LED太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)

根據(jù)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能路燈控制器。詳細(xì)說(shuō)明了蓄電池充電控制及負(fù)載輸出控制的硬件設(shè)計(jì)原理，并采用三段式充電理論實(shí)現(xiàn)了控制器的軟件設(shè)計(jì)。控制器功能易于實(shí)現(xiàn)，滿足控制和環(huán)保節(jié)能的要求。

1、引言

太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用。LED具有體積小而堅(jiān)固耐用，耗電量低、使用奉命長(zhǎng)、環(huán)保、光色性能好等特點(diǎn)，有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當(dāng)于總投資規(guī)模超過(guò)2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者的結(jié)合更能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，降低市政成本，所以LED太陽(yáng)能路燈越來(lái)越受到人們的重視。

2、LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)如圖1所示，可以看出其由太陽(yáng)能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電和LED路燈五部分組成，其中太陽(yáng)電池用于把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)互電能，即白天時(shí)刻太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，并且可以根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端電壓的大小判斷光亮程度。也就是從太陽(yáng)電池電壓的大小來(lái)判斷天黑和天亮。蓄電池是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源設(shè)備，白天時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天系統(tǒng)和負(fù)載用電由蓄電池來(lái)提供。

圖1LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)

3、路燈控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能路燈控制器是太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，其功能設(shè)計(jì)的好壞決定了一個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。路燈控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能有：根據(jù)太陽(yáng)亮度，白天斷開(kāi)LED路燈而給蓄電池充電，晚上通過(guò)蓄電池給路燈供電，并能分時(shí)段進(jìn)行功率調(diào)整，在蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)切換到市電供電系統(tǒng)；防止蓄電池過(guò)充和過(guò)放，具有短路保護(hù)和反接保護(hù)功能等。

根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能，本文選擇STM8單片機(jī)對(duì)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)進(jìn)行控制。

單片機(jī)主要完成的功能包括檢測(cè)蓄電池兩端電壓并根據(jù)不同狀態(tài)采用不同的充電模式；判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式以及切換到市電供電系統(tǒng)。

路燈控制器中包括的電路模塊比較多，如電源模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊等等，而對(duì)整個(gè)控制器至整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)比較重要的是電壓檢測(cè)模塊及蓄電池充放電模塊及切換模塊。

3.1蓄電池充電控制電路

由控制器的實(shí)現(xiàn)功能知，白天太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，晚上或陰天用于LED路燈照明，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保節(jié)能的目的，所以蓄電池充電控制電路在太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)中具有重要的作用。本文采用斬波式PWM充電原理，單片機(jī)首先檢測(cè)蓄電池的兩端電壓，并與軟件中設(shè)定電壓相比較，進(jìn)而選擇不同的充電方式。具體的控制電路如圖2所示，其中中J1、J3分別為蓄電池和太陽(yáng)能電池的正極，單片機(jī)的口通過(guò)R20、R21及R18、R19分別對(duì)太陽(yáng)能電池電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換判斷，在滿足充電或停止充電條件下，單片機(jī)P0.3口給出充電控制信號(hào)，使三極管S導(dǎo)通或截止，即可實(shí)現(xiàn)蓄電池充電，具體可見(jiàn)程序設(shè)計(jì)部分。其中圖中D6為防反充肖特基二極管，避免當(dāng)蓄電池電壓高于太陽(yáng)能電池電壓時(shí)，蓄電池向太陽(yáng)能電池反充電。D7是一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)蓄電池反接時(shí)電路斷開(kāi)，保護(hù)蓄電池，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2蓄電池充電控制電路

3.2負(fù)載輸出控制電路

為了在夜間不同時(shí)刻采用不同的亮度，以達(dá)到節(jié)約電能的目的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，晚上12點(diǎn)以前兩盞LED皆亮，12點(diǎn)后一盞點(diǎn)亮，每路輸出均有立的控制和檢測(cè)。設(shè)計(jì)采用了PWM功率控制功能對(duì)LED燈具實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光。單路原理如圖3所示。其中單片機(jī)P0.6口給出控制信號(hào)，即P0.6=1時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，MOS管導(dǎo)通，蓄電池向路燈供電。在電量不足或白天時(shí)，控制端輸出低電平信號(hào)，切斷供電回路。夜晚蓄電池電量不足情況下由市電供電系統(tǒng)給LED路燈供電，保證系統(tǒng)的完整和可靠。

圖3負(fù)載輸出控制電路

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制器能自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的狀態(tài)，首先根據(jù)太陽(yáng)能電池兩端電壓檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)是白天還是黑夜，進(jìn)而選擇是充電模式或者放電模式。在充電模式中根據(jù)蓄電池兩兩端的電壓選擇不同的充電模式，如當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓（15V）時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電，此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓（13.2V）時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（13.2V）后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。

在放電過(guò)程中，首先保證在晚上12點(diǎn)前開(kāi)通兩路負(fù)載，12點(diǎn)后開(kāi)通一路負(fù)載，并且當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（11V）時(shí)，控制器自動(dòng)切換到市電供電系統(tǒng)或關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。因此，充電管理和放電管理是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容，充放電程序流程圖如圖4所示：

圖4充放電程序流程圖

5、結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，必將得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注和利用，高效環(huán)保的太陽(yáng)能LED路燈也將成為更多市政改擴(kuò)建工程的選擇。本文根據(jù)太陽(yáng)能路燈的控制需要，對(duì)太陽(yáng)能路燈控制器從硬件結(jié)構(gòu)及軟件開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該控制器具有抗干擾能力強(qiáng)、便于控制特點(diǎn)。