一種低成本的風光互補路燈控制系統

朱成銀，閻昌國，席 豪，汪家晗，張鑫豹

（遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006）

近年來，隨著工業技術與經濟技術的快速發展，以煤、石油為主的傳統化石能源不僅無法滿足人類發展對能源需求，而且還會造成嚴重的環境污染。面對能源短缺與環境污染的雙重危機，人類從此掀起了對新能源開發與利用的熱潮[1-2]。在眾多的新能源中，風能和太陽能由于其具有清潔無污染、取之不盡、用之不竭的優點，得到了眾多科學家的重視[3]。然而，單一風力發電易受季節因素的影響，呈現出較高的隨機性；單一太陽能發電同樣易受時間因素的影響，其僅能在白晝時可用。如果在時間上將風力發電與太陽能發電融合在一起來，則可以實現互補，進一步提高系統供電的可靠性，于是，風光互補發電系統就應運而生了[4-5]。風光互補路燈作為風光互補發電系統的一個重要應用，與傳統的照明路燈相比，它開辟了“節能、降耗、減排”的新天地[6]。通常情況下，偏遠的農村地區往往具備豐富的太陽能和風能[7]，為充分利用這一優勢，解決偏遠農村地區夜間出行難、鋪設電網成本高的問題，本文提出了一個以單片機為核心風光互補路燈控制系統制作方案，可準確地通過光敏元件檢測外部光照條件的變化對路燈的開啟或關閉狀態作相應的自動控制，進而實現風光互補一體供電。文中給出了該方案的總體架構，詳細闡述了部分主要電路的工作原理，最后通過搭建一個實驗系統證實了該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統架構

風光互補路燈是一個機電一體化程度相對較高的裝置，其控制系統的設計對裝置整體性能的影響起著十分重要的作用[8]。如圖1 所示給出了所提制作方案的控制系統總體架構原理框圖，它由風力發電機、太陽能電池板、蓄電池、控制器、路燈、光照檢測模塊及可擴展區域等幾部分組成。其中，控制器為整個方案的核心，選用了一款具有體積小、成本低、控制簡單等優點的單片機STC89C52，它依據光照檢測模塊來識別白天和黑夜，通過控制完成在白天時關閉路燈實現節能，在黑夜時將風光互補發電存儲在蓄電池中的能量輸送給路燈實現照明。此外，受此次新冠肺炎疫情防控工作的啟示，該方案留有可擴展區域（圖中虛線框部分），用戶可根據需要在該區域外接文字顯示模塊或語音播報模塊，通過集中控制，可以在偏遠農村村委會與村民之間實現“零距離，多點位”地宣傳疫情防護知識，以減少因村民居住分散而造成在疫情防控工作中增加額外的人力成本。

圖1 總體架構框圖

2 主要電路設計

2.1 風光發電電路設計

方案選用了9 V 的多晶硅太陽能電池板與5 V 的微型風力發電機作為發電材料，其電路如圖2 所示，圖中LM7805 為常見的三端穩壓集成電路芯片。該部分電路的工作原理：一方面將太陽能電池板輸出的脈動直流電壓通過穩壓濾波以獲得較為穩定的5 V 直流電壓；另一方面將風力發電機輸出的交流電壓通過二極管整流濾波并與太陽能發電的輸出相接，以實現風光互補供電。

圖2 風光發電電路

2.2 電池充電電路

方案選用了日本SONY 公司的18650 鋰電池，具有重量輕、容量大、成本低等優點，其充電電路如圖3 所示，圖中TP4056 為鋰電池充電管理芯片。該部分電路的工作原理：風光發電電路的輸出通過RC 濾波后給TP4056 芯片供電，芯片依據內部功率晶體管對電池進行恒壓和恒流充電，充電時，LED1 亮，充滿時，LED2 亮。

圖3 電池充電電路

2.3 升壓電路

由于單片機所需供電電壓為5 V，而電池的輸出電壓輸出在3.7 V～4.2 V，為解決電平之間的不平衡，方案選用了HX3001 芯片來實現升壓，該芯片是一款帶恒定頻率PWM 控制的高效輸出DC-DC 變換器，其電路如圖4 所示。該部分電路的工作原理：電池輸出電壓給HX3001 芯片供電，芯片通過內部機理實現升壓，其輸出電壓作為風光互補路燈系統控制器及其他附屬芯片的參考電壓VCC，它的大小可由1.212 V（1+R上/R下）計算獲得。

圖4 升壓電路

2.4 光照檢測電路設計

方案選用了高靈敏度的光敏電阻傳感器對周圍環境的光照亮度或強度進行監測，其檢測電路如圖5 所示。該部分電路的工作原理：當檢測到的光照亮度或強度低于比較器LM393 設置的閾值時（通過調節電位器來實現），單片機P1.1 口獲得高電平，控制器觸發打開路燈照明中斷程序；當檢測到的光照亮度或強度高于比較器LM393 設置的閾值時，單片機P1.1 口獲得低電平，觸發對應中斷程序，執行關閉路燈動作。

圖5 光照檢測電路

2.5 路燈照明電路設計

方案選用了4 個高亮LED 燈來模擬路燈照明，其電路如圖6 所示。該部分電路的工作原理：當單片機P1.0口輸出為低電平時，三極管導通，高亮LED 燈全亮，實現照明；當單片機P1.0 口輸出為高電平時，三極管截止，高亮LED 燈全滅。

圖6 路燈照明電路設計

3 實驗結果

為了驗證方案的正確性與可行性，搭建了一個簡易的實驗系統裝置，如圖7 所示。實驗時，采用了萬用表對某晴天電池兩端電壓變化情況進行監測，設置間隔測量時間為1 h，測試結果如圖8 所示。由圖可知，電壓始終保持在3.7 V 至4.2 V 之間，且在8：00 至15：00，受光照強度（風速變化具有不穩定性）的增強，電池兩端電壓也隨之上升；而在15：00 至18：00，由于光照強度慢慢減弱，電池兩端電壓也在隨之下降。說明風光互補供電電路能隨著周圍環境光照與風速的變化對蓄電池進行充電。

圖7 實驗系統裝置

圖8 電池電壓的變化曲線

圖9 為模擬晝夜實驗時測得的波形。可以看出單片機P1.0 口與P1.1 口的電壓波形呈現互補狀態，即是在白天光強時，單片機P1.1 口輸出為低電平，單片機通過觸發對應中斷程序，使P1.0 口輸出為高電平，實現關閉路燈動作；在夜晚光弱時，單片機P1.1 口輸出為高電平，單片機通過觸發對應中斷程序，使P1.0 口輸出為低電平，實現打開路燈動作，實現照明。

圖9 實驗測試波形

4 結論

本文以單片機為核心控制器，提出了一個低成本的風光互補路燈控制系統設計方案。該方案集太陽能、風能于一體，兼顧了自動化與智能化，能根據周圍環境的光照條件實現自動開關燈，成本低，擴展性好，有較好的應用價值，可為風光互補路燈系統的開發與設計提供技術理論指導。