從而啟動外部的供電系統，最終確保LED可以成功的運行。外部的供電系統是后備能源中的一種，當蓄電池中出現了需要充電的時候，需要對電池板進行充電，而這個充電的過程是由太陽能完成的，從而將太陽能實現最大化。太陽能-LED路燈系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 太陽能-LED路燈系統總體結構圖

從圖1中可以發現，太陽能電池板加入之后必須要用到直流變換器，也就是所謂的蓄電池充電電路，這個變換器在輸出的整個過程中必須先要經過保險絲，從而連接蓄電池的兩邊。此時的元件中作用主要有2點組成，一方面是避免輸出的太陽能電池低，從而形成反充電流的現象；另一方面是如果太陽能電池板的極性出現反接的時候，電路就可以被保護。直流/直流變換器中的結構I選擇的是降壓拓撲，而且選擇拓撲結構的時候需要想到來自太陽能電池板中的功率最大值，以及蓄電池的電壓最大值，此外還需要考慮到成本以及效率的因素。增加直流/交流變換器在LED與蓄電池中間之間，這個就是所謂的LED驅動電路，在LED電路中的控制方式用到的是恒流。

圖2 系統總電路圖

3 控制器主要功能

控制器中的功能實現了蓄電池的充電和LED供電。當電路在設計的時候是12V蓄電池為對象，該蓄電池的浮充充電是13.6V，放電電壓設置成12V。蓄電池的充電模式如表l所示。

表1 蓄電池充電模式

從表l中能夠得出充電模式，其中的實現最大功率點跟蹤算法存在多種，本文設計的電路所采用的方法是比較簡單的。關于該控制方法的具體思想是根據充電電路開關信號的占空比的增大以及減少來實現的，接著可以得出所輸出功率的值是增大還是減小，最終進一步對占空比進行設置。因為太陽能板中值的變化比較慢，因此這種方法可以起到很好的效果。

4 系統硬件設計

本文選擇的單片機型號是STC12C5A16S2，該單片機是新型的，其中的組成成分有CPU、數據出出氣，看門狗以及I/O接口等。根據單片機里面中的AD采集鋰電池中的電壓數據，單片機P1.0就會接收到所采集到的相關，接著進行了通過AD轉換計算。系統的總電路如圖2所示。

4.1 負載輸出控制電路設計

在負載控制的電路中組成部分包括了絕緣柵雙極晶體管以及光電耦合器等。其中的絕緣柵雙極晶體管可以縮寫成IGBT，IGBT中的優點主要是集合了雙極型功率晶體管，該IGBT具有速度快、輸入阻抗高以及熱穩定性能好等優點，而且驅動電路的設計比較簡單，此外通態的電壓比較低而且耐壓性能也比較高。負載輸出控制電路如圖3所示。

圖3 負載輸出控制電路

5 系統軟件程序設計

在電路設計過程中用到的拓撲結構是反激式。設計反激式拓撲通常用到的升壓以及降壓電路是比較復雜的，當系統的效率需要提高的時候，能夠根據蓄電池電壓的優化以及LED電壓的關系從而達到電壓升高和電壓降低的目的，效率提高的時候還需要考慮到成本的降低。本文設計的控制系統的實現是基于單片機，單片機的作用具體的總結如下：首先是選用最大功率點跟蹤算法從而對太陽能電池板的相關工作實現優化；另外一方面按照不同狀態的的蓄電情況，選擇合理的的充電方式；最后確保LED的驅動電路中可以輸出恒流；對白天和黑夜進行判斷，同時進一步切換出蓄電池充電、放電的模式等。本文的軟件設計包括了主程序、鍵盤程序、采樣程序以及顯示程序等。

5.1 白天充電子程序

采樣蓄電池中的電壓值，由選擇合適的充電策略，進一步有效且科學的用蓄電池，單片機在蓄電池的使用壽命中起到了很大的意義。本文的控制器中的充電電路中選擇的是充電方法是快充、過充以及浮充等。

5.1.1 快充階段

輸出充電電路在一定的程度是指的就是電流源。輸出電流源的電路是按照蓄電池目前的充電狀態實現的。在充電的時候，實現蓄電池端中的電壓被檢測。然而當蓄電池端中的電壓達到了電壓的權限值份時候。從而充電電路就會向過充進行轉變。

5.1.2 過充階段

這個過程指的是將高電壓增加到充電電路中，然而當充電電壓達到了一個最大值的時候，此時可以當成是蓄電池的電量不需要再繼續充電了。也就意味著充電電路此時的階段是浮充。白天充電子程序如圖4所示。

圖4 白天充電子程序

結束語：隨著可用資源的不斷減少，以及溫室效應的現象逐漸惡化，這些問題的存在使得開發新型的能源已經迫在眉睫。開發新型的太陽能這對于環保問題的解決有著很大的意義，由于太陽能資源的豐富，從而太陽能在開發可再生能源中具有豐富的價值。本系統中的硬件設計部分主要包括了負載輸出控制電路設計。

[1]陳曉東, 張強朝, 姜冰清. 基于LPC935單片機的智能太陽能路燈控制系統的設計[J]. 網絡新媒體技術, 2011, 32(2):66-69

[2]張銀蒲. 基于ZigBee技術的太陽能路燈控制系統設計[J].儀器儀表與分析監測, 2015(3):18-20

[3]王小龍. 基于ATmega128L微處理器太陽能路燈控制系統的設計[J]. 信息技術與信息化, 2015(6):225-226

[4]于海成. 基于ARM的太陽能路燈控制系統的設計與實現[C]// 太陽能光伏照明技術與應用研討會. 2011:48-50