基于单片机控制的太阳能LED照明系统设计与实现

[摘 要]太阳能是当前可获得的一种可再生资源，将其应用在LED照明上，不仅节能环保，还符合我国可持续发展战略的要求，具有非常广阔的应用前景。本文设计了一种基于STC单片机的控制器，使太阳能LED照明系统更加实用，满足人们对高性能照明的要求。

[关键词]太阳能LED照明系统 单片机控制 设计

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0122-01

1.太阳能LED照明系统

太阳能路灯系统属于独立的太阳能光伏发电系统，其由太阳能电池板、蓄电池、灯具、控制箱、路灯杆等组成。该系统由太阳能电池方阵（ 包括电池支架）、路灯控制箱（ 内有蓄电池组、控制器等）、LED 照明灯头和路灯杆等几部分组成。 灯头部分采用1w功率的LED白光集成于电路板上排列为一定间距的点阵来作为平面发光源。LED 有 21 世纪新光源之称，是继白炽灯、日光灯、高压气体灯后的第四代光源，具有节能、光效高、寿命长、无频闪、直流供电、便于控制、安全、可靠性强等特点。 路灯控制箱箱体采用不锈钢材质，美观耐用，箱内布置铅酸蓄电池和相应的充放电控制元件，其中的充放电控制器和核心的设计环节，要考虑功能和成本，功能上具备光控、时控、过放保护、过充保护和反接保护等，实现较好的性价比。

2.控制器系统硬件设计

太阳能LED路灯控制器硬件电路包括蓄电池充电电路、LED恒流驱动电路、电源电路、单片机最小系统电路和温度采集电路等。

2.1 蓄电池充电电路

充电电路的具体设计如图1所示。本文采用MOSFET管取代二极管，即同步Buck。MOSFET管具有极低的导通电阻，可以实现比采用二极管高得多的转换效率，最大限度地减小太阳能的损失，且不会带来严重的散热问题[2]。为使MOSFET工作于最佳状态，其驱动电路采用IR公司的IR2101半桥驱动芯片来驱动两个场效应管工作，通过编程使STC15F2K61S2从CCP1_3、CCP2_3输出2路边沿对齐的50KHz互补PWM脉冲驱动同步Buck工作。

太阳能电池组件的电压、电流检测由单片机ADC2、ADC6模数转换通道完成，用以确定太阳能电池组件的输出功率，蓄电池电压的检测由单片机ADC0模数转换通道完成，作为蓄电池充放电状态信号。当蓄电池的电压低于13.2V时，采用扰动观察法实时调整PWM脉冲宽度，以太阳能电池组件输出最大功率对蓄电池进行快速充电，当蓄电池的电压高于13.2V而低于13.6V时，单片机控制Buck电路退出MPPT功能，使Buck电路变成恒压输出，并且以恒压方式对蓄电池进行慢速充电。当蓄电池的电压高于13.6V时，单片机控制Buck电路对蓄电池进行浮充充电。瞬态抑制二极管TVS为防雷管，太阳能LED路灯控制系统一直工作在户外，难免会遇到雷击，为此，系统在控制器的每两个接线柱之间接一个瞬态抑制二极管，有效保护控制器免受损坏。

2.2 LED恒流驱动电路

大功率LED恒流驱动电路的设计如图2所示，其核心器件是美国凌力尔特公司的LED专用恒流芯片LT3755，该芯片的输入电压范围为4.5～40V，可通过LED列的高压侧检测输出电流，输出电压为+2.9～60V，升压模式下的效率超过94%，使用PWM调光信号，调光比最大可达3000：1，使用CTRL引脚可进行10：1的模拟调光，具有开路LED保护、迟滞的可编程欠压闭锁和可编程软起动等功能。

3.系统软件设计

3.1 系统主程序

太阳能LED照明系统在智能控制器的作用下，白天，执行白天子程序;晚上，执行夜间子程序。通过对太阳能电池进行采样检测，判断白天黑夜对系统正常运行非常关键。

3.2 白天子程序

白天子程序主要是采样太阳能电池板电压和蓄电池电压，判断是否满足充电条件，再根据蓄电池电压的不同进入不同的充电阶段。在不同充电阶段，通过调整充电电压PWM脉冲的占空比来调整充电方式[3]。当蓄电池处于过放保护阶段时，采用直接充电方式;当蓄电池处于半饱和阶段时，采用脉宽调制PWM方式充电;直到蓄电池进入过充保护阶段时，停止充电。

3.3 夜间子程序

夜间子程序主要是根据采样太阳能电池板电压和蓄电池电压，判断蓄电池是否过放，当蓄电池电压高于过放保护电压时，蓄电池给LED灯供电;当蓄电池阳能电池板、蓄电池和LED灯合理地组合在一起，有利于太阳能在实际应用中的推广，响应了国家节能减排的倡导。

4.道路照明的规划设计

4.1 倾角设计

为了让太阳能电池在一年中接收到更多的太阳辐射能，提高太阳能的利用率，一定要结合当地的维度，合理设置太阳能电池组件的最佳倾角。

4.2 抗风设计

在太阳能路灯系统设计中，抗风设计是一个需要特别重视的问题，抗风设计主要包括灯杆的抗风设计和电池组件支架的抗风设计两大块。

4.3 灯具布置道路照明设计

应根据场所和道路的特点，并结合照明要求，选择高杆照明方式或常规照明方式。常规照明灯具的布置可分为双侧交错布置、双侧对称布置、单侧布置、中心对称布置和横向悬索布置五种方式，具体选择哪一种，要结合实际选择，采用常规照明方式时，应根据道路宽度、横断面形式及照明要求进行选择。

4.4 照明设计

对于现代社会，城市道路建设是城市建设的关键，夜晚色彩斑斓、交相辉映的灯光是现代城市经济发展和文明进步的象征，因此，道路照明与道路建设需同步进行。在规划设计上，需根据道路宽度和绿化隔离带情况，采用单排、双排或单、双臂照明，选用一定色调、高度、形状、灯杆的灯具与周围环境协调配置，使道路照明壮观、亮丽，真正成为城市亮点和旅游观光景点。

5.结语

总之，太阳能LED路灯照明系统是符合当前可持续发展战略要求的一种节能环保产品，实现了太阳能与绿色光源LED的完美结合，控制器以STC单片机为核心，可以有效调节电压、电源，可以有效防止因线路问题而造成意外事件的发生，具有成本低廉、设计可靠的特点，具有较高的发展优势和应用前景。

参考文献：

[1]张晓晖，杜学东.基于单片机控制的太阳能LED智能路灯照明系统[J].电子设计工程，2012，07：128-131.

[2]李薇.太阳能LED照明系统的研究[D].北京工业大学，2012.

[3]徐猛.太阳能LED照明系统设计与实现[D].南京信息工程大学，2014.