太陽能LED路燈控制器的設計

程來星，盧麗娟，江 超

（1.黃石職業技術學院 湖北 黃石 435003；2.湖北師范學院 物電學院，湖北 黃石 435002）

太陽能作為一種新興的綠色能源，已經得到了廣泛的應用，其中以太陽能路燈應用為代表的道路照明工程越來越多的地方被各級政府所看好。太陽能路燈具有易控制、清潔環保無需電費開支及不需要架設輸電線路等多方面的優點[1]。太陽能路燈系統由光伏電池極板、蓄電池、照明燈具和控制器等幾個部分組成。一般情況下，太陽能路燈系統蓄能裝置采用蓄電池，由于鉛酸蓄電池具有儲能多且成本低等優點，應用最為廣泛。但是充放電狀態直接對鉛酸蓄電池壽命影響，若充電電壓不當或鉛酸蓄電池使用不當等情況出現，則鉛酸蓄電池的壽命就會急劇縮短[2]。為了解決這些問題，設計了一款太陽能LED路燈控制器。

1 太陽能路燈系統的組成

一個完整的路燈系統由4個部分組成[3]：太陽能電池、蓄電池（鋰電池）、控制器、LED照明燈。日照時，利用光生伏打效應原理制成的太陽能電池板接收太陽輻射能并轉化為電能輸出，產生一定電壓的充電電流，通過太陽能控制器對儲能蓄電池進行充電。夜晚，當日照光線強度減弱到一定程度時，太陽能電池板開路電壓下降到設定值，太陽能控制器檢測到這一電壓值后，光控自動啟動，由蓄電池通過控制器向負載供電[4]。

路燈蓄電池選用鋰離子電池。鋰電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因而得到了普遍應用。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的 1.5～2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因。但對于鋰電池的充電過程，要求是比較嚴格的。鋰電池的充電過程包括 3個階段[5]：1）如果開始充電時，電池電量很低（例如低于2.7 V），那么必須用小電流（大概為100 mA）開始充電，即涓流充電。如果電壓高于2.7 V就不必進行這個步驟。2）當電池電壓大于2.7 V可以開始大電流充電，恒流充電。隨著充電的進行，電池電壓逐漸升高。3）當電池電壓達到或接近充滿電壓（如4.2 V左右）時，則要開始轉入恒壓充電；當電流減少到大概10 mA左右，則停止充電。由此可見，對于鋰電池充電過程的控制，電壓電流的檢測是非常關鍵的。

圖1 太陽能LED路燈系統Fig.1 Structure diagram of the solar LED street lamp system

蓄電池應與太陽能電池、用電負荷（路燈）相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20%～30%，才能保證給蓄電池正常負電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜[5]。太陽能控制器的作用是控制路燈的工作狀態，主要功能有白天根據蓄電池電壓的大小分階段給蓄電池充電，當光照強度降低到某一設定值時，充電電路斷開，蓄電池給LED燈放電，另外還具有過充保護、過放保護、光控啟閉LED燈等功能。

2 太陽能LED路燈控制器的設計

太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統中最為重要的部件，其功能設計的好壞決定了一個太陽能路燈系統運行情況的優劣。路燈控制器需要實現的功能有：1）蓄電池過充電保護功能：白天給向蓄電池充電，當蓄電池端電壓升高到4.2 V時，控制器自動切斷充電回路，防止過充電，保護蓄電池，延長其壽命。2）蓄電池過放電保護功能：夜晚蓄電池在控制器的控制下向LED路燈供電，當蓄電池端電壓降低到2.7 V時，控制器自動切斷LED路燈，避免蓄電池過放電。3）智能充電及負載開關過程采用光控自動開關功能：夜幕降臨時，自然光照亮度低于室外照明亮度要求，控制器自動打開太陽能路燈開關，蓄電池向路燈供電。當光照再次達到某一設定值后，控制器控制太陽能路燈自動熄滅，節省用電。該控制器的實現過程是通過光控電路對光照強度的檢測，判斷是白天還是晚上，然后將數據傳送給單片機，控制到底是充電電路工作還是放電電路工作。根據需要實現的控制功能，該方案選擇STC90C52單片機對太陽能LED路燈系統進行控制。

