太阳能LED路灯控制器的设计

程来星，卢丽娟，江 超

（1.黄石职业技术学院 湖北 黄石 435003；2.湖北师范学院 物电学院，湖北 黄石 435002）

太阳能作为一种新兴的绿色能源，已经得到了广泛的应用，其中以太阳能路灯应用为代表的道路照明工程越来越多的地方被各级政府所看好。太阳能路灯具有易控制、清洁环保无需电费开支及不需要架设输电线路等多方面的优点[1]。太阳能路灯系统由光伏电池极板、蓄电池、照明灯具和控制器等几个部分组成。一般情况下，太阳能路灯系统蓄能装置采用蓄电池，由于铅酸蓄电池具有储能多且成本低等优点，应用最为广泛。但是充放电状态直接对铅酸蓄电池寿命影响，若充电电压不当或铅酸蓄电池使用不当等情况出现，则铅酸蓄电池的寿命就会急剧缩短[2]。为了解决这些问题，设计了一款太阳能LED路灯控制器。

1 太阳能路灯系统的组成

一个完整的路灯系统由4个部分组成[3]：太阳能电池、蓄电池（锂电池）、控制器、LED照明灯。日照时，利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，产生一定电压的充电电流，通过太阳能控制器对储能蓄电池进行充电。夜晚，当日照光线强度减弱到一定程度时，太阳能电池板开路电压下降到设定值，太阳能控制器检测到这一电压值后，光控自动启动，由蓄电池通过控制器向负载供电[4]。

路灯蓄电池选用锂离子电池。锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。锂电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 1.5～2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。但对于锂电池的充电过程，要求是比较严格的。锂电池的充电过程包括 3个阶段[5]：1）如果开始充电时，电池电量很低（例如低于2.7 V），那么必须用小电流（大概为100 mA）开始充电，即涓流充电。如果电压高于2.7 V就不必进行这个步骤。2）当电池电压大于2.7 V可以开始大电流充电，恒流充电。随着充电的进行，电池电压逐渐升高。3）当电池电压达到或接近充满电压（如4.2 V左右）时，则要开始转入恒压充电；当电流减少到大概10 mA左右，则停止充电。由此可见，对于锂电池充电过程的控制，电压电流的检测是非常关键的。

图1 太阳能LED路灯系统Fig.1 Structure diagram of the solar LED street lamp system

蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜[5]。太阳能控制器的作用是控制路灯的工作状态，主要功能有白天根据蓄电池电压的大小分阶段给蓄电池充电，当光照强度降低到某一设定值时，充电电路断开，蓄电池给LED灯放电，另外还具有过充保护、过放保护、光控启闭LED灯等功能。

2 太阳能LED路灯控制器的设计

太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，其功能设计的好坏决定了一个太阳能路灯系统运行情况的优劣。路灯控制器需要实现的功能有：1）蓄电池过充电保护功能：白天给向蓄电池充电，当蓄电池端电压升高到4.2 V时，控制器自动切断充电回路，防止过充电，保护蓄电池，延长其寿命。2）蓄电池过放电保护功能：夜晚蓄电池在控制器的控制下向LED路灯供电，当蓄电池端电压降低到2.7 V时，控制器自动切断LED路灯，避免蓄电池过放电。3）智能充电及负载开关过程采用光控自动开关功能：夜幕降临时，自然光照亮度低于室外照明亮度要求，控制器自动打开太阳能路灯开关，蓄电池向路灯供电。当光照再次达到某一设定值后，控制器控制太阳能路灯自动熄灭，节省用电。该控制器的实现过程是通过光控电路对光照强度的检测，判断是白天还是晚上，然后将数据传送给单片机，控制到底是充电电路工作还是放电电路工作。根据需要实现的控制功能，该方案选择STC90C52单片机对太阳能LED路灯系统进行控制。

单片机主要完成的功能包括检测蓄电池两端电压并根据不同状态采用不同的充电模式；判断白天黑夜并以此来切换蓄电池充电和放电模式。路灯控制器中包括的硬件电路模块比较多，如单片机最小系统、负压电路、供电电源等等，如图2所示。单片机最小系统包括单片机、复位电路、晶振时钟电路[6]。本设计采用的核心控制器是宏晶公司生产的STC90C52AD单片机，该系列系列单片机指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以随意选择，内置看门狗，超强抗干扰，轻松过4 400 V快速脉冲干扰（EFT）。内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6 MHz时，该复位电路是可靠的。自带8路A/D和2路PWM功能，更让控制器的外围电路变的精简。特别的是该系列单片机支持ISP（在系统可编程）和IAP（在应用可编程），开发无需高价的专用编程器和专用仿真器，给本控制器的设计开发带来极大的方便。

充放电控制电路如图3所示，由于TL431的参考端输出电压是稳定在2.5 V，所以通过单片机控制R9一端的电压从而改变流过R4的电流，进而改变R4上面的压降，从而使B点的电压可调。关于电路自动调节的原理，可以这样解释：根据TL431的特性，当参考端的电压大于2.5 V时，TL431阴极和阳极之间的电流会急剧增大，也即其等效电阻减小，从而使三极管的基极电压减小，射极B点电压减小，从而使A点电压下降；同理，当参考端的电压小于2.5 V时，TL431阴极和阳极之间的电流会急剧减小，也即其等效电阻增大，从而使三极管的基极电压增大，射极B点电压增大，从而使A点电压升高，也即A点电压始终稳定在2.5 V。这样，通过控制单片机输出PWM可调电压的大小就可以控制蓄电池的充电过程，而单片机输出的PWM电压又是根据对流经蓄电池的充电电流和电池两端的充电电压的检测运算得到，所以整个充电过程就是一个智能的循环控制过程。

