基于单片机的太阳能路灯控制系统设计

GXF360 2017-05-30

展开全文

基于单片机的太阳能路灯控制系统设计

邓智文

辽宁锦州渤海大学工学院

摘要：本文主要介绍的是基于单片机的太阳能路灯控制系统的设计，路灯的状态控制是根据自动检测环境光照强度实现的。实现的目的主要包括了使得太阳能电池板的效率实现最大化，同时还可以设置LED的工作显示时间。

关键字：太阳能 LED 单片机

1 引言

随着社会信息技术的不断的突破与进步，人们追求节环保的意识逐渐的增强，可再生新能源越来越引起了人们的高度重视。目前市场上被认为是最具有环保功能的灯是LED路灯，LED路灯的优点是使用的寿命长，有着丰富的色彩，安全性能高。同时太阳能-LED路灯的优点是结合了LED的基础实现的，绿色照明的实现是结合了能源的清洁特性和LED的高效率达到目的的。

现今，现实的生活中通常使用的路灯选择的结构是高压钠灯，在高压钠灯里面的电子驱动中所要做的是进行电流的转变，这个转变的过程是将交流向直流，接着转变成交流，最终造成了系统的执行效率过于低的结果。同时因为用到的是市电，因此在电力的建设方面所用到的管线比较繁琐。太阳能-LED路灯能够解决上面提出的一些难点，因为从太阳能电池板中得到的结果电流是直流，同时作为直流驱动光源中的一种，太阳能-LED路灯实现绿化节能中是结合太阳能以及LED路灯的优点，从而大大地提高了系统的整体效率，使得市政府所投入的成本大大地减少了。

2 设计原理

通过太阳能-LED路灯系统的原理图能够知道，当太阳能电池板经过太阳光一定的光照之后，太阳能电池板里面的PN结就会产生新型的电子空穴对，从而直流电流就会在一个回路里面形成。控制器中就会加入这个新的电流，而且控制器也可以有新的指令生成，当充电蓄电池的时候。也就是当白天的时候，蓄电池可以成功充电，同时当晚上的时候，LED就会接收到能量。通过控制器完成LED的进程，当电流是恒流的时候，控制器就会对LED的状态进行监测。同时还会对LED的工作时间进行控制。当天气是阴天的时候，或者是蓄电池需要充电的时候，控制信号就会产生，从而启动外部的供电系统，最终确保LED可以成功的运行。外部的供电系统是后备能源中的一种，当蓄电池中出现了需要充电的时候，需要对电池板进行充电，而这个充电的过程是由太阳能完成的，从而将太阳能实现最大化。太阳能-LED路灯系统总体结构图如图1所示。

图1 太阳能-LED路灯系统总体结构图

从图1中可以发现，太阳能电池板加入之后必须要用到直流变换器，也就是所谓的蓄电池充电电路，这个变换器在输出的整个过程中必须先要经过保险丝，从而连接蓄电池的两边。此时的元件中作用主要有2点组成，一方面是避免输出的太阳能电池低，从而形成反充电流的现象；另一方面是如果太阳能电池板的极性出现反接的时候，电路就可以被保护。直流/直流变换器中的结构I选择的是降压拓扑，而且选择拓扑结构的时候需要想到来自太阳能电池板中的功率最大值，以及蓄电池的电压最大值，此外还需要考虑到成本以及效率的因素。增加直流/交流变换器在LED与蓄电池中间之间，这个就是所谓的LED驱动电路，在LED电路中的控制方式用到的是恒流。

图2 系统总电路图

3 控制器主要功能

控制器中的功能实现了蓄电池的充电和LED供电。当电路在设计的时候是12V蓄电池为对象，该蓄电池的浮充充电是13.6V，放电电压设置成12V。蓄电池的充电模式如表l所示。

表1 蓄电池充电模式

蓄电池电压U(v)控制器工作描述滑流充当电池，其中充电的时候，电流的最大值是0.5A，太阳能板的功率输出是通过功率最大跟踪的算法。12V＜U＜13.8V充电电池的电流和太阳能板的功率最大值是有着直接的关系U＞13.9V充当模式是恒流的，而且电池的电压是13.9V U＜12V

从表l中能够得出充电模式，其中的实现最大功率点跟踪算法存在多种，本文设计的电路所采用的方法是比较简单的。关于该控制方法的具体思想是根据充电电路开关信号的占空比的增大以及减少来实现的，接着可以得出所输出功率的值是增大还是减小，最终进一步对占空比进行设置。因为太阳能板中值的变化比较慢，因此这种方法可以起到很好的效果。

4 系统硬件设计

本文选择的单片机型号是STC12C5A16S2，该单片机是新型的，其中的组成成分有CPU、数据出出气，看门狗以及I/O接口等。根据单片机里面中的AD采集锂电池中的电压数据，单片机P1.0就会接收到所采集到的相关，接着进行了通过AD转换计算。系统的总电路如图2所示。

4.1 负载输出控制电路设计

在负载控制的电路中组成部分包括了绝缘栅双极晶体管以及光电耦合器等。其中的绝缘栅双极晶体管可以缩写成IGBT，IGBT中的优点主要是集合了双极型功率晶体管，该IGBT具有速度快、输入阻抗高以及热稳定性能好等优点，而且驱动电路的设计比较简单，此外通态的电压比较低而且耐压性能也比较高。负载输出控制电路如图3所示。

图3 负载输出控制电路

5 系统软件程序设计

在电路设计过程中用到的拓扑结构是反激式。设计反激式拓扑通常用到的升压以及降压电路是比较复杂的，当系统的效率需要提高的时候，能够根据蓄电池电压的优化以及LED电压的关系从而达到电压升高和电压降低的目的，效率提高的时候还需要考虑到成本的降低。本文设计的控制系统的实现是基于单片机，单片机的作用具体的总结如下：首先是选用最大功率点跟踪算法从而对太阳能电池板的相关工作实现优化；另外一方面按照不同状态的的蓄电情况，选择合理的的充电方式；最后确保LED的驱动电路中可以输出恒流；对白天和黑夜进行判断，同时进一步切换出蓄电池充电、放电的模式等。本文的软件设计包括了主程序、键盘程序、采样程序以及显示程序等。

5.1 白天充电子程序

采样蓄电池中的电压值，由选择合适的充电策略，进一步有效且科学的用蓄电池，单片机在蓄电池的使用寿命中起到了很大的意义。本文的控制器中的充电电路中选择的是充电方法是快充、过充以及浮充等。

5.1.1 快充阶段

输出充电电路在一定的程度是指的就是电流源。输出电流源的电路是按照蓄电池目前的充电状态实现的。在充电的时候，实现蓄电池端中的电压被检测。然而当蓄电池端中的电压达到了电压的权限值份时候。从而充电电路就会向过充进行转变。

5.1.2 过充阶段

这个过程指的是将高电压增加到充电电路中，然而当充电电压达到了一个最大值的时候，此时可以当成是蓄电池的电量不需要再继续充电了。也就意味着充电电路此时的阶段是浮充。白天充电子程序如图4所示。