基于单片机的太阳能LED路灯控制器设计

　　面对地球生态环境日益恶化、资源日益短缺的现实，当今世界各国政府采取了很多政策和措施，大力扶持和发展节能环保产业。 太阳能LED 路灯是太阳能开发利用和照明领域节能技术的综合应用，具有环保节能的双重优势。 据统计，照明消耗约占整个电力消耗的20% 左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。 太阳能具有清洁环保和可再生的特点，而LED 照明是当前世界上最先进的照明技术，是继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，具有结构简单、效率高、重量轻、安全性能好、无污染、免维护和寿命长、可控性能强等特征，被认为是照明领域节电降能耗的最佳实现途径。 有统计数据显示，仅LED 路灯节能一项，每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力。 正是由于LED 照明灯具所具有的节能、环保优势，近年来，其全球产值年增长率保持在20% 以上，中国也先后启动了绿色照明工程、半导体照明工程、"十城万盏"计划等推进该产业发展。

　　本文设计的太阳能LED 路灯控制器，先对太阳能电池输出和蓄电池电量等参数进行检测确定系统工作状态，利用最大功率点跟踪MPPT 算法实现电能的最大化收集，在电能的储备完成后，利用PWM 技术调节LED 的亮度以进一步节能，从而实现了整个系统的自动控制和智能能量管理，更有利于太阳能路灯的应用推广。

　　1 太阳能LED 路灯系统简介

　　1. 1 太阳能LED 路灯系统的组成

　　太阳能路灯系统由以下几个部分组成：太阳能电池板、LED 灯具（ 含LED光源、灯杆及灯具外壳） 、控制器、蓄电池组，如图1 所示。

图1 太阳能路灯系统

　　1. 2 太阳能LED 路灯系统的基本原理

　　利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池板白天接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中；夜晚当照度逐渐降低，充放电控制器检测到这一变化，蓄电池开始对LED 路灯放电。 蓄电池放电约10 h后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

　　根据海南三亚的日照特征和城市道路照明设计标准，本系统选用组件参数如下： LED 路灯1 组（ 32 W, 24 V,1 . 4 A; LED 1 W 光源；4 组并联，每组8 个串联） ; 太阳能电池板2 块（ 每组额定输出电压18 V,工作电流为5. 6 A,开路电压为21. 2 V,短路电流为6. 1 A,峰值功率为80 W） ; 蓄电池（ 12 V,200 Ah; 过充电压14. 8 V,浮充电压12. 3 V,过放电压10. 8 V） .

　　2 硬件设计

　　虽然太阳能LED 路灯控制器在整个系统中是价值最小的部份，但是它却是整个系统的核心控制部分。

　　一个设计先进的控制器，除了完成最基本的充放电控制功能外，还能控制太阳能电池方阵尽可能吸收太阳能，提高效率； 能防止蓄电池过充电及深度放电，延长蓄电池的使用寿命； 能根据环境，调节LED 光源的亮度，特别是在后半夜还能实现半功率点亮负载，从而尽可能节能等。 由于光伏电池板的输出电力有很大的不确定因素、蓄电池的充放电特性非线性，另外两者受环境影响较大，因此设计一个性能良好的充电放电控制器对系统性能有很大影响。 本文是对控制器设计的一个有益的探索。

　　本文设计的控制器是采用STC12C5410AD 单片机作为主控器件，该器件内置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作频率高达35 MHz,指令兼容51 单片机但速度快8 ~ 12 倍，非常适合本设计要求。 由于两组太阳能电池采用串联连接，输出电压为36 V,蓄电池电压为12 V,LED 路灯工作电压为24 V,因此充电电路采用DC /DC 降压变换电路（Buck） ,放电电路采用DC /DC 升压变换电路（Boost） ,通过软件实现充放电的控制策略，从而最终达到提高效率、节能的目的（ 如图2 所示）。本文重点论述充放电电路及其控制策略。

图2 基于SIC 的太阳能LED 路灯控制系统框图

　　2. 1 充电电路及控制策略

　　充电电路由电感L1、功率MOSFET 管T1和续流二极管D2构成降压型Buck 电路，如图3 所示。 通过改变加在MOSFET 控制栅极的脉冲宽度（ 脉冲宽度调制Pulse Width Modulation,PWM） 就可以改变太阳能电池板的输出电压。 通过检测太阳能电池板的输出电压和电流、蓄电池的电压和电流，判断蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式为蓄电池优化充电。 当蓄电池电压超过一定电压后，关断T1,防止蓄电池过充电。 当系统检测到环境光线充足，控制器就会进入充电模式。

图3 Buck 主充电电路

　　然而，充电的效率与充电电源（ 太阳能电池） 、负载（ 蓄电池） 以及环境的特性是紧密相关的。 太阳能电池的输出功率是日照强度和周围环境温度的非线性函数，如图4 所示。

也就是说，当日照强度增强时，最大输出功率相应增大； 当温度增加时，输出功率降低； 但一定条