基于STC單片機的太陽能LED路燈控制器設計

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)利用和照明領域節(jié)能技術的綜合應用，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 照明是當前世界上最先進的照明技術，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、免維護和壽命長、可控性能強等特征，被認為是照明領域節(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、半導體照明工程、“十城萬盞”計劃等推進該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文設計的太陽能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 技術調(diào)節(jié)LED 的亮度以進一步節(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。

1.2 太陽能LED 路燈系統(tǒng)的基本原理

利用光生伏特效應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計標準[5]，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。一個設計先進的控制器，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。本文是對控制器設計的一個有益的探索。

本文設計的控制器是采用STC12C5410AD 單片機作為主控器件，該器件內(nèi)置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作頻率高達35 MHz，指令兼容51 單片機但速度快8～12 倍，非常適合本設計要求。 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。

2．1 充電電路及控制策略

充電電路由電感L1、功率MOSFET 管T1和續(xù)流二極管D2構(gòu)成降壓型Buck 電路，如圖3 所示。通過改變加在MOSFET 控制柵極的脈沖寬度(脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation，PWM)就可以改變太陽能電池板的輸出電壓。通過檢測太陽能電池板的輸出電壓和電流、蓄電池的電壓和電流，判斷蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式為蓄電池優(yōu)化充電。當蓄電池電壓超過一定電壓后，關斷T1，防止蓄電池過充電。當系統(tǒng)檢測到環(huán)境光線充足，控制器就會進入充電模式。

然而，充電的效率與充電電源(太陽能電池) 、負載(蓄電池) 以及環(huán)境的特性是緊密相關的。太陽能電池的輸出功率是日照強度和周圍環(huán)境溫度的非線性函數(shù)[1]，如圖4 所示。也就是說，當日照強度增強時，最大輸出功率相應增大；當溫度增加時，輸出功率降低；但一定條件下，總存在一個最大輸出功率點。當忽略溫度效應時，不同光照條件的輸出特性與負載曲線L 的交點A，B，C，D，E(工作點)顯然不都是最大功率點，若采用直接匹配必然帶來輸出功率的損失。

采用最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Track)的控制策略就可以將采集到的太陽能盡可能轉(zhuǎn)化為電能，儲存到蓄電池組中。MPPT 控制策略主要有干擾觀測法、導納增加法和固定參數(shù)法等算法。這里采用干擾觀測法[1]，其思想：控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏電池的輸出電壓或電流——“干擾”，改變的方向可以增加或減??；比較前后光伏電池的輸出功率，如果輸出功率增加，就按照上一周期的方向繼續(xù)干擾過程；如果輸出功率減小，則改變干擾的方向，最終在最大功率點往復達到穩(wěn)定，此時還可以減小步長以進一步逼近最大功率點。

另外，目前條件下鉛酸蓄電池是比較經(jīng)濟實用的蓄電裝置。 鉛酸蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，受充電方法的影響很大。可接受的理想充電曲線是充電電流隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減的曲線[3]，但極化現(xiàn)象卻制約了蓄電池的壽命和光伏電池發(fā)電系統(tǒng)充電模式。因此需要根據(jù)蓄電池充電特性曲線，采用分階段的充電策略，才可以提高充電的效率和延長蓄電池的壽命。這里蓄電池的充電策略是三階段充電( 快充、過充和浮充)。

(1) 快充階段充電電路的輸出方式等效為電流源。電流源的輸出電流根據(jù)蓄電池最大可接受電流來確定。充電過程中，檢測蓄電池端電壓，當蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限值后，充電電路轉(zhuǎn)到過充階段。固定輸出電流，采用MPPT 算法控制輸出電壓。

(2) 過充階段充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測充電電流。當充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值時，認為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。

(3) 浮充階段蓄電池組充滿電后，保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓。

2．2 放電電路及控制策略

放電電路的負載是大功率LED 路燈，它是由1 W及以上的高亮度LED 按一定的拓撲連接而成的綠色光源。大功率LED 路燈的發(fā)光強度是和流過的電流成正比。由于大功率LED 的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性，其正向壓降的微小變化會引起較大的正向電流變化。不穩(wěn)定的工作電流會影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅(qū)動電路必須提供恒定的電流[2 - 3]。其控制電路主要采用DC /DC 升壓驅(qū)動電路(Boost)，控制策略采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)，Boost 充電電路如圖5 所示。

電感L2、功率MOSFET 管Q2和D3構(gòu)成升壓型DC /DC 轉(zhuǎn)換器，通過單片機控制輸出PWM2，獲得一個穩(wěn)定的輸出電壓；通過PWM3和PWM4 通道進行2 路LED 照明的恒流控制，完全關斷這2 路負載還可以用作半功率點控制；R7和R10提供LED 照明驅(qū)動電路的電流反饋采樣；其它時控功能、溫度補償電路和蓄電池的過放保護電路在此就不詳細討論。

3軟件設計

軟件設計主要協(xié)助硬件電路完成控制器的控制策略，由主程序和充電、放電等子程序組成，如圖6 ～ 9 所示。充電子程序根據(jù)蓄電池的電壓和電流完成3 個階段充電轉(zhuǎn)換，其中快充階段采用MPPT 算法，以盡可能提高光伏電池的輸出功率。放電子程序通過PWM 技術調(diào)節(jié)負載電流，在后半夜可以完全切斷負載，實現(xiàn)半功率點亮負載。

4 結(jié)束語

太陽能LED 路燈照明系統(tǒng)是太陽能開發(fā)利用與新一代綠色光源LED 的完美結(jié)合。經(jīng)過多次軟硬件的綜合調(diào)試，本文以STC12C5410AD 單片機為核心設計的智能控制器，整體實現(xiàn)了三段式充電控制功能，并能有效防止蓄電池過充；同時還能實現(xiàn)定時和半功率點切斷負載，在蓄電池電壓小于過放電壓也將切斷負載，從而蓄電池過放保護。 該系統(tǒng)在能源利用率和工作可靠性方面有一定的實用價值，考慮到三亞地區(qū)的風力資源也較豐富，下一步的研究方向?qū)⑹浅浞掷锰柲芎惋L能的互補性，保證全年無間斷亮燈，從而向真正實現(xiàn)零污染、零排放、綠色的照明系統(tǒng)邁進一步。