太阳能草坪灯控制系统研究与设计

【摘要】设计了一款低功耗、高性能的以STM32为核心的太阳能草坪灯控制系统，阐述了系统的工作原理和软硬件电路设计。该系统具有防过充、防过放、自动开启和关闭草坪灯的功能。将光敏元件采集到的信号送到STM32，由STM32自带的ADC实现对输入信号多通道同步模数转换，根据光照强度控制照明电路。蓄电池是太阳能草坪灯的唯一电源，通过限定其两端的电压，防止过充、过放，有效地保护蓄电池，延长其使用寿命。

【关键词】STM32；草坪灯；ADC；蓄电池

1.引言

随着能源危机的日益加重，太阳能光伏发电技术得到人们的重视。太阳能草坪灯以无须架设电缆、安装方便、美化环境等优点而受到越来越多的重视。但是现有的太阳能控制系统成本高，效率低，严重的制约了太阳能在节能灯方面的发展。本文设计了一款新型太阳能控制系统，该系统采用STM32芯片对照明系统进行控制，防止过充、过放，根据光照情况及时开关灯。该控制器在实现了多样化的道路照明同时获得了最佳的节能效果。

2.太阳能草坪灯的系统结构

如图1所示：太阳能草坪灯实质上是一个小型独立光伏系统，主要有太阳能电池板、蓄电池、控制电路、照明电路等组成。其中控制系统STM32是整个系统的核心，负责数据的处理和控制工作，它的性能好坏关系到整个系统是否能够正常运行。

3.硬件系统的实现

3.1 STM32芯片简介

STM32F103系列是以ARMv7构架的嵌入式处理器，它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片。它最高工作频率可达到72MHZ，具有512K字节的闪存和64K的SRAM。STM32的12位ADC为逐次逼近型模数转换器，各通道有单次、连续或扫描模式，转换的结果以左对齐或右对齐存储寄存器中。芯片内嵌2个12位的ADC，通道采样时间可编程，最快可达到1μs，每个ADC具有16个外部通道，具有转换速度快、精度高的优点。

3.2 控制电路

蓄电池是独立光伏系统必不可少电能存储器件，其放电深度和过充电程度都会影响蓄电池的寿命。蓄电池的放电深度随天气状况和季节的变化而变化。在天气晴朗或夏天时放电深度小，在天气阴沉或冬天放电深度大。为了提高蓄电池运行的稳定性和可靠性，系统对蓄电池充放电过程中的电压，当蓄电池充、放电到一定程度时，应停止对其充、放电。根据光敏电阻采集到的数据可以判定光照强度，从而可以控制开关段电路。数据采集控制如图2所示。

3.2.1 电压检测电路

在一种草坪灯的应用中选择了12V，4.5AH免维护蓄电池，蓄电池的正常应用10.8V～14.4V。设计为当电压低于10.8V或者高于14.4V时，控制电路关断蓄电池，防止过放、过充。利用电阻分压采样实时检测蓄电池电压，并经过低通滤波电路处理变换后，输入STM32的ADC通道，由STM32将模拟信号转换成数字信号，从而实现对充放电电路控制。

STM32的ADC输入范围是0～3.6V，将蓄电池最高电压定为14.4V，最低10.8V。当输入模拟电压低于阈值Umin或者高于阈值Umax时通过调整PWM脉冲控制三极管导通或关断从而控制电路的充放电。

3.2.2 温度检测

蓄电池的温度严重影响着其工作性能和使用寿命，蓄电池温度测量成为保护蓄电池的一种重要方法。蓄电池的容量随着温度的变化而变化，因此系统设计必须对蓄电池进行温度补偿控制。我们把采样温度参数与存储在STM32中的电压值进行比较，对蓄电池充、放电电压进行控制，从而保护蓄电池。

温度采集模块应用的是美国模拟器件公司生产的AD590，它的测温范围是-55℃～+150℃，它的电源电压范围是4-30V，可以承受4V正向电压和20V反向电压。AD590具有很高的精度，在其测温范围内它的非线性误差仅为±0.3℃。它产生的电流与温度成绝对正比，温度每增加1℃，输出电流增加1μA，具有很好的线形关系，足以满足本系统对温度检测的应用要求。

3.2.3 光控电路

该控制电路对数据精度要求不严格，我们可以利用光敏电阻在光照和非光照下其阻值的不同来实现。此电路采用GM5537光敏电阻，该电阻适合灵敏度高、精度要求不高的场合。在A/D转换中我们可以用STM32自带的ADC转换通道。

根据光敏电阻在不同的光照强度下的电阻值不同，可以实现白天光照强时自动熄灭、晚上光照弱时自动打开。为避免受到干扰，开关电路延时一分钟。

4.系统软件设计

该系统通过AD转换得到蓄电池的电压、温度参数，通过与STM32设定的阀值比较，当大于或者小于阀值时由芯片产生PWM脉冲来控制三极管的导通，从而控制蓄电池开通、关断，防止过充、过放，保护蓄电池，延长其使用寿命。该系统的软件设计主要包括：电压检测程序，光照检测程序，温度检测程序。

软件的控制程序主要包括ARM初始化、电压检测、光照检测、温度检测、数据判断等组成。控制系统的软件设计采用C语言编程，基于Keil μVision4开发环境。系统的流程如图3所示。

5.结束语

本文对太阳能草坪灯控制系统的软、硬件作了简单的介绍。太阳能控制系统把电池板、蓄电池以及照明设备联系起来，是太阳能草坪灯中最重要的一个环节。它的好坏直接影响到整个系统的性能和使用。

单片机根据采集到的电压、温度等参数发出控制信号，可以使充放电电路稳定有效的运行。本系统能够很好地实现电池的检测与保护以及准确地开关断照明电路，能够很好地节能环保。经研究分析，该系统能满足一般日常生活的需求。该系统结构简单，成本低廉，具有很高的推广使用价值。该系统还可以应用于庭院灯，广告箱，太阳能摄像头等。

参考文献

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注：本课题受山东科技大学2011-2012年度研究生科技创新基金项目（YCA110357）资助。