基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉鑫　宋維波

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前資源能源供求不斷緊張的局面，提出了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。太陽(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，白天太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給負(fù)載提供電能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行良好，而且具有安全、節(jié)能、方便、無(wú)污染的特點(diǎn)。

關(guān)鍵字： 單片機(jī)； 太陽(yáng)能； 路燈； 控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN29?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yáng)能是干凈、無(wú)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(yáng)能作為替代能源是解決能源危機(jī)的有效途徑之一[1]。太陽(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，白天太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給負(fù)載供電使用，無(wú)需復(fù)雜昂貴的管線(xiàn)鋪設(shè)，可任意調(diào)整燈具的布局，安全節(jié)能無(wú)污染，無(wú)需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省電費(fèi)免維護(hù)[2]。

本文介紹的太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)，可以對(duì)常用型的12 V/24 V蓄電池自動(dòng)識(shí)別。負(fù)載控制采用光控與時(shí)控相結(jié)合，光控點(diǎn)（5～7 V）可設(shè)定，時(shí)控0～14 h可選。光控開(kāi)關(guān)有延時(shí)，低于光控點(diǎn)延時(shí)1～3 min開(kāi)啟負(fù)載，高于光控點(diǎn)延時(shí)1～3 min關(guān)閉負(fù)載，避免在夜晚受雷電、焰火、汽車(chē)燈光干擾。保護(hù)功能有充電保護(hù)、放電保護(hù)、反充保護(hù)、蓄電池反接保護(hù)、太陽(yáng)能電池板反接保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等。顯示功能有充電顯示、蓄電池荷電狀態(tài)顯示、負(fù)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(xì)論述了該控制系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以單片機(jī)AT89S52為智能核心模塊，外圍電路主要包括太陽(yáng)能電池電壓采樣模塊、蓄電池電壓采樣模塊、鍵盤(pán)電路模塊、LED顯示模塊，負(fù)載驅(qū)動(dòng)模塊等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)正常運(yùn)行需要5 V電壓，即把蓄電池電壓（12 V/24 V自動(dòng)識(shí)別）轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓。系統(tǒng)采用蓄電池通過(guò)LM7805為系統(tǒng)運(yùn)行供電。

1.2 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

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

1.3 顯示電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用3個(gè)LED燈、4個(gè)數(shù)碼管來(lái)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。3個(gè)LED燈分別接在單片機(jī)的P2.8，P2.9，P3.0上，用來(lái)顯示系統(tǒng)充電、放電、故障三種狀態(tài)。4個(gè)數(shù)碼管分別由P1.1，P1.2，P1.3、P1.4控制，其中1個(gè)數(shù)碼管為模式管，用以指示當(dāng)前顯示的模式；其他3個(gè)數(shù)碼管用來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的太陽(yáng)能電池電壓、蓄電池電壓或設(shè)定的負(fù)載工作時(shí)間。

1.4 蓄電池電壓采樣電路設(shè)計(jì)

蓄電池作為太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，白天蓄電池將光伏電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出到照明負(fù)載。智能控制系統(tǒng)的電源也由蓄電池提供[3]。

蓄電池采樣電路采用V/F轉(zhuǎn)換器LM331。LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性?xún)r(jià)比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器。LM331采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到4.0 V電源電壓下都有極高的精度。同時(shí)動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB；線(xiàn)性度好，最大非線(xiàn)性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時(shí)尚有較好的線(xiàn)性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F或F/V等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度[4]。蓄電池電壓采樣電路如圖2所示。

1.5 太陽(yáng)能電池電壓采樣電路設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的輸入，為整個(gè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電；天黑后，太陽(yáng)能電池停止工作，輸出端呈開(kāi)路狀態(tài)[5]。

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓的采集，可以判定太陽(yáng)光線(xiàn)的強(qiáng)弱，從而識(shí)別出白天黑夜。該系統(tǒng)提供太陽(yáng)能電池反接保護(hù)。太陽(yáng)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(fù)載輸出控制電路設(shè)計(jì)

負(fù)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(jiǎn)稱(chēng)IGBT，集MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等特點(diǎn)。對(duì)于IGBT尤其重要的是驅(qū)動(dòng)電路[6]。本系統(tǒng)采用光電耦合器驅(qū)動(dòng)IGBT，負(fù)載輸出控制電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要包括主程序、蓄電池采樣程序、太陽(yáng)能電池采樣程序、鍵盤(pán)處理程序、數(shù)碼管顯示處理程序、定時(shí)器處理程序、鍵盤(pán)處理程序、蓄電池分段式充電策略控制程序、負(fù)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(guò)對(duì)蓄電池電壓的采集，由單片機(jī)設(shè)定充電策略，從而更有效地、科學(xué)地使用蓄電池，對(duì)提高蓄電池的使用效率、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，起著非常關(guān)鍵的作用[7]。該控制器的充電電路采取了快充、過(guò)充和浮充三個(gè)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(jù)蓄電池的充電狀態(tài)確定。充電過(guò)程中，電路檢測(cè)蓄電池端的電壓。但蓄電池端的電壓上升到轉(zhuǎn)換門(mén)限后，充電電路轉(zhuǎn)為過(guò)充階段。

（2） 過(guò)充階段。充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高的電壓，但充電電壓上升到轉(zhuǎn)換門(mén)限之后，認(rèn)為蓄電池的電量已充滿(mǎn)，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段

（3） 浮充階段。充電電路給蓄電池提供一個(gè)準(zhǔn)確的浮充電壓[8]。

白天充電子程序（12 V系統(tǒng)）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(duì)蓄電池進(jìn)行放電保護(hù)，防止過(guò)放。12 V系統(tǒng)蓄電池負(fù)載切斷電壓是11～11.9 V（可調(diào)），24 V系統(tǒng)切斷電壓是22.8～23.8 V（可調(diào)）[9]。夜間放電子程序的另一個(gè)主要功能是控制開(kāi)燈時(shí)間。夜間放電子程序如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)，其控制器主要由充電，放電電路組成。充電電路實(shí)現(xiàn)了蓄電池的充電控制，放電電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的保護(hù)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。基于單片機(jī)的能量管理電路通過(guò)檢測(cè)外部環(huán)境狀態(tài)和蓄電池能量，來(lái)選擇系統(tǒng)工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行[10]。試驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果表明，該太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)，具有高效、安全、節(jié)能、工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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