基于單片機的太陽能路燈照明控制系統設計

劉鑫　宋維波

摘 要： 針對當前資源能源供求不斷緊張的局面，提出了一種基于單片機的太陽能路燈照明控制系統設計方案。太陽能路燈以太陽光為能源，白天太陽能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給負載提供電能。實際應用表明，該系統工作穩定，運行良好，而且具有安全、節能、方便、無污染的特點。

關鍵字： 單片機； 太陽能； 路燈； 控制系統

中圖分類號： TN29?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0157?03

Abstract： In view of problem of imbalance of energy supply and demand， a design scheme of the solar energy streetlights controller based on microcontroller is proposed in this paper. Solar energy streetlights feed on solar batteries. During the day， the solar battery charges up the battery. In the night， storage battery provides power for local load. The actual application shows that the system runs stable. It has properties of safety， energy?saving， sanity， convenience and non?pollution.

Keywords： microcontroller， solar energy； streetlight； control system

0 引 言

太陽能是干凈、無污染且隨處可得的能源，而且取之不盡、用之不竭。在化石能源日漸短缺的今日，選擇太陽能作為替代能源是解決能源危機的有效途徑之一[1]。太陽能路燈以太陽光為能源，白天太陽能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給負載供電使用，無需復雜昂貴的管線鋪設，可任意調整燈具的布局，安全節能無污染，無需人工操作，工作穩定可靠，節省電費免維護[2]。

本文介紹的太陽能路燈照明控制系統，可以對常用型的12 V/24 V蓄電池自動識別。負載控制采用光控與時控相結合，光控點（5～7 V）可設定，時控0～14 h可選。光控開關有延時，低于光控點延時1～3 min開啟負載，高于光控點延時1～3 min關閉負載，避免在夜晚受雷電、焰火、汽車燈光干擾。保護功能有充電保護、放電保護、反充保護、蓄電池反接保護、太陽能電池板反接保護、過載保護等。顯示功能有充電顯示、蓄電池荷電狀態顯示、負載工作顯示、故障指示、輸入輸出端電流、電壓指示等。本文詳細論述了該控制系統的工作原理、系統硬件和軟件的實現方法。

1 系統硬件電路設計

系統主要以單片機AT89S52為智能核心模塊，外圍電路主要包括太陽能電池電壓采樣模塊、蓄電池電壓采樣模塊、鍵盤電路模塊、LED顯示模塊，負載驅動模塊等組成。系統硬件結構設計如圖1所示。

1.1 電源電路設計

該系統正常運行需要5 V電壓，即把蓄電池電壓（12 V/24 V自動識別）轉換為系統所需的電壓。系統采用蓄電池通過LM7805為系統運行供電。

1.2 鍵盤電路設計

鍵盤S1，S2，S3分別接在單片機P2.4，P2.5，P2.6上，其中S1為模式選擇鍵，用來控制數碼管顯示的模式（蓄電池電壓、太陽能電池板電壓、負載工作時間三種模式）。S2，S3分別用來控制負載工作時間的增加和減少，每次增減長度為15 min。

1.3 顯示電路設計

系統采用3個LED燈、4個數碼管來實時顯示系統工作狀態。3個LED燈分別接在單片機的P2.8，P2.9，P3.0上，用來顯示系統充電、放電、故障三種狀態。4個數碼管分別由P1.1，P1.2，P1.3、P1.4控制，其中1個數碼管為模式管，用以指示當前顯示的模式；其他3個數碼管用來實時顯示當前的太陽能電池電壓、蓄電池電壓或設定的負載工作時間。

1.4 蓄電池電壓采樣電路設計

蓄電池作為太陽能照明系統的儲能環節，白天蓄電池將光伏電池輸出的電能轉換為化學能儲存起來，到夜間再轉換回電能輸出到照明負載。智能控制系統的電源也由蓄電池提供[3]。

蓄電池采樣電路采用V/F轉換器LM331。LM331是美國NS公司生產的性價比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器。LM331采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內和低到4.0 V電源電壓下都有極高的精度。同時動態范圍寬，可達100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12位；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉換精度[4]。蓄電池電壓采樣電路如圖2所示。

