智能式LED太陽能路燈控制器的設計

肖海明　陳立　章小印

摘 要： 太陽能LED路燈照明系統采用市電互補方式，對推廣太陽能 LED 路燈的應用有著現實和經濟意義。為了實現太陽能LED路燈的市電互補控制，設計了一種市電互補LED太陽能路燈控制器。該控制器以ARM處理器為核心，通過對蓄電池電壓、太陽能電池電壓、環境溫度等參數進行采樣，進入ARM運算決策，可實現溫度補償修正的高準確控制，且具備蓄電池選擇功能及市電供電自動切換功能。該控制器應用于路燈改造，既可以減少一次性投資，又可以取得顯著的節能減排效果。

關鍵詞： 太陽能路燈； LED路燈； 市電互補； 控制器； ARM

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0153?04

Abstract： The mains complementary way using for solar LED street lamp lighting system has a practical and economic significance for the promotion application of solar LED street lamp. In order to realize the mains complementary control of solar LED street lamps， a controller for mains complementary LED solar street lamps was designed. ARM processor is taken as the controller′s core. Through sampling of solar battery voltage， battery voltage and environmental temperature， and ARM operational decision， high accurate control of temperature compensation can be achieved. It has the functions of battery selection and city power supply automatic switching. If the controller is applied to the street lamp system reconstruction， it can not only reduce the one?time investment， but also can achieve the obvious effect of energy saving and emission reduction.

Keywords： solar street lamp； LED lamp； mains supply complementation； controller； ARM

0 引 言

太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭[1]”的綠色、清潔能源，正迅速得到廣泛應用。LED具有體積小、堅固耐用、耗電量低、使用奉命長、環保、光色性能好等特點。太陽能電池輸出的是直流電，而LED也是直流驅動光源，兩者易于匹配，可獲得很高的利用率，又降低成本，所以LED太陽能路燈越來越受到人們的重視[2]。

由于太陽能受天氣因素的制約比較大，太陽光照射分布密度小，受光時間、強度大小具有隨機性間歇性，要保證太陽能電池輸出電壓的穩定，就需要用蓄電池來儲存電能，在白天有陽光時對蓄電池充電，晚上蓄電池給負載放電。若考慮連續陰雨天氣，對蓄電池容量要求就更大，太陽能電池組容量就越大，成本也就越高。太陽能LED路燈照明系統采用市電互補方式可較好地解決這個矛盾，對推廣太陽能 LED 路燈的應用有著現實和經濟意義[3]。

1 市電互補LED太陽能路燈系統的組成

所謂市電互補LED太陽能路燈系統，就是以太陽能電池發電為主，以普通220 V交流電補充電能為輔的LED路燈照明系統，采用此系統，光伏電池組和蓄電池容量可以設計得小一些，基本上是當天白天有陽光，當天就用太陽能發電同時給蓄電池充電，到天黑時蓄電池放電把負載LED點亮。在我國大部分地區，全年基本上都有2/3以上的晴好天氣，這樣該系統全年就有2/3以上的時間用太陽能照亮路燈，剩余時間用市電補充能量，既減小了太陽能光伏照明系統的一次性投資，又有著顯著的節能減排效果，是太陽能LED路燈照明在現階段推廣和普及的有效方法[1]。

LED太陽能路燈系統如圖1所示，由太陽能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電、開關電源和LED路燈等五部分組成。其中，路燈控制器是整個系統的控制核心，用于對蓄電池的充放電控制、LED路燈的亮滅控制、市電供電的自動切換控制及相關保護控制等；太陽能電池用于把太陽能轉換成電能，并且路燈控制器通過采集太陽能電池電壓的大小來判斷是白天還是黑夜；蓄電池是整個系統的儲能設備，白天時太陽能電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天時LED路燈由蓄電池來供電，并且路燈控制器可以采集蓄電池電壓，當蓄電池供電不足時切換至市電供電。

