高效太阳能LED照明系统的设计

摘 要 为了更有效利用太阳能和更好地对蓄电池充电，设计了以单片机STC12C5204AD为控制芯片，采用内带最大功率跟踪集成电路SM72442和光伏驱动集成电路SM72295为核心对蓄电池充电的Buck电路，利用LED驱动集成电路LM3429设计LED驱动电路的太阳能照明系统。该系统具有高效率的特点，可用于边远缺电的农村地区。

【关键词】太阳能 最大功率跟踪 单片机 照明系统

在能源日益紧张，污染严重的今天，太阳能作为一种清洁、可持续利用的能源，引起大家的重视，得到了开发和应用。太阳能发电技术是太阳能开发的一个重要方面，常以LED照明技术相结合，构成不受区域限制的照明系统，广泛应用。照明系统通常由太阳能电池板、控制系统、蓄电池和LED等构成，由于太阳能电池板输出的太阳能会受环境的影响，如何跟踪最大功率点，提高太阳能利用效率，成为大家关注的问题。另一方面，如何更好控制蓄电池的充放电，延长蓄电池的寿命，节约成本，也是设计者需要关系的方面。为此，本文提出了一种新的太阳能照明系统。该系统利用最大功率点跟踪芯片与单片机相结合，有效地提高太阳能利用效率和蓄电池的充放电控制的问题。

1 太阳能照明系统的组成

本文提出的太阳能照明系统的如图1所示，由太阳能电池板、充放电控制电路、LED灯具、蓄电池和辅助电源五个部分组成，其中最为关键的部分是太阳能充放电控制电路，太阳能充放电控制电路包括单片机、温度传感器、最大功率点跟踪电路、LED照明驱动电路和辅助电源五个部分。太阳能充放电控制电路根据太阳能电池板的电压判断白天和夜晚；白天，将太阳能电池板太阳能转换为电能，太阳能充放电控制电路为了提高太阳能转换效率进行最大功率点跟踪，还根据蓄电池的充电特性进行充电；夜晚，太阳能充放电控制电路驱动LED灯具发光；太阳能充放电控制电路还具有蓄电池保护和温度补偿的功能。

2 太阳能充放电控制电路

太阳能充放电控制电路是太阳能照明系统的核心部分，太阳能充放电控制电路设计的好坏，关系到太阳能的利用效率和蓄电池的使用寿命。下面，按实现的功能将太阳能充放电控制电路分为太阳能充电控制电路、LED恒流驱动电路和电源电路三大块来介绍。

2.1 太阳能充电控制电路

太阳能充电控制电路如图1所示，为了提高太阳能的利用效率，采用了TI公司最新生产SM72442和SM72295两款的集成电路，SM72442是一款光伏专用集成电路，内部集成了MPPT算法，具有极高的转换效率，由于SM72442的输出电流较小，为了推到开关管工作，采用光伏全桥驱动芯片SM72295与之配合，外加开关管构成Buck电路，驱动开关管工作。

为了更好地对蓄电池充电，这里采用单片机STC12C5204AD控制集成电路SM72442对蓄电池充电，单片机STC12C5204AD根据温度传感器DS18B2采集的温度和集成电路SM72442传送来的电压和电流，实时设置充电的最高电压、最大电流传送到集成电路SM72442，利用电压比较器SM72375构成电流限定电路来实现蓄电池三段式充电。

2.2 LED恒流驱动电路

LED驱动电路是太阳能照明系统的重要组成部分，故采用TI公司生产的恒流驱动LED集成电路LM3429来构成。电路如图3所示，当单片机STC12C5204AD通过P1.3采集到太阳能电池电压低于5V，认为处于夜晚，P1.5输出个低电平，让继电器闭合，蓄电池就接到LED恒流驱动电路。由于蓄电池电压不是固定的，因此，利用集成电路LM3429构成Buck-Boost电路，图中C11为输入电容，C14为输出电容，L2为储能电感，D3为续流二极管，在此采用模拟调光，改变R7的电阻，可实现亮度调节。

2.3 电源电路

由于电路需要+10V和+5V的电源，而能提供电源的蓄电池为10.8V―14.5V，不能直接提供给电路使用。因此，如图4所示，采用SM72845与电容、电感和电阻构成开关电源产生+10V电压，然后利用线性稳压集成电路和电容产生+5V电压，为整个电路提供稳压电源。

3 系统的软件设计

为了配合硬件电路工作，还需进行软件设计，系统的软件流程图如图5所示。

4 总结

该系统经测试充电效率近90%，并且具有较好的照明效果，可用于边远缺电的农村地区。而且，该系统还具有较强的拓展性，不仅可通过改变采样电阻，实现输出电压的改变，而且还可利用集成电路SM72442的多地址特性实现分布式优化。

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作者简介

许碧荣（1973-），男，福建省诏安县人。硕士学位。现为武夷学院机电工程学院教授。

作者单位

武夷学院机电工程学院 福建省武夷山市 354300