1.5 太陽能電池電壓采樣電路設計

太陽能電池是太陽能照明系統的輸入，為整個系統提供照明和控制所需的電能。在白天光照條件下，光伏電池將所接收的光能轉換成電能，經充電電路對蓄電池充電；天黑后，太陽能電池停止工作，輸出端呈開路狀態[5]。

通過對太陽能電池板電壓的采集，可以判定太陽光線的強弱，從而識別出白天黑夜。該系統提供太陽能電池反接保護。太陽能電池板采樣原理與蓄電池相同，采樣電路如圖2所示。

1.6 負載輸出控制電路設計

負載控制電路由光電耦合器、絕緣柵雙極晶體管等組成。絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，集MOS場效應晶體管和雙極型功率晶體管的優點于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等特點。對于IGBT尤其重要的是驅動電路[6]。本系統采用光電耦合器驅動IGBT，負載輸出控制電路如圖3所示。

2 系統軟件程序設計

本系統的軟件程序設計主要包括主程序、蓄電池采樣程序、太陽能電池采樣程序、鍵盤處理程序、數碼管顯示處理程序、定時器處理程序、鍵盤處理程序、蓄電池分段式充電策略控制程序、負載供電電路控制程序等幾部分。

2.1 主程序

主程序流程圖如圖4所示。

2.2 白天充電子程序

通過對蓄電池電壓的采集，由單片機設定充電策略，從而更有效地、科學地使用蓄電池，對提高蓄電池的使用效率、延長蓄電池的使用壽命，起著非常關鍵的作用[7]。該控制器的充電電路采取了快充、過充和浮充三個不同階段的充電方法。

（1） 快充階段。充電電路的輸出等效于電流源。電流源的輸出電路根據蓄電池的充電狀態確定。充電過程中，電路檢測蓄電池端的電壓。但蓄電池端的電壓上升到轉換門限后，充電電路轉為過充階段。

（2） 過充階段。充電電路對蓄電池提供一個較高的電壓，但充電電壓上升到轉換門限之后，認為蓄電池的電量已充滿，充電電路轉到浮充階段

（3） 浮充階段。充電電路給蓄電池提供一個準確的浮充電壓[8]。

白天充電子程序（12 V系統）流程圖如圖5所示。

2.3 夜間放電子程序

夜間放電子程序主要對蓄電池進行放電保護，防止過放。12 V系統蓄電池負載切斷電壓是11～11.9 V（可調），24 V系統切斷電壓是22.8～23.8 V（可調）[9]。夜間放電子程序的另一個主要功能是控制開燈時間。夜間放電子程序如圖6所示。

3 結 語

本文介紹的太陽能路燈照明控制系統，其控制器主要由充電，放電電路組成。充電電路實現了蓄電池的充電控制，放電電路實現了對蓄電池的保護，延長了蓄電池的使用壽命。基于單片機的能量管理電路通過檢測外部環境狀態和蓄電池能量，來選擇系統工作狀態，實現了整個系統的自動、穩定運行[10]。試驗和運行結果表明，該太陽能路燈照明控制系統，具有高效、安全、節能、工作穩定的優點。

參考文獻

[1] 吳理博，劉建政，王健，等.在太陽能路燈照明系統中的應用電力電子在太陽能路燈照明系統中的應用[J].電力電子，2003，1（2）：15?19.

[2] 王鶴，楊宏，王雪冬，等.延長閥控密封鉛酸蓄電池壽命研究?過充電保護與溫度補償特性[J].電源技術，2001，25（3）：206?207.

[3] 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[4] 郭廷瑋.太陽能利用和前景[M].北京：科學普及出版社，1984.

[5] 趙為.太陽能光伏并網發電的研究[D].合肥：合肥工業大學，2003.

[6] 李思賢.數位式單相低功率太陽光電能轉換系統[D].臺北：臺灣中山大學，2003.

[7] 彭路明.新型太陽能路燈控制器設計與實現[D].烏魯木齊：新疆大學，2003.

[8] 何利民.MCS?51系列單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

[9] 周永忠.功率MOSFET模塊驅動電路[D].電力電子技術，1993，3（4）：10?15.

[10] 高滿如.功率場效應管的驅動[D].電力電子技術，1994（2）：42?45.