基于單片機(jī)的太陽能LED路燈控制器設(shè)計

　　面對地球生態(tài)環(huán)境日益惡化、資源日益短缺的現(xiàn)實，當(dāng)今世界各國政府采取了很多政策和措施，大力扶持和發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)。 太陽能LED 路燈是太陽能開發(fā)利用和照明領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的綜合應(yīng)用，具有環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢。 據(jù)統(tǒng)計，照明消耗約占整個電力消耗的20% 左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。 太陽能具有清潔環(huán)保和可再生的特點，而LED 照明是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的照明技術(shù)，是繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、重量輕、安全性能好、無污染、免維護(hù)和壽命長、可控性能強等特征，被認(rèn)為是照明領(lǐng)域節(jié)電降能耗的最佳實現(xiàn)途徑。 有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，僅LED 路燈節(jié)能一項，每年就能為中國節(jié)省約一座三峽大壩所發(fā)的電力。 正是由于LED 照明燈具所具有的節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢，近年來，其全球產(chǎn)值年增長率保持在20% 以上，中國也先后啟動了綠色照明工程、半導(dǎo)體照明工程、"十城萬盞"計劃等推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

　　本文設(shè)計的太陽能LED 路燈控制器，先對太陽能電池輸出和蓄電池電量等參數(shù)進(jìn)行檢測確定系統(tǒng)工作狀態(tài)，利用最大功率點跟蹤MPPT 算法實現(xiàn)電能的最大化收集，在電能的儲備完成后，利用PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)LED 的亮度以進(jìn)一步節(jié)能，從而實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的自動控制和智能能量管理，更有利于太陽能路燈的應(yīng)用推廣。

　　1 太陽能LED 路燈系統(tǒng)簡介

　　1. 1 太陽能LED 路燈系統(tǒng)的組成

　　太陽能路燈系統(tǒng)由以下幾個部分組成：太陽能電池板、LED 燈具（ 含LED光源、燈桿及燈具外殼） 、控制器、蓄電池組，如圖1 所示。

圖1 太陽能路燈系統(tǒng)

　　1. 2 太陽能LED 路燈系統(tǒng)的基本原理

　　利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池板白天接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中；夜晚當(dāng)照度逐漸降低，充放電控制器檢測到這一變化，蓄電池開始對LED 路燈放電。 蓄電池放電約10 h后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。

　　根據(jù)海南三亞的日照特征和城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)選用組件參數(shù)如下： LED 路燈1 組（ 32 W, 24 V,1 . 4 A; LED 1 W 光源；4 組并聯(lián)，每組8 個串聯(lián)） ; 太陽能電池板2 塊（ 每組額定輸出電壓18 V,工作電流為5. 6 A,開路電壓為21. 2 V,短路電流為6. 1 A,峰值功率為80 W） ; 蓄電池（ 12 V,200 Ah; 過充電壓14. 8 V,浮充電壓12. 3 V,過放電壓10. 8 V） .

　　2 硬件設(shè)計

　　雖然太陽能LED 路燈控制器在整個系統(tǒng)中是價值最小的部份，但是它卻是整個系統(tǒng)的核心控制部分。

　　一個設(shè)計先進(jìn)的控制器，除了完成最基本的充放電控制功能外，還能控制太陽能電池方陣盡可能吸收太陽能，提高效率； 能防止蓄電池過充電及深度放電，延長蓄電池的使用壽命； 能根據(jù)環(huán)境，調(diào)節(jié)LED 光源的亮度，特別是在后半夜還能實現(xiàn)半功率點亮負(fù)載，從而盡可能節(jié)能等。 由于光伏電池板的輸出電力有很大的不確定因素、蓄電池的充放電特性非線性，另外兩者受環(huán)境影響較大，因此設(shè)計一個性能良好的充電放電控制器對系統(tǒng)性能有很大影響。 本文是對控制器設(shè)計的一個有益的探索。

　　本文設(shè)計的控制器是采用STC12C5410AD 單片機(jī)作為主控器件，該器件內(nèi)置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作頻率高達(dá)35 MHz,指令兼容51 單片機(jī)但速度快8 ~ 12 倍，非常適合本設(shè)計要求。 由于兩組太陽能電池采用串聯(lián)連接，輸出電壓為36 V,蓄電池電壓為12 V,LED 路燈工作電壓為24 V,因此充電電路采用DC /DC 降壓變換電路（Buck） ,放電電路采用DC /DC 升壓變換電路（Boost） ,通過軟件實現(xiàn)充放電的控制策略，從而最終達(dá)到提高效率、節(jié)能的目的（ 如圖2 所示）。本文重點論述充放電電路及其控制策略。

圖2 基于SIC 的太陽能LED 路燈控制系統(tǒng)框圖