2 路燈控制器硬件設計

太陽能路燈控制器的硬件框圖如圖2所示，它主要由電源輸入、數據采集顯示控制、ARM處理器、輸出部分組成。控制器以ARM處理器為核心，通過ARM微處理器對蓄電池電壓、太陽能電池電壓、環境溫度等參數進行采集，ARM運算決策，選擇符合蓄電池特性的溫度補償參數，實現高準確控制，同時，采用智能高效的PWM模糊充電方式對蓄電池進行充電，保證蓄電池工作在最佳狀態。控制器帶有按鍵、顯示電路，可以方便地設置運行模式和運行參數，同時顯示電路也可直觀地顯示當前的運行狀態。

2.1 電源輸入部分

電源輸入部分包括對市電輸入、蓄電池輸入、太陽能電池輸入起保護作用的反接保護電路和充放電及供電切換電路。充放電及供電切換電路實現市電供電和蓄電池供電的切換，以及實現太陽能電池對蓄電池的充電控制、蓄電池的放電控制，同時，向輸出部分的MOSFET穩壓及短路保護電路提供電源。

2.2 數據采集顯示控制部分

數據采集顯示控制部分包括控制按鍵、LED顯示電路，電壓電流采集、溫度采集，感光采集和均衡電路。控制按鍵包括測試按鍵、菜單選擇鍵和參數選擇鍵。測試按鍵可使控制器進入測試狀態；菜單選擇鍵用來選擇工作模式，每按一下菜單選擇按鍵，模式值將會變換一次，同時也會顯示該模式下的對應參數，此時，按下參數選擇按鍵則可設置該模式下的運行參數；系統的運行模式和參數等重要數據均保存在芯片內部，掉電后不丟失，使調節更加方便，系統工作更可靠。LED顯示電路包括5個發光二極管的狀態顯示和2個數碼管的運行參數顯示，5個LED發光二極管用來顯示太陽能電池、蓄電池、市電、負載1、負載2的工作狀態，2個數碼管在進行參數設置時分別顯示模式和該模式下的參數，在沒有進行參數設置時顯示溫度。電壓采集、電流采集、溫度采集、感光采集分別完成對蓄電池和太陽能電池電壓、放電電流、溫度狀態、光照情況的采集，并將這些信號供ARM處理器運算處理，電壓電流采集電路受ARM處理器的控制，從而控制均衡電路是否工作。

2.3 ARM處理器部分

ARM處理器采用飛利浦公司ARM芯片LPC2134，該芯片是高端的32位實時處理器，在整個系統中處于核心地位。對采集模塊采集來的數據進行分析處理，做出相應決策，控制充放電及供電切換電路、電壓電流采集電路、MOSFET穩壓及短路保護電路和軟開關，實現對蓄電池的充放電控制、對控制器的保護控制、對輸出負載的通斷控制。

當太陽能電池不能正常向負載供電時，市電通過控制器上的充放電及供電切換電路、穩壓及短路保護電路和軟開關，可自動單獨給負載供電而非市電直接加到蓄電池上面的接入方式，可減小市電對蓄電池和市電電源造成的損壞，能有效減少市電電源功率配置。整個切換過程實現軟切換，不會對負載和蓄電池造成沖擊，負載工作不受影響。

2.4 輸出部分

輸出部分包括MOSFET穩壓及短路保護電路和軟開關。在ARM處理器的控制下，MOSFET穩壓及短路保護電路實現短路保護和穩壓輸出，軟開關實現雙路輸出獨立的通斷控制。

3 路燈控制器軟件設計

本控制器在完成自檢及初始化程序后，讀取各種設定的參數，如工作模式、蓄電池類型等，然后進入白天、黑夜判斷程序，根據所判斷的情況分別進入白天處理程序或黑夜處理程序。

白天黑夜的判斷可以通過讀取太陽能電池兩端的電壓來判斷，也可以通過采集控制器預留的光敏傳感器接口信號來判斷，根據太陽能電池的電壓來判斷的白天、黑夜判斷程序如圖3所示。

