基于STC15F2K60S2的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)

楊 翡

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 日照 276826）

太陽能通過光伏電池板將資源無限、清潔干凈的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，是新能源和可再生能源的重要成員。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，能耗低，環(huán)保無污染，使用安全可靠，便于維護(hù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。因此太陽能LED路燈將有廣闊的前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽能LED路燈控制器如圖1所示。其主要由控制系統(tǒng)、太陽能電池板、充電電路、蓄電池、恒流驅(qū)動(dòng)電路和大功率LED照明等電路組成。

太陽能LED照明系統(tǒng)如圖1所示。白天控制系統(tǒng)檢測太陽能電池板的電壓，當(dāng)達(dá)到充電電壓時(shí)，開啟太陽能電池板對(duì)蓄電池充電，同時(shí)系統(tǒng)檢測蓄電池的電壓值，當(dāng)電壓低于設(shè)定的高電壓時(shí)，控制太陽能電池板對(duì)蓄電池浮充電，蓄電池充滿時(shí)，進(jìn)入涓流充電狀態(tài)。當(dāng)太陽能電池板的電壓低于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉太陽能電池板。夜晚當(dāng)亮度降低一定的數(shù)值時(shí)，判斷蓄電池的電壓，如果高于設(shè)定的下限值，則打開控制開關(guān)使蓄電池對(duì)LED路燈恒流供電，當(dāng)進(jìn)入下半夜時(shí)，為了減少功耗，取正常工作電流的一半對(duì)其工作。蓄電池低于設(shè)定的下限值時(shí)，表明蓄電池電量不足，控制系統(tǒng)關(guān)閉控制開關(guān)，停止對(duì)蓄電池供電。

2 蓄電池的容量選擇計(jì)算

蓄電池選擇12V的閥控式膠體鉛酸蓄電池，假設(shè)連續(xù)陰雨天氣為3天，此時(shí)太陽能電池板不工作，蓄電池能正常工作。LED路燈每天最長工作時(shí)間是12小時(shí)（從晚上6點(diǎn)到早上6點(diǎn)），前6個(gè)小時(shí)的功率為60W，后6個(gè)小時(shí)的功率為30W，總的持續(xù)放電時(shí)間的放電容量為：

CS=60÷12×6×3+30÷12×6×3= 135Ah

蓄電池10小時(shí)放電率計(jì)算容量為：

CC=1.4×CS/KCC=1.4×135/1=189Ah

選擇接近該值的蓄電池標(biāo)稱容量C10=200Ah。

3 硬件電路組成及工作原理

控制系統(tǒng)如圖2所示以單片機(jī)STC 15F2K60S2為控制核心，讀取時(shí)鐘芯片中的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同的時(shí)間分別通過單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊采集太陽能電池板的電壓和蓄電池的電壓，白天根據(jù)太陽能電池板電壓和蓄電池電壓控制充電電路的通斷，夜間根據(jù)蓄電池的電壓和夜間亮度控制LED路燈的供電電流。單片機(jī)系統(tǒng)所需要的電壓從蓄電池取電，通過三極管和穩(wěn)壓管降壓到5V供單片機(jī)使用。

時(shí)鐘模塊采用時(shí)鐘芯片DS12C887。DS12C887 能夠自動(dòng)產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分和秒等時(shí)間信息，故不需外接晶振；DS12C887 中自帶有鋰電池，外部掉電時(shí)，其內(nèi)部時(shí)間信息還能夠保持 10 年之久，不需外接電池。對(duì)于內(nèi)部時(shí)間可通過按鍵設(shè)定或修改。由于更改時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)需要顯示，這里采用液晶12864顯示，本設(shè)計(jì)中為了節(jié)省成本只引出液晶12864的串行引腳，初次調(diào)試完后一般不再修改。

光電控制采用光敏電阻，通過電阻分壓法把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過比較電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。

