太陽能路燈控制系統設計

林 靜，葉冠坤

（茂名職業技術學院機電信息系，廣東茂名，525000 ）

太陽能路燈控制系統設計

林 靜，葉冠坤

（茂名職業技術學院機電信息系，廣東茂名，525000 ）

太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，是最理想的可再生能源。中國已將新能源產業上升為國家戰略產業，未來十年擬加大包括太陽能在內的新能源產業投資，以減少經濟對石化能源依賴和降低碳排放。以STC12C5410AD單片機為控制核心，利用太陽能極板的光生伏特效應，將太陽的輻射能轉化為電能儲存到蓄電池，采用PWM脈寬調制控制技術，設計定時計時電路，滿足用戶對蓄電池放電時間的設置；設計過載檢測電路和溫度補償電路，提高系統的穩定性。系統具備優良的性能，有較好的應用價值，且該控制系統不僅僅適用于路燈，甚至可用于遠郊交通設施、氣象臺站等領域，具有巨大的市場需求和良好的轉化前景。

太陽能；單片機；控制系統；PWM

0 引言

能源是經濟、社會發展和提高人民生活水平的重要物質基礎，能源問題是一個國家至關重要的問題。隨著科學技術和全球經濟飛速發展，對能源的需求也日趨增長。而化石燃料儲量有限，且化石能源開發利用對生態環境的污染破壞及大量二氧化碳的排放引起溫室效應，使全球氣候變暖，自然災害頻繁。常規能源在給人類社會帶來飛速發展的同時，也在很大程度上使人類社會面臨著前所未有的困難和挑戰[1]。

太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，是最理想的可再生能源；路燈給人們的生活帶來了很多便利，但同時也消耗了大量的電能，研究太陽能路燈控制系統，開發出太陽能路燈系統，節約能源，降低路燈系統運行成本具有重要的研究意義。太陽能路燈控制系統由太陽能板、蓄電池、充放電控制板、LED燈組構成，其中太陽能充放電控制器是協調和控制整個系統工作的核心，系統設計的核心主要圍繞太陽能充放電控制器的設計實現。目前市場上的充放電控制器大多并沒有完善的蓄電池充電策略，充電模式選擇單一導致太陽能路燈控制系統穩定性相對較低，對蓄電池的保護不夠，影響了蓄電池和LED負載的使用壽命。并且沒有滿足用戶體驗的定時充放電功能結構，對太陽能利用率不高[2]。且在放電控制上沒有時刻檢測蓄電池電壓，容易導致蓄電池過放甚至深度放電，因此在已有的基礎上研發一個具備完善的保護功能和充電策略優良、高效可靠、滿足用戶需求的太陽能路燈控制系統更符合市場需求。

1 系統的總體方案設計

本文針對鉛酸蓄電池充電的特殊要求提出了一種基于STC12C5410AD單片機PWM脈寬調制的太陽能路燈控制系統的設計方案，其中核心部分是充放電控制器，輔助電路包括太陽能極板、儲能蓄電池、燈具負載，實現照明用電太陽能化的獨立光伏運行系統，不僅實現了“綠色照明”，且提供USB接口免費提供應急充電，總體框圖如圖1所示；利用太陽能極板的光生伏特效應把太能的輻射能轉化成電能儲存到蓄電池，采用PWM 脈沖調制控制保護技術根據蓄電池電壓的不同制定了對蓄電池直充、均充、浮充的充電策略，優化蓄電池充電方法并巧妙地采用相應電路檢測太陽能極板和蓄電池的電壓、軟件補償用于檢測的小電阻的溫度效應，降低了成本；并提出設計負載檢測電路保護電路避免過載以及過放檢測電路，由單片機根據采集到的電壓參數，發出各種控制信號，實現充放電控制，使太陽能路燈控制系統能穩定有效地運行。并可自行設置定時充放電功能，完善控制系統的功能。

圖1 總系統設計框圖

1.1 MCU（單片機）的選型

MCU是整個系統工作的大腦，相當于人體的大腦，因為單片機之間也有巨大差異，選擇一款好的單片機非常關鍵了。本設計中，我們選用STC公司設計的STC12C5410AD作為 CPU。STC12C5410AD是STC公司的一款16位5V低功耗而且速度快的單片機，RAM是512 B， I/O Input端口的最大漏電流達到20mA。最快運行速度可以達200kHz，指令執行速率非常快。STC12C5410AD有23個IO口，內部集成有 10 位10 K精度 A/D的轉換器，有2路16位定時器和4路PWM輸出[3]。

1.2 系統電路

以STC12C5410AD 為核心，本文設計的主要電路了有：主控電路及輔助電路、電源穩壓電路、充電電路、放電電路、蓄電池電壓檢測電路、太陽能板極電壓檢測電路、按鍵與顯示電路等。

