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

鄧智文

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

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

鄧智文

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文主要介紹的是基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，路燈的狀態(tài)控制是根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的目的主要包括了使得太陽(yáng)能電池板的效率實(shí)現(xiàn)最大化，同時(shí)還可以設(shè)置LED的工作顯示時(shí)間。

太陽(yáng)能 LED 單片機(jī)

1 引言

隨著社會(huì)信息技術(shù)的不斷的突破與進(jìn)步，人們追求節(jié)環(huán)保的意識(shí)逐漸的增強(qiáng)，可再生新能源越來(lái)越引起了人們的高度重視。目前市場(chǎng)上被認(rèn)為是最具有環(huán)保功能的燈是LED路燈，LED路燈的優(yōu)點(diǎn)是使用的壽命長(zhǎng)，有著豐富的色彩，安全性能高。同時(shí)太陽(yáng)能-LED路燈的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合了LED的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，綠色照明的實(shí)現(xiàn)是結(jié)合了能源的清潔特性和LED的高效率達(dá)到目的的。

現(xiàn)今，現(xiàn)實(shí)的生活中通常使用的路燈選擇的結(jié)構(gòu)是高壓鈉燈，在高壓鈉燈里面的電子驅(qū)動(dòng)中所要做的是進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)變，這個(gè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程是將交流向直流，接著轉(zhuǎn)變成交流，最終造成了系統(tǒng)的執(zhí)行效率過(guò)于低的結(jié)果。同時(shí)因?yàn)橛玫降氖鞘须姡虼嗽陔娏Φ慕ㄔO(shè)方面所用到的管線比較繁瑣。太陽(yáng)能-LED路燈能夠解決上面提出的一些難點(diǎn)，因?yàn)閺奶?yáng)能電池板中得到的結(jié)果電流是直流，同時(shí)作為直流驅(qū)動(dòng)光源中的一種，太陽(yáng)能-LED路燈實(shí)現(xiàn)綠化節(jié)能中是結(jié)合太陽(yáng)能以及LED路燈的優(yōu)點(diǎn)，從而大大地提高了系統(tǒng)的整體效率，使得市政府所投入的成本大大地減少了。

2 設(shè)計(jì)原理

通過(guò)太陽(yáng)能-LED路燈系統(tǒng)的原理圖能夠知道，當(dāng)太陽(yáng)能電池板經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光一定的光照之后，太陽(yáng)能電池板里面的PN結(jié)就會(huì)產(chǎn)生新型的電子空穴對(duì)，從而直流電流就會(huì)在一個(gè)回路里面形成。控制器中就會(huì)加入這個(gè)新的電流，而且控制器也可以有新的指令生成，當(dāng)充電蓄電池的時(shí)候。也就是當(dāng)白天的時(shí)候，蓄電池可以成功充電，同時(shí)當(dāng)晚上的時(shí)候，LED就會(huì)接收到能量。通過(guò)控制器完成LED的進(jìn)程，當(dāng)電流是恒流的時(shí)候，控制器就會(huì)對(duì)LED的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)還會(huì)對(duì)LED的工作時(shí)間進(jìn)行控制。當(dāng)天氣是陰天的時(shí)候，或者是蓄電池需要充電的時(shí)候，控制信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生，從而啟動(dòng)外部的供電系統(tǒng)，最終確保LED可以成功的運(yùn)行。外部的供電系統(tǒng)是后備能源中的一種，當(dāng)蓄電池中出現(xiàn)了需要充電的時(shí)候，需要對(duì)電池板進(jìn)行充電，而這個(gè)充電的過(guò)程是由太陽(yáng)能完成的，從而將太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)最大化。太陽(yáng)能-LED路燈系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能-LED路燈系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能電池板加入之后必須要用到直流變換器，也就是所謂的蓄電池充電電路，這個(gè)變換器在輸出的整個(gè)過(guò)程中必須先要經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲，從而連接蓄電池的兩邊。此時(shí)的元件中作用主要有2點(diǎn)組成，一方面是避免輸出的太陽(yáng)能電池低，從而形成反充電流的現(xiàn)象；另一方面是如果太陽(yáng)能電池板的極性出現(xiàn)反接的時(shí)候，電路就可以被保護(hù)。直流/直流變換器中的結(jié)構(gòu)I選擇的是降壓拓?fù)洌疫x擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候需要想到來(lái)自太陽(yáng)能電池板中的功率最大值，以及蓄電池的電壓最大值，此外還需要考慮到成本以及效率的因素。增加直流/交流變換器在LED與蓄電池中間之間，這個(gè)就是所謂的LED驅(qū)動(dòng)電路，在LED電路中的控制方式用到的是恒流。

