基于STM32的高效率太陽能LED路燈控制系統

薛家祥，沙幸威，羅海松

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

隨著道路建設的不斷完善發展，照明規模越來越大，隨之帶來的照明用電量也不斷攀升，大約占我國總用電量的11%左右[1]。普通路燈的安裝工程龐大，需要開溝埋線，而且容易受供電的影響，消耗的人力物力成本高[2]。太陽能作為清潔的可再生能源，分布廣泛，儲量豐富[3]，將太陽能用于路燈供電是解決上述問題的有效方式，太陽能路燈因此受到人們的廣泛關注。傳統的太陽能路燈的控制方式比較簡單，功能單一，監控智能化水平低，無法滿足現代照明路燈的管理要求[4]。因此本文設計了一種高效率的太陽能LED路燈控制系統，具有太陽能MPPT充電、LED驅動以及MCU智能監控等功能。目前，該控制器仍在試驗階段。

1 系統總體方案的設計

如圖1所示，本文設計的太陽能LED路燈控制系統包括太陽能電池板、LED燈、鎳氫電池、MPPT充電控制模塊、防反接模塊、LED驅動模塊、MCU控制模塊、采樣模塊。充電控制芯片采用LT8490，其片上的邏輯電路可實現自動對太陽能電池板最大功率點的跟蹤以及根據輸入輸出反饋實現主電路升壓、降壓、升降壓的模式轉變，升降壓功能基于LT8705降壓-升壓型控制器；太陽能電池板通過該充電主電路給鎳氫電池充電，LT8490采用一種恒壓恒流的（CCCV）充電算法，電池充電周期包含涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮動充電4個階段；而鎳氫電池給LED驅動電路以及MCU控制電路提供電源；當符合LED開燈條件時，由MCU控制LED路燈的開啟；MCU采用STM32，對系統工作狀態進行監控，具有數據采集存儲、多種通信方式選擇、RTC實時時鐘、PIR控制、LCD顯示功能。

圖1 系統總體設計Fig.1 Diagram of the system overall design

2 硬件電路設計

2.1 MPPT充電主電路

主電路采用四管單電感的同步整流buck-boost電路，其簡化電路如圖2所示。M2、M4作為同步開關管取代了在常規Buck/Book電路中的續流二極管，M1～M4的驅動端分別接至 LT8490 的 TG1、BG1、BG2、TG2；R43為電感電流采樣電阻，產生的采樣電壓經CSP、CSN輸入LT8490的電流檢測放大器。主電路的工作原理[5]：當輸入電壓Vin小于輸出電壓Vout時，電路應工作在升壓模式，此時M1常開，M2常閉，M3、M4以一定的占空比交替開關；當Vin大于Vout時，電路應工作在降壓模式，此時M4常開，M3常閉，M1，M2以一定的占空比交替開關；當Vin約等于Vout時，電路應工作在升降壓模式，即在一個周期的前半段電路工作在升壓模式，在該周期的后半段工作在降壓模式。從而使該電路能在允許的輸入電壓范圍內使輸出穩定在設定值。

圖2 MPPT充電主電路簡化圖Fig.2 Simplified diagram of the MPPT charging main circuit

2.2 LED 驅動電路

LED驅動電路的主電路采用常規的升壓拓撲，將電池電壓升壓到LED的驅動電壓，如圖3所示。Q2是升壓電路的功率開關管，其驅動端接至LT3756的16腳GATE，由GATE引腳控制Q2的開關。主電路的輸出接LED燈的正端，其負端接至開關管 Q1，Q1的驅動端接至 LT3756的 1腳 PWMOUT。LED的亮度由其驅動電流大小決定，因此可以通過調節PWMOUT（通過8腳PWM）輸出的占空比調節LED平均驅動電流，從而調節LED燈的亮度。LT3756的8腳PWM接至MCU的一個I/O口，MCU根據監控信息調節PWM的占空比，即可實現LED燈亮度的自由調節。

圖3 LED驅動主電路簡化圖Fig.3 Simplified diagram of LED drive main circuit

2.3 MCU控制電路

MCU控制芯片采用STM32F103C，根據采樣信號通過輸出PWM控制MPPT充電電路和LED驅動電路，具體控制流程見軟件系統設計部分。采樣電路將輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、LED電壓、LED電流、電池溫度、電池壓力信號轉換為可輸入MCU A/D模塊的電壓信號，電路基本采用精密電阻分壓+tlv274高精度運放隔離的方式，如圖4所示。采樣數據可存入E2PROM中，也可通過RS232、RS485、BLE等方式與外部設備進行通信，同時可在LCD中顯示；可通過按鍵選擇控制模式，包括時控、光控或PIR來控制路燈開關。

圖4 采樣電路Fig.4 Sampling circuit

3 軟件系統設計

如上節所述，軟件系統主要功能是對控制器的相關參數進行采樣轉換，從而為監控奠定基礎。由于太陽能LED路燈系統的鎳氫電池的充電和放電過程中，系統電流和電壓等參數變化都比較緩慢，所以為了減少MCU的計算量和降低功耗，每10 s進行1次參數采樣，并將采樣結果作為參數傳遞給監控函數。每次一進入監控函數，首先對電池的內壓力以及溫度進行檢測，如果這2個參數出現異常，則立即停止鎳氫電池的充電或者放電操作。如果這2個參數正常，則對當前晝夜情況進行判斷。當處于白天時，如果電池的端電壓小于電池充滿狀態時端電壓UBAT_Max，則對電池進行充電操作。路燈系統在夜晚且電池的端電壓大于電池放電截止電壓UBAT_Min時，則開啟LED路燈進行照明。系統流程如圖5所示。

圖5 程序主流程Fig.5 Main flow chart of the program

4 試驗結果分析

為方便設置輸入輸出參數，試驗采用30 V/5 A的直流電源代替太陽能電池板，采用30 A/150 W直流電子負載代替鎳氫電池。

4.1 主電路效率測試

測試了MPPT充電主電路中充電電流與效率的關系。設置輸入電壓30 V，設置充電電流分別為0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A、4 A，測得的充電效率與充電電流的關系如圖6所示。從圖6中可以看出隨著充電電流的增大，充電效率總體可以保持在90%～95%以上。

圖6 充電主電路中充電電流與效率關系Fig.6 Diagram of charging current and efficiency in charging main circuit

4.2 LED驅動電路效率測試

測試了LED驅動電路中PWM占空比與效率的關系。設置輸入電壓為24 V，在PWM占空比分別為 12.5%、25%，37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%條件下測得的LED驅動效率與占空比的關系如圖7所示。從圖7中可以看出隨著占空比的增大，LED驅動電路的效率也越來越大，當占空比在50%～100%時，其效率在90%～95%之間。

圖7 LED驅動電路中PWM占空比與效率關系Fig.7 Diagram of PWM and efficiency in LED drive circuit

5 結語

本文開發了一套基于STM32的太陽能LED路燈控制系統，并進行了效率測試實驗。試驗結果表明MPPT充電效率和LED驅動效率可達到90%～95%。該系統效率較高、功能豐富，具有一定的實用價值。

[1]王曉媛，齊維貴.我國城市道路照明節電技術研究與應用現狀[J].照明工程學報，2010（1）：12-18.

[2]王君.道路路燈安裝技術實踐[J].科學與財富，2013（4）：169-169.

[3]朱曉軍.并離網雙模式逆變器控制策略研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[4]馬群.太陽能路燈智能控制系統[D].洛陽：河南科技大學，2014.

[5]李孝揆，方少乾.基于LT8705的高性能 buck-boost模塊電源的研制[J].微型機與應用，2014（33）：33-36，39.