充電電路設計通過MOS功率通斷時間PWM的占空比，實現給蓄 電池的三個階段不同充電速度的充電。單片機STC12C5410AD控制著太陽能路燈控制器的各個模塊。單片機通過ADC端口采樣蓄電池端極電壓，判斷有沒有達到充電條件，并根據電壓大小跳轉進入充電模式，由于充電環境的不確定性，充電過程中實時檢測太陽能極板與蓄電池的端電壓大小，同時進行采樣充電電路電流，用以保證蓄電池得到穩定的充電而不影響蓄電池的使用壽命[4]。

在放電電路中，一般的控制器采用直接放電，這樣容易使蓄電池過放而無法逆轉，多次過放后蓄電池幾近報廢，本文設計電壓電流采樣電路，采樣數據反饋回STC12C5410AD中的軟件控制算法，程序中有過壓過流保護程序，單片機輸出信號直接控制電壓驅動電路工作，進而通過驅動模塊間接控制MOS功率管開通或關斷。其中包含有負載保護電路，保護有分過載和短路保護，保護電路根據檢測放電電流的大小，系統判斷是否切斷電源停止放電的一種保護。

2 系統控制方案設計

系統設計分為硬件和軟件兩大部分。其中硬件部分主要由STC12C5410單片機、PWM控制電路、電壓檢測電路、工作狀態指示燈、太陽能極板、蓄電池、負載燈具等模塊構成。系統硬件結構如圖2所示。該系統利用太陽能極板將太陽能轉化為電能，采用鉛酸電池作為整個系統的儲能設備，以單片機STC12C5410AD為控制核心，采用 PWM脈寬調制控制技術，實現對蓄電池的最優充電控制。通過按鍵設置蓄電池的放電時間，當沒達到放電時間時，單片機若檢測到太陽能板的電壓高于一定值且蓄電池沒有滿電時，則太陽能充電指示燈紅燈亮，同時打開充電開關給蓄電池充電；單片機通過檢測蓄電池的電壓，根據不同狀態采用不同的充電模式，當蓄電池充滿電時則指示燈黃燈亮。這樣，白天太陽光照射在太陽能電池板上，通過太陽能電池板的內部轉化，將太陽能轉化成電能儲存在蓄電池中；當達到放電時間時，若單片機檢測蓄電池電壓滿足放電條件，則太陽能放電指示燈綠燈亮并打開放電開關，蓄電池放電，同時單片機時刻檢測蓄電池電壓，當蓄電池電壓低于一定值時，則關閉放電開關，防止蓄電池過放。

圖2 硬件系統結構設計框圖

圖3 軟件設計流程圖

3 結束語

通過以STC12C5410AD單片機為控制核心，利用太陽能極板的光生伏特效應，將太陽的輻射能轉化為電能儲存到蓄電池，采用PWM脈寬調制控制技術，即通過單片機輸出的PWM來控制開關MOS管的通斷，實現太陽能極板對蓄電池充電的控制，并可根據蓄電池電壓的不同改變PWM占空比進而改變充電策略，充分保護蓄電池并提高充電效率，延長蓄電池使用壽命；同時也設計了放電檢測電路，改善了蓄電池放電控制性能，防止蓄電池過放而影響使用壽命；并設計了定時計時電路，滿足用戶對蓄電池放電時間的設置；以及設計了過載檢測電路和溫度補償電路，提高系統的穩定性。該太陽能充放電控制系統具備優良的性能，有較好的應用價值，且該控制系統不僅僅適用于路燈，甚至可用于遠郊交通設施、氣象臺站等領域，具有巨大的市場需求和良好的轉化前景。

[1]李向春,鞏玉璽,高皜,等.基于單片機的大功率LED光強調制系統設計[J].自動化技術與應用,2017, 36(1):32-34.[2]劉宗靄.淺談單片機在溫度監控領域的應用[J].中國新通信,2013(2):70-70.

[3]楊楨,李鑫,汪玉鳳,等.智能型太陽能路燈控制器的研究[J].計算機測量與控制,2012, 20(3):157-159.

[4]汪海燕.基于單片機的自動控制系統[J].自動化技術與應用,2006, 25(5):71-73.

Design of Solar Street Lamp Control System

Lin Jing ，Ye Guankun
(Maoming Vocational and Technical College,Maoming Guangdong,525000)

Solar energy is a new green renewable energy source, Compared with other new energy sources,it is the most ideal renewable energy source China has raised the new energy industry into a national strategic industry, The next ten years, plans to increase investment in new energy industries, including solar energy, To reduce economic dependence on fossil energy and reduce carbon emissions STC12C5410AD microcontroller as the control core, Photovoltaic effect of solar plate, The radiation energy of the sun is converted into electrical energy and stored in a storage battery, PWM pulse width modulation control technology is adopted to design the timing and timing circuit to meet the user's setting time of the battery discharge time; The overload detection circuit and temperature compensation circuit are designed to improve the stability of the system The system has excellent performance, has good application value,and the control system is not only suitable for the lights, and even can be used in the field of suburban traffic facilities, meteorological stations, has a huge market demand and good prospects of transformation

solar energy; SCM; Control system; PWM