圖2 系統(tǒng)總電路圖

3 控制器主要功能

控制器中的功能實(shí)現(xiàn)了蓄電池的充電和LED供電。當(dāng)電路在設(shè)計(jì)的時(shí)候是12V蓄電池為對(duì)象，該蓄電池的浮充充電是13.6V，放電電壓設(shè)置成12V。蓄電池的充電模式如表l所示。

表1 蓄電池充電模式

從表l中能夠得出充電模式，其中的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤算法存在多種，本文設(shè)計(jì)的電路所采用的方法是比較簡(jiǎn)單的。關(guān)于該控制方法的具體思想是根據(jù)充電電路開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比的增大以及減少來(lái)實(shí)現(xiàn)的，接著可以得出所輸出功率的值是增大還是減小，最終進(jìn)一步對(duì)占空比進(jìn)行設(shè)置。因?yàn)樘?yáng)能板中值的變化比較慢，因此這種方法可以起到很好的效果。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文選擇的單片機(jī)型號(hào)是STC12C5A16S2，該單片機(jī)是新型的，其中的組成成分有CPU、數(shù)據(jù)出出氣，看門(mén)狗以及I/O接口等。根據(jù)單片機(jī)里面中的AD采集鋰電池中的電壓數(shù)據(jù)，單片機(jī)P1.0就會(huì)接收到所采集到的相關(guān)，接著進(jìn)行了通過(guò)AD轉(zhuǎn)換計(jì)算。系統(tǒng)的總電路如圖2所示。

4.1 負(fù)載輸出控制電路設(shè)計(jì)

在負(fù)載控制的電路中組成部分包括了絕緣柵雙極晶體管以及光電耦合器等。其中的絕緣柵雙極晶體管可以縮寫(xiě)成IGBT，IGBT中的優(yōu)點(diǎn)主要是集合了雙極型功率晶體管，該IGBT具有速度快、輸入阻抗高以及熱穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，此外通態(tài)的電壓比較低而且耐壓性能也比較高。負(fù)載輸出控制電路如圖3所示。

圖3 負(fù)載輸出控制電路

5 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中用到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是反激式。設(shè)計(jì)反激式拓?fù)渫ǔＳ玫降纳龎阂约敖祲弘娐肥潜容^復(fù)雜的，當(dāng)系統(tǒng)的效率需要提高的時(shí)候，能夠根據(jù)蓄電池電壓的優(yōu)化以及LED電壓的關(guān)系從而達(dá)到電壓升高和電壓降低的目的，效率提高的時(shí)候還需要考慮到成本的降低。本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于單片機(jī)，單片機(jī)的作用具體的總結(jié)如下：首先是選用最大功率點(diǎn)跟蹤算法從而對(duì)太陽(yáng)能電池板的相關(guān)工作實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；另外一方面按照不同狀態(tài)的的蓄電情況，選擇合理的的充電方式；最后確保LED的驅(qū)動(dòng)電路中可以輸出恒流；對(duì)白天和黑夜進(jìn)行判斷，同時(shí)進(jìn)一步切換出蓄電池充電、放電的模式等。本文的軟件設(shè)計(jì)包括了主程序、鍵盤(pán)程序、采樣程序以及顯示程序等。

5.1 白天充電子程序

采樣蓄電池中的電壓值，由選擇合適的充電策略，進(jìn)一步有效且科學(xué)的用蓄電池，單片機(jī)在蓄電池的使用壽命中起到了很大的意義。本文的控制器中的充電電路中選擇的是充電方法是快充、過(guò)充以及浮充等。

5.1.1 快充階段

輸出充電電路在一定的程度是指的就是電流源。輸出電流源的電路是按照蓄電池目前的充電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。在充電的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)蓄電池端中的電壓被檢測(cè)。然而當(dāng)蓄電池端中的電壓達(dá)到了電壓的權(quán)限值份時(shí)候。從而充電電路就會(huì)向過(guò)充進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

5.1.2 過(guò)充階段

這個(gè)過(guò)程指的是將高電壓增加到充電電路中，然而當(dāng)充電電壓達(dá)到了一個(gè)最大值的時(shí)候，此時(shí)可以當(dāng)成是蓄電池的電量不需要再繼續(xù)充電了。也就意味著充電電路此時(shí)的階段是浮充。白天充電子程序如圖4所示。

圖4 白天充電子程序

結(jié)束語(yǔ)：隨著可用資源的不斷減少，以及溫室效應(yīng)的現(xiàn)象逐漸惡化，這些問(wèn)題的存在使得開(kāi)發(fā)新型的能源已經(jīng)迫在眉睫。開(kāi)發(fā)新型的太陽(yáng)能這對(duì)于環(huán)保問(wèn)題的解決有著很大的意義，由于太陽(yáng)能資源的豐富，從而太陽(yáng)能在開(kāi)發(fā)可再生能源中具有豐富的價(jià)值。本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括了負(fù)載輸出控制電路設(shè)計(jì)。

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