單片機主要完成的功能包括檢測蓄電池兩端電壓并根據不同狀態采用不同的充電模式；判斷白天黑夜并以此來切換蓄電池充電和放電模式。路燈控制器中包括的硬件電路模塊比較多，如單片機最小系統、負壓電路、供電電源等等，如圖2所示。單片機最小系統包括單片機、復位電路、晶振時鐘電路[6]。本設計采用的核心控制器是宏晶公司生產的STC90C52AD單片機，該系列系列單片機指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以隨意選擇，內置看門狗，超強抗干擾，輕松過4 400 V快速脈沖干擾（EFT）。內部集成MAX810專用復位電路，當時鐘頻率在6 MHz時，該復位電路是可靠的。自帶8路A/D和2路PWM功能，更讓控制器的外圍電路變的精簡。特別的是該系列單片機支持ISP（在系統可編程）和IAP（在應用可編程），開發無需高價的專用編程器和專用仿真器，給本控制器的設計開發帶來極大的方便。

充放電控制電路如圖3所示，由于TL431的參考端輸出電壓是穩定在2.5 V，所以通過單片機控制R9一端的電壓從而改變流過R4的電流，進而改變R4上面的壓降，從而使B點的電壓可調。關于電路自動調節的原理，可以這樣解釋：根據TL431的特性，當參考端的電壓大于2.5 V時，TL431陰極和陽極之間的電流會急劇增大，也即其等效電阻減小，從而使三極管的基極電壓減小，射極B點電壓減小，從而使A點電壓下降；同理，當參考端的電壓小于2.5 V時，TL431陰極和陽極之間的電流會急劇減小，也即其等效電阻增大，從而使三極管的基極電壓增大，射極B點電壓增大，從而使A點電壓升高，也即A點電壓始終穩定在2.5 V。這樣，通過控制單片機輸出PWM可調電壓的大小就可以控制蓄電池的充電過程，而單片機輸出的PWM電壓又是根據對流經蓄電池的充電電流和電池兩端的充電電壓的檢測運算得到，所以整個充電過程就是一個智能的循環控制過程。

控制器能自動檢測當前的狀態，首先根據光控電路檢測當前狀態是白天還是黑夜，進而選擇是充電模式或者放電模式。在充電模式中根據蓄電池兩端的電壓及流過蓄電池的電流選擇不同的充電模式。首先要檢測電池的電壓是否低于2.7 V，當電池的電壓低于2.7 V的時候就要進行預充電，通常都是以100 mA的電流充10分鐘左右，這是一個“小電流激活”的階段，當電壓低于2.7 V時，電池正極的鋰離子很少，電池的活性低，這時候就算你給一個很大的電流，電池內部也沒有足夠的離子搬運，相反這會給電池帶來負擔，所以這個階段是電壓很低的時候必須有的，但是一般情況下，上一次電池不至于過放，電池的電壓也不會降到這么低。當電壓高于2.7 V而又小于4.2 V時進入到第二個階段恒流充電，即電流一定，而電池電壓隨著充電過程逐步升高，當電池端電壓達到4.2 V，改恒流充電為恒壓充電，即電壓一定，電流根據電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續逐步減小，當減小到10 mA時，認為充電終止。在放電過程中，首先保證當蓄電池電壓低于保護電壓（2.7 V）時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞，當電壓高于這個電壓值時，給LED燈放電，當光照強度再次到達某一設定值時，自動關閉路燈系統，節約用電。因此，充電管理和放電管理是系統軟件設計中的主要內容，充放電程序流程圖如圖4、5、6所示。