控制器能自动检测当前的状态，首先根据光控电路检测当前状态是白天还是黑夜，进而选择是充电模式或者放电模式。在充电模式中根据蓄电池两端的电压及流过蓄电池的电流选择不同的充电模式。首先要检测电池的电压是否低于2.7 V，当电池的电压低于2.7 V的时候就要进行预充电，通常都是以100 mA的电流充10分钟左右，这是一个“小电流激活”的阶段，当电压低于2.7 V时，电池正极的锂离子很少，电池的活性低，这时候就算你给一个很大的电流，电池内部也没有足够的离子搬运，相反这会给电池带来负担，所以这个阶段是电压很低的时候必须有的，但是一般情况下，上一次电池不至于过放，电池的电压也不会降到这么低。当电压高于2.7 V而又小于4.2 V时进入到第二个阶段恒流充电，即电流一定，而电池电压随着充电过程逐步升高，当电池端电压达到4.2 V，改恒流充电为恒压充电，即电压一定，电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续逐步减小，当减小到10 mA时，认为充电终止。在放电过程中，首先保证当蓄电池电压低于保护电压（2.7 V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏，当电压高于这个电压值时，给LED灯放电，当光照强度再次到达某一设定值时，自动关闭路灯系统，节约用电。因此，充电管理和放电管理是系统软件设计中的主要内容，充放电程序流程图如图4、5、6所示。

图2 太阳能LED路灯电路Fig.2 Solar LED street lamp system circuit

图3 充电控制电路Fig.3 Charging control circuit of the storage battery

3 控制器调试结果

经调试，该控制器可以完成最初的目标功能:白天，可以给蓄电池充电，充电过程可根据蓄电池两端的电压和流经电池的电流来智能的控制蓄电池分阶段的进行充电，当电池的电压低于2.7 V，以100 mA的电流给电池预充电10分钟左右；当电压高于2.7 V而又小于4.2 V时进入到恒流充电阶段，即以一个恒定的500 mA大电流给电池充电，而电池电压随着充电过程逐步升高；当电池两端电压达到4.2 V，进入恒压充电阶段，即电压一定，电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续逐步减小，当减小到10 mA时，认为充电终止，充电指示灯熄灭，此时关闭充电电路，保护电池过充。当用手捂住光敏电阻时，此时的光照强度低于某一特定值，认为是晚上，充电电路关闭，放电电路工作，LED灯被点亮，当电池两端电压低于2.7 V时，切断放电电路，保护电池过放。

图4 控制器主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

图5 放电控制子程序流程图Fig.5 Flow chart of discharge control subprogram

图6 充电控制子程序流程图Fig.6 Flow chart of charging control subprogram

从图7可以看出，该控制器的充电电压在2.7～4.2 V之间，正在进行恒流充电阶段，此时的充电电流为500 mA左右，显示的充电电压为3.98 V，而用万用表测出来的实际充电电压为3.95 V，存在0.03 V的误差，主要由AD的只有8位的精度导致。图8为恒压充电阶段，此时充电电压已经达到4.2 V，充电电流从500 mA减小到了187 mA。如图9所示，此时电已经充满，控制器显示charge OK。如图10所示，当两个光敏电阻被遮住时，光照强度降低都某一特定值，此时，放电电路开始工作，LED灯点亮，1602显示放电状态。

图7 恒流充电阶段Fig.7 Constant-current charging phase

图8 恒压充电阶段Fig.8 Constant-voltage charging phase

图9 电池充满Fig.9 Charging OK

图10 放电阶段Fig.10 Discharging phase

4 结束语

根据太阳能路灯的控制需要，对太阳能路灯控制器从硬件结构及软件开发方面进行了设计，用简单电路检测充放电电压电流，然后由单片机根据采集到的充放电电压电流参数，发出各种控制信号，实现充放电控制，使充放电系统能稳定有效地运行，更好地保护了锂电池。该控制器具有控制精准、抗干扰能力强、可控性强等特点，同时因为充电控制采用的是并联式三端稳压管TL431实现的闭环控制调节，使得系统调节时间很快。

[1]李春鹏，张廷元，周封.太阳能光伏发电综述[J].电工材料，2006（3）:45-48.LI Chun-peng，ZHANG Ting-yuan，ZHOU Feng.Summarize of the solar energy light-voltage generating electricity[J].Electrician Material，2006（3）:45-48.

[2]张鹏.太阳能高效路灯系统工作原理与设计 [J].阳光技术，2009（24）:20-22.ZHANG Peng.Operation principle and design of the solar street lamp system[J].Sunlight Technique，2009（24）:20-22.

[3]朱德海，胡西多等.太阳能路灯充放电控制器的设计[J].数字技术，2010（3）:30-31.ZHU De-hai，HU Xi-duo.Design of the charging-discharging controller of solar energy street lamp[J].Digital Technique，2010（3）:30-31.

[4]江晓.浅谈太阳能路灯[J].日用电器，2009（8）:8-10.JIANG Xiao.Dicussion of the solar street lamp system[J].Daily Eletricity Equipment，2009（8）:8-10.

[5]沈国良，赵旭升.太阳能光伏发电系统的原理及其发展[J].科技创新导报，2008（1）:7-9.SHENGuo-liang，ZHAOXu-sheng.Principle and development of the solar energy light-voltage generating electricity system[J].Science and Technology Innovation Herald，2008（1）:7-9.

[6]张迎新.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.