基于单片机的太阳能LED草坪灯控制器设计

【摘 要】本文介绍了基于单片机的太阳能草坪灯控制器，本系统使用mega128单片机作为控制器，利用蓄电池的充电特性采用三段式充电控制，放电过程采用恒压恒流驱动LED草坪灯。采用PWM控制DC/DC变换器中的开关元件MOSFET，具有过充、过放、过载保护的功能。本系统节能环保，具有很高的推广使用价值。

【关键词】太阳能；LED；草坪灯；单片机

0 引言

草坪灯广泛应用于广场、公园、别墅等绿化带，不仅起到了良好的照明作用也装点着人们的生活。目前常用的草坪灯光源有白炽灯、节能灯以及新型LED光源。其中LED光源发光效率高、耗电量少、安全可靠性强、有利于环保、寿命长，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍，这种光源必将成为未来照明的主流产品。再从草坪灯的供电上看，传统能源日益减少，而太阳能以其清洁可再生、蕴藏量巨大和普遍性受到了人们的关注[1]。因此太阳能供电、LED光源是草坪灯的好组合，体现了国家倡导的循环经济理念。

本文设计了一款基于单片机的太阳能LED草坪灯控制器，该系统采用单片机mega128芯片作为主控芯片，实现根据光照情况的蓄电池充电、放电；蓄电池保护，包括防止过充、过放、反冲；过载保护、温度补偿等智能功能。

1 系统构成

1.1 本系统能够实现以下功能：

（1）充电过程中，根据蓄电池的充电特性，采用三段式充电算法，提高蓄电池的使用寿命；

（2）根据光照情况自动开灯、关灯功能；

（3）蓄电池保护功能，包括防止过充、过放、反冲；

（4）PWM控制技术运用到充电电路中，提高充电效率；运用到LED草坪灯驱动电路中，调节LED光源亮度。

1.2 系统构成及工作过程

图1 系统构成框图

本系统的构成如图1所示，系统由太阳能电池板组件、蓄电池组、LED恒流驱动、LED草坪灯、单片机、检测电路以及相关保护电路构成。

其工作过程可以简述如下。单片机检测光照强度来判断白天还是黑夜。如果是白天，太阳能电池板将太阳辐射能转化为电能对蓄电池组进行充电，该充电过程中，单片机检测电池板的输出电压、充电电流、蓄电池电压和环境温度等信号，控制PWM功率驱动，实现最大功率点跟踪 （MPPT）充电和蓄电池的分阶段充电，以及相应的充电保护。如果检测到时黑夜，蓄电池对LED草坪灯放电，放电过程中，由单片机输出信号控制LED恒流驱动，LED草坪灯工作。同时单片机检测负载电流实现过载保护。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

本文将对充电电路和放电电路进行重点讨论，其他时控功能、温度补偿电路不再赘述。

（1）主控芯片介绍

ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。它具有128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、两路8 位PWM和6路分辨率可编程（1 到16 位）的PWM、8路10 位ADC；非常适合本设计要求。

（2）充电电路设计及其工作过程

充电电路采用可升降压控制的SEPIC拓扑结构电路，充电电路图如图2所示。SEPIC（single ended primary inductor converter）电路是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC/DC变换器。输出电压由主控开关的占空比控制。这种电路最大的好处是输入输出同极性，尤其适合于电池供电的应用场合，允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。输入输出电压与占空比的关系如式（1）所示。

Uo=■Ui=■Ui=■Ui（1）

图2 充电电路图

本设计中SEPIC电路中的开关元件采用MOSFET，通过改变加在MOSFET 控制栅极的脉冲宽度，即脉宽调制PWM控制，就可以改变太阳能电池板的输出电压。充电电路的脉宽调制策略采用符合蓄电池充电特性的三阶段充电：快充MPPT、过充和浮充[2]，从而提高充电的效率和延长蓄电池的寿命。检测太阳能电池板和蓄电池组的电压和电流情况，判断蓄电池的状态，从而由单片机发出不同阶段控制脉冲，实现优化充电以及充电保护。

（3）驱动LED电路设计及其工作过程

蓄电池组向LED草坪灯供电是放电过程，要保证LED有稳定的发光强度，就要保证流过LED的电流恒流且其正向电压恒压。为此其控制电路采用可升降压控制的SEPIC电路，设计电路图如图3所示。开关元件采用MOSFET，控制策略采用PWM控制。

图3中单片机控制输出PWM2，得到稳定的输出电压；单片机控制输出PWM3使LED实现恒流控制。检测R6处照明恒流驱动电流实现电流反馈及过载保护。

图3 放电电路图

图4 主程序流程图

2.2 软件设计

单片机程序控制设计主要有以下几个方面：系统初始化子程序、采样检测子程序（包括检测太阳能电池板和蓄电池组的电压、电流、LED恒流驱动电流、光照检测、温度检测）、充电子程序、放电子程序、MPPT算法子程序和保护子程序。系统主程序流程图如图4所示。

3 结论

本文介绍了基于单片机的太阳能草坪灯控制器的软、硬件设计。本系统使用mega128单片机作为控制器，利用蓄电池的充电特性采用三段式充电控制，放电过程采用恒压恒流驱动LED草坪灯。采用PWM控制SEPIC变换器中的开关元件MOSFET，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%。具有过充、过放、过载保护的功能。本系统节能环保，具有很高的推广使用价值。

【参考文献】

[1]李向欣.智能化太阳能LED照明系统设计[C]//峡两岸第十六届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集.2009：15-19.

[2]吴正茂.基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计[J].中国科技财富，2012（4）：36-38.