白天處理程序如圖4所示，進入白天處理程序后首先關閉LED路燈并打開測試按鍵所對應的中斷，然后采集太陽能電池的電壓[U1，]蓄電池的電壓[U2，]環境溫度[T，]根據環境溫度[T]及溫度補償系數（鉛酸電池-5 mV/℃，鋰電池-4 mV/℃，這一系數也可在程序中調整）計算確定蓄電池浮充點電壓[UF，]過充保護電壓[UHVD，]并根據采集到的[U1，][U2]之間的大小關系決定是否執行充電程序，進入充電狀態后，又根據[U2]的大小決定是直充、浮充、還是過充保護。

黑夜處理程序如圖5所示。進入黑夜處理程序后，首先判斷開燈延時時間是否到了，如果沒有到，則一直等到開燈延時時間到，開燈延時時間到了，則采集蓄電池的電壓[U2、]環境溫度[T，]根據環境溫度[T]及溫度補償系數計算確定蓄電池過放保護電壓[ULVD，]并根據采集到的[U2]決定進入過放保護、切換至市電供電或開啟蓄電池放電以開啟LED路燈，LED路燈開啟后又要判斷關燈時間到否，若關燈時間到了，則關閉LED路燈，兩路LED路燈可以實現單獨控制。

控制器在進行軟件程序設計時也可增加兩路負載的雙時段控制功能，雙時段控制是指兩路負載的晚上亮燈時間和早晨亮燈時間均可設置，設置為雙時段功能后，負載晚上亮燈一段時間后關閉，天亮之前再次亮燈，等到白天時再關閉，并且亮燈時間可調。雙時段控制的示意圖如圖6所示，控制器通過監測光控點可以實現純光控，也可以實現光控和雙時段定時配合控制。光控點是指晚上亮燈時太陽能電池板的電壓值，用戶可以根據實際環境調整光控開啟電壓，比如晚上太陽能電池板有其他光線干擾而開不了燈時，可調高此值，濾除雜光干擾，但開燈時間可能提前。光控判斷時間指電池板電壓達到光控點時需要判斷的時間，時間越長濾波效果越好，調小此值可以達到提前開燈的目的，但容易受外界雜光干擾。延時開燈指晚上延時一定時間再開燈，調節此時間，可以達到推遲開燈的目的。

控制器通電工作后可通過按鍵設置工作模式及相關參數。控制器軟件程序設計時增加了蓄電池選擇程序，支持密封電池、開口電池、膠體電池、鋰電池等蓄電池的使用，使用前，需選擇正確的蓄電池類型，通過按壓設置在控制電路板上的菜單選擇鍵進入蓄電池類型選擇模式，再通過按壓設置在控制電路板上的參數選擇鍵選定蓄電池類型，設定完畢后等待30 s，參數將自動保存，控制器在運行時將根據設定的蓄電池參數在ARM處理器程序的作用下自動選擇匹配的參數運行。當設定的蓄電池為鋰電池時，ARM處理器會發出控制信號讓均衡電路有效，使鋰電池各電芯的容量保持均衡，延長鋰電池的使用壽命。

4 結 語

本文設計的LED路燈控制器具有蓄電池選擇功能，支持多種不同的蓄電池，具備溫度補償功能，可有效地延長蓄電池的使用壽命，并且具有市電互補自動切換功能。該控制器應用于路燈改造，可保持原市電供電線路和燈桿不動，更換LED光源，就構成了市電互補LED太陽能路燈，投資將大大減少，節能效果顯著。

參考文獻

[1] 李鐘實.太陽能光伏發電系統設計施工與應用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 亓立敏，尹成強，陳波.LED太陽能路燈控制器的設計[J].科技創新導報，2011（12）：6?7.

[3] 周志敏，紀愛華.太陽能LED路燈設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 潘晶瑩，楊思俊.基于MPPT技術的太陽能發電的路燈控制系統案例分析[J].現代電子技術，2008，31（23）：122?123.

[5] 陳麗娟，周鑫.基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統[J].現代電子技術，2012，35（4）：71?74.

[6] 楊子威.基于ZigBee技術的LED路燈節能控制系統的設計[J].現代電子技術，2014，37（8）：40?45.