圖2 太陽能LED路燈電路Fig.2 Solar LED street lamp system circuit

圖3 充電控制電路Fig.3 Charging control circuit of the storage battery

3 控制器調試結果

經調試，該控制器可以完成最初的目標功能:白天，可以給蓄電池充電，充電過程可根據蓄電池兩端的電壓和流經電池的電流來智能的控制蓄電池分階段的進行充電，當電池的電壓低于2.7 V，以100 mA的電流給電池預充電10分鐘左右；當電壓高于2.7 V而又小于4.2 V時進入到恒流充電階段，即以一個恒定的500 mA大電流給電池充電，而電池電壓隨著充電過程逐步升高；當電池兩端電壓達到4.2 V，進入恒壓充電階段，即電壓一定，電流根據電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續逐步減小，當減小到10 mA時，認為充電終止，充電指示燈熄滅，此時關閉充電電路，保護電池過充。當用手捂住光敏電阻時，此時的光照強度低于某一特定值，認為是晚上，充電電路關閉，放電電路工作，LED燈被點亮，當電池兩端電壓低于2.7 V時，切斷放電電路，保護電池過放。

圖4 控制器主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 放電控制子程序流程圖Fig.5 Flow chart of discharge control subprogram

圖6 充電控制子程序流程圖Fig.6 Flow chart of charging control subprogram

從圖7可以看出，該控制器的充電電壓在2.7～4.2 V之間，正在進行恒流充電階段，此時的充電電流為500 mA左右，顯示的充電電壓為3.98 V，而用萬用表測出來的實際充電電壓為3.95 V，存在0.03 V的誤差，主要由AD的只有8位的精度導致。圖8為恒壓充電階段，此時充電電壓已經達到4.2 V，充電電流從500 mA減小到了187 mA。如圖9所示，此時電已經充滿，控制器顯示charge OK。如圖10所示，當兩個光敏電阻被遮住時，光照強度降低都某一特定值，此時，放電電路開始工作，LED燈點亮，1602顯示放電狀態。

圖7 恒流充電階段Fig.7 Constant-current charging phase

圖8 恒壓充電階段Fig.8 Constant-voltage charging phase

圖9 電池充滿Fig.9 Charging OK

圖10 放電階段Fig.10 Discharging phase

4 結束語

根據太陽能路燈的控制需要，對太陽能路燈控制器從硬件結構及軟件開發方面進行了設計，用簡單電路檢測充放電電壓電流，然后由單片機根據采集到的充放電電壓電流參數，發出各種控制信號，實現充放電控制，使充放電系統能穩定有效地運行，更好地保護了鋰電池。該控制器具有控制精準、抗干擾能力強、可控性強等特點，同時因為充電控制采用的是并聯式三端穩壓管TL431實現的閉環控制調節，使得系統調節時間很快。

[1]李春鵬，張廷元，周封.太陽能光伏發電綜述[J].電工材料，2006（3）:45-48.LI Chun-peng，ZHANG Ting-yuan，ZHOU Feng.Summarize of the solar energy light-voltage generating electricity[J].Electrician Material，2006（3）:45-48.

[2]張鵬.太陽能高效路燈系統工作原理與設計 [J].陽光技術，2009（24）:20-22.ZHANG Peng.Operation principle and design of the solar street lamp system[J].Sunlight Technique，2009（24）:20-22.

[3]朱德海，胡西多等.太陽能路燈充放電控制器的設計[J].數字技術，2010（3）:30-31.ZHU De-hai，HU Xi-duo.Design of the charging-discharging controller of solar energy street lamp[J].Digital Technique，2010（3）:30-31.

[4]江曉.淺談太陽能路燈[J].日用電器，2009（8）:8-10.JIANG Xiao.Dicussion of the solar street lamp system[J].Daily Eletricity Equipment，2009（8）:8-10.

[5]沈國良，趙旭升.太陽能光伏發電系統的原理及其發展[J].科技創新導報，2008（1）:7-9.SHENGuo-liang，ZHAOXu-sheng.Principle and development of the solar energy light-voltage generating electricity system[J].Science and Technology Innovation Herald，2008（1）:7-9.

[6]張迎新.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.