基于單片機的太陽能路燈控制器設計

朱荔

（浙江機電職業技術學院，浙江杭州，310053）

0 引言

太陽能路燈具有節能環保、無需鋪設線纜、免維護和高性價比等優點，在城鄉道路照明中得到了廣泛的應用。太陽能路燈由光伏電池、蓄電池、控制器、LED 燈等幾個部分組成。控制器性能好壞決定了太陽能路燈的整體性能。本文以AVR 單片機ATMEGA8 為核心設計了一款智能太陽能路燈控制器，能自動識別并匹配12V 和24V 兩種規格的蓄電池，并根據環境溫度優化充放電管理流程，延長蓄電池使用壽命；LED 路燈可以設置為定時開關、光照強度自適應開關等工作模式。控制器具有蓄電池過放過充、負載短路保護等功能，從而保證太陽能路燈的可靠運行。

1 控制器設計原理

系統結構如圖1 所示，控制器主要由單片機系統（包含人機交互）、充放電控制電路、電壓取樣電路、溫度傳感器和DC/DC 寬電壓范圍穩壓電源組成，完成蓄電池的充電與保護、路燈供電等功能。單片機循環檢測光伏電池電壓，按照一定的規則判斷出白天還是黑夜。在白天的時候，斷開LED 路燈供電回路，且根據蓄電池的電量和環境溫度采取對應的充電方式；在黑夜的時候，開啟LED 路燈供電回路，同時監控蓄電池電壓、環境溫度等參數，防止蓄電池過渡放電。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

■2.1 充電回路

光伏電池的伏安特性一般是非線性的，負載阻抗的匹配特性決定了光伏電池的利用效率。如圖2 所示電路，由光伏電池B1、壓敏電阻RV1、二極管SBD1、MOS 開關管T1、蓄電池B2 等組成并聯充電拓撲結構，可以實現快速、平穩充電。MOS 管T1 由單片機“充電”引腳控制其導通和截止；導通則蓄電池停止充電；截止則電路給蓄電池充電。當蓄電池電壓達到浮充電壓值時，單片機控制MOS 管T1進入PWM 調制狀態，有效保護蓄電池，防止過充。在選擇開關管T1 時，根據光伏電池和負載的功率選擇最大導通電流；根據PWM 調制的頻率選擇開關速度。為提高MOS 管T1 觸發的可靠性，單片機PWM 控制信號經過光電耦合實現電平轉換和模數隔離。壓敏電阻RV1 起到防雷擊浪涌的作用。二極管SBD1 為防反充二極管，防止夜晚或者陰雨天條件下蓄電池向光伏電池反向充電，同時也可防止光伏電池反接對控制器造成損壞。SBD1 選用具有低導通壓降特性的肖特基二極管，能減少發熱、提高系統效率。

圖2 充放電主電路

■2.2 放電回路

如圖2 所示電路，由蓄電池B2、保險絲F1、二極管D2、MOS 管T2 和路燈L1 等組成。當單片機“路燈”控制引腳輸出低電平，光耦U2 導通輸出高電平，觸發MOS 管T2 導通，此時路燈L1 點亮；反之，路燈熄滅。蓄電池在充放電過程中出現過載、過流情況時，保險絲F1 可迅速熔斷，保護電路不被損壞。保險絲F1 與二極管D2 配合還能起到防蓄電池反接保護的作用。

■2.3 電壓取樣電路

如圖2 所示電路，光伏電池電壓由電阻R1、R7 串聯分壓，經C1 濾波、D3 過壓保護，輸入單片機A/D 轉換電路，計算太陽光線強弱，作為白天和晚上的標志信號。同樣的過程，蓄電池電壓由R2、R8、C2、D4 取樣后，由單片機識別后對蓄電池進行充放電管理。

■2.4 單片機控制電路

單片機電路是太陽能路燈控制器實現智能控制的核心，電路如圖3 所示。單片機選用AVR 系列ATMEGA8 低功耗單片機，內含RC 時鐘電路、BOD 上電復位電路，只需連接電源引腳即可構成最小系統；內部有硬件PWM 模塊，讓蓄電池充電控制程序編寫更簡單。單片機芯片內部的EEPROM 數據掉電存儲單元，讓用戶數據保存更方便；內部有6 通道10 位A/D 轉換器，可以方便讀取電池電壓，及時獲取充放電狀態。

圖3 單片機控制電路

四個LED 數碼管動態掃描顯示與兩個輕觸按鍵共同組成了系統的人機交互電路，信息讀取直觀方便。可以巡回顯示光伏電池電壓、蓄電池電壓、控制器工作狀態，也可以菜單式修改控制器各項參數。為了減少蓄電池電能消耗，在無按鍵操作20 秒后，數碼管進入休眠熄滅狀態；有按鍵操作后再次點亮顯示。

鉛酸蓄電池的過充電壓、過放電壓均隨溫度的變化而變化。在實際應用中不能使用固定電壓值來判斷蓄電池工作狀態，必須采取溫度補償措施對蓄電池進行保護。圖3 中，精密電阻R15 與NTC 熱敏電阻R16 組成測溫電路，將溫度的變化轉換成電壓的變化，單片機通過A/D采樣獲取電壓值，得到對應的環境溫度參數，對蓄電池的過充、過放點電壓值進行校正和補償，從而保護蓄電池。

■2.5 穩壓電源

基于單片機的太陽能路燈控制器的工作電源是蓄電池直接供電。考慮到控制器自適應12V/24V 蓄電池，本文設計了由DC/DC 芯片LM2596 組成的寬電壓穩壓電路，得到穩定、純凈的+5V 直流電源；克服了普通三端線性穩壓電源效率不高、發熱量大的缺點。電路如圖4 所示。在實際制作時，電容C1、C2盡量靠近芯片引腳，以防電路產生振蕩。

圖4 DC/DC 穩壓電源原理圖

3 軟件設計

軟件是智能太陽能路燈控制器的靈魂，其設計在一定程度上決定了整個系統的可靠性和光伏電量使用效率。軟件設計以AVR-GCC 開源編譯器的Windows 集成開發環境WinAVR 為平臺，用C 語言編寫。控制器的程序主要包括主程序、A/D 轉換程序、鍵盤掃描程序、數碼管動態掃描程序、定時中斷程序、EEPROM 讀寫程序和充放電管理程序等。主程序流程圖如圖5 所示，單片機啟動后通過電壓識別蓄電池12V/24V 規格，從EEPROM存儲區載入對應工作參數，循環檢測太陽能電池輸出電壓，相應進入白天、夜晚工作模式。在白天、夜晚模式識別時，要考慮環境光線的影響；本設計中主要是采取軟件延時和電壓回差法等數字濾波技術來濾除干擾。白天工作模式時，循環檢測蓄電池電壓、環境溫度等參數，選擇合適占空比的PWM 脈沖信號，實現蓄電池不同幅值的恒壓充電及各保護點對應的控制動作。同樣，夜晚工作模式時，循環檢測蓄電池電壓、環境溫度等參數，在蓄電池不過放的情況下，點亮LED 路燈。

圖5 主程序流程圖

4 結束語

本文以單片機ATMEGA8 為核心設計的太陽能路燈控制器能根據環境溫度和光照強度優化充放電管理流程，延長蓄電池使用壽命，自動適應季節變換，發熱量小、效率高、成本低。所設計的控制器已經成功投產并應用于實際，工作性能穩定、可靠，有很好的市場推廣價值和技術借鑒價值。