太陽能LED路燈控制系統(tǒng)的充電電路如圖3所示。充電電路由雙MOSFET實(shí)現(xiàn)，太陽能電池板和蓄電池共用陽極的接入方式。T1和T2兩個(gè)MOSFET對(duì)接才可以有效控制充電電路，因?yàn)镸OSFET內(nèi)部在制造工藝上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的二極管，正常工作狀態(tài)太陽能電池板給蓄電池供電，太陽能電池板兩端的電壓大于蓄電池的電壓，由太陽能電池板和蓄電池共陽極接入，故太陽能電池板陰極的電位小于蓄電池的電位，電流應(yīng)從蓄電池負(fù)極流入到太陽能電池板的負(fù)極，控制MOSFET管T1可實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)夜晚或陰天時(shí)，太陽能電池板的電位大于蓄電池的電位，電流會(huì)通過MOSFET管中的反向二極管從太陽能電池板負(fù)極到蓄電池負(fù)極。這樣，蓄電池就通過太陽能電池板放電，這是不允許的。故再加上反向的MOSFET就可防止該種狀態(tài)發(fā)生。當(dāng)陰天或夜晚時(shí)，太陽能電池板兩極的電壓降低甚至為零，此時(shí)電池板的陰極電位升高，使三極管Q3導(dǎo)通，T2關(guān)斷。

LED燈板采用每顆一瓦的大功率燈珠，十五串聯(lián)兩并聯(lián)連接，共兩組。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路采用專用的恒流驅(qū)動(dòng)芯片XL6004，該芯片是一個(gè)固定頻率為400kHz的PWM升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，3A的開關(guān)電流能力。LED電流由0.22V的PWM控制器內(nèi)部參考電壓除以RCS電阻值所決定。單片機(jī)STC15F2K60S2檢測時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘，通過時(shí)鐘控制來改變電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)LED路燈的可調(diào)控制。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用工程化的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)工程包括6個(gè)程序模塊：主程序、時(shí)鐘程序、按鍵處理程序、檢測及A/D轉(zhuǎn)換程序、PWM控制程序、恒流驅(qū)動(dòng)控制程序。除了主程序外，每個(gè)程序模塊又分C程序文件和對(duì)應(yīng)頭文件。

主程序流程圖如圖4所示，系統(tǒng)采集太陽能電池板兩端的電壓和蓄電池電壓，對(duì)兩個(gè)電壓進(jìn)行比較判斷，白天控制充電電路智能充電，夜晚對(duì)LED恒流供電。為了充分用單片機(jī)內(nèi)部資源，除了常用的定時(shí)器、中斷和ADC外，還要用到PWM實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)，為此需要對(duì)PWM進(jìn)行配置，PWM的配置子函數(shù)代碼如下：

結(jié)語

本文介紹的以STC15F2K60S2為核心的太陽能路燈控制器，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的智能充電，充電過程包括快充、浮充和涓流三個(gè)階段，有效地防止了蓄電池的過充和過放電。另外太陽能路燈采用恒流源驅(qū)動(dòng)，與傳統(tǒng)電阻限流驅(qū)動(dòng)法相比，大大提高了能源利用率。該系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行一年多，在能源利用率和可靠性方面有一定的實(shí)用與參考價(jià)值。

[1]吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統(tǒng)的智能控制器[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，43（09）：1195-1198.

[2] http://www.stcmcu.com/,[EB/OL], 2014-10-15/2014-12-10.STC15 系列單片機(jī)器件手冊[Z].

[3]郭天祥.51 單片機(jī)C 語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]張艷紅，張崇巍，呂紹勤.新型太陽能控制器的研制[J].節(jié)能，2006（02）：30-32.

[5]劉松，楊鵬.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)[J].江蘇電器，2008（12）：56-58.

[6]彭芳，盧滿杯.基于PIC 單片機(jī)的太陽能路燈智能控制器[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2009（20）：67-70.