新型太阳能路灯控制器设计

在能源短缺的今天，新能源技术的应用备受关注。太阳能路灯系统直接利用了太阳能作为能源，具有不受市电电网约束，安装方便且不消耗常规能源等特点，尤其适用于交通和普通电网覆盖不到的城乡结合处，因此受到了人们的喜爱和政府的高度关注。

太阳能路灯控制器最重要的控制功能表现在如下三个方面：(1)控制太阳能电池向蓄电池充电；(2)控制蓄电池向负载系统供电；(3)控制整个路灯系统的其他部件稳定地运行。

我们设计的控制器基于AT89C52单片机，通过对太阳能电池板和蓄电池电量进行检测，防止蓄电池过充与过放，延长了蓄电池的使用寿命，通过系统时钟确定路灯负载情况，使路灯工作更加人性化，从而延长系统的使用寿命，节约能源，具有较高的实用价值。

太阳能路灯控制器设计原理

太阳能路灯系统控制框图如图1所示。太阳能路灯系统必备组件包括：太阳能电池板、蓄电池、控制器和负载。其中，以AT89C52为核心的控制器控制着蓄电池的充放电。

1　太阳能电池板

太阳能电池板是将光能转化为电能的装置。太阳能电池端口具有电压检测装置，可以防止蓄电池的过电压充电，而且能有效地判断是否天黑，起到了光控原件的作用。

2　铅酸蓄电池

铅酸蓄电池充放电管理方式表述为：根据蓄电池剩余容量的数学模型和蓄电池的端口电压来确定其剩余电量，然后再自动地调整蓄电池的充电方式或者负载使用时间和工作强度，使负载始终与铅酸蓄电池剩余电量相匹配，以确保蓄电池不会过放电，从而延长铅酸蓄电池的寿命。

3　LED灯具的工作特性

LED具有对电压敏感的特性。当正向电压达到3.4V以后，只要稍微改变电压，正向电流呈指数形式变化。因此，LED采用的驱动方式为电流驱动。

太阳能路灯控制器硬件设计

1　太阳能路灯控制器总体设计框图

太阳能路灯控制器总体设计框图如图2所示。

2　太阳能路灯控制器各个模块

①主控芯片的选择

微处理器是整个控制器的智能核心。考虑到成本和性能，本系统选用AT89C52单片机。AT89C52是一个低电压，高性能8位单片机，片内含8K B的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器(RAM)。器件采用ATMEL~司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和F1ash存储单元，在电子行业中有着广泛的应用。

②电压采样模块的设计

在本系统中，所需要采样的电压主要是蓄电池的端口电压和太阳能电池的端口电压。本系统选用LM331作为A／D转换芯片，其原理框图如图3所示。

③系统时钟模块

本控制器可以根据季节的变化和昼夜的变化来调整负载的工作情况。采用DSl2C887作为系统时钟芯片，其能自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息。DS12C887时钟芯片带有128B的RAM，其中11B用来存储时间信息，4B的RAM用来存储控制信息，剩下113B通用RAM供给用户使用。

④蓄电池温度采样模块的设计

本系统选用的温度传感器为DS18820。它采用单总线协议，以数字码方式串行输出，大大简化了传感器与温度处理器的接口。DSl8820与单片机的连接如图4所示。

太阳能路灯控制器软件设计方案

根据控制器系统所要实现的功能，系统软件主要设计思路如下：首先由系统时钟芯片判断此时的季节，装载相应的季节参数。然后，再由系统的时钟芯片判断此刻的时间，按照时间装载相应的时间参数。接着，进行太阳能电池板的电压检测和蓄电池端口电压的温度检测和蓄电池环境温度检测，判断是否可以充电，进入充电控制子程序。最后，再次检测蓄电池的端口电压，进入到放电控制子程序中，控制蓄电池对负载的放电。对太阳能电池、蓄电池电压采样和蓄电池环境温度的采样方案：采样周期10s，采样30次，共计5分钟。判断所采的电压值是否达到相应的临界值，若达到则进行相应的子程序进行处理。

1　总体软件流程图

软件总体流程如图5所示。

2　主要子程序设计思路

时间判定子程序：由于日照时间长短与季节的变化有关。系统首先根据时钟芯片判断时间，设定相应的负载工作模式。时刻判定子程序如图6所示。

若无特殊情况，白天不开灯，太阳能电池给蓄电池充电，在傍晚，路人较多，采用双灯负载供给照明；在深夜，路人较少，采用单灯负载。此种负载工作方式考虑了人们的生活习惯，既满足照明需要，又达到了节约能源的目的。

充电控制子程序：为了使蓄电池达到最大充电效果，本系统采用脉宽调制的充电方式，充电方式如图7所示。通过单片机控制固态继电器在一个周期内导通与关断，从而达到脉宽调制充电的目的。系统首先进行太阳能电池板、蓄电池端口电压和环境温度的检测，然后根据蓄电池的荷电状态来确定太阳能电池给蓄电池的充电方式。具体实现方案是：检测蓄电池端口电压和周围环境温度，然后进行相应的计算处理，当蓄电池的剩余容量SOC80％时，采用充电方式2；蓄电池的剩余容量SOC>95％时，停止充电。充电控制子程序流程图如图8所示。

放电控制子程序：通过单片机与负载驱动电路的配合控制负载的工作状态。系统通过检测太阳能电池板电压来判断是否天黑，然后判断时间，装载相应的季节参数后进行蓄电池端口电压检测，再进行蓄电池荷电状态计算，根据负载状态进入相应的工作模式。此种放电方式优点在于保证蓄电池不会过放电，并且最大程度节约了能源。太阳能电池和蓄电池电压的检测方法：采用定时的方式，通过定时器1和2进行定时，太阳能电池电压每10s进行一次采样，然后判断太阳能电池电压是否达到临界电压。放电控制子程序流程图如图9所示。

结论

我们完成了基于AT89c52单片机的太阳能LED照明控制器的设计。解决了现阶段太阳能路灯照明系统中普遍存在的蓄电池寿命较短、系统稳定性和可靠性不足和系统能源效率不高的问题。本系统设计的太阳能路灯控制器同样可以用干独立的光伏发电系统中，若稍加改进还可以实现与市电的并网。