基于AVR单片机的太阳能路灯照明系统设计

王国义， 叶显钊， 高 超， 陈永煌

(安徽工程大学 机电学院信息工程系，安徽 芜湖 241000)

随着科技和经济的快速发展，传统的不可再生资源利用起来不仅污染环境，而且也无法满足人们对能源日益增长的需求。太阳能作为一种新的能源，取之不尽用之不竭，清洁无污染，被越来越多的人们关注并对其进行研究，在太阳能照明工程中，太阳能路灯是一个应用广泛、使用价值较高的典型工程。以往的太阳能路灯照明系统功能单一，对蓄电池的保护不够，不能满足人们对系统的智能化控制需求，在此设计基于单片机的太阳能路灯照明系统是一款智能化的控制系统，科学地采用不同百分比的PWM对蓄电池进行充电，负载的工作模式可以进行选择，以满足不同用户的控制需求，提高了系统的稳定性、可靠性，具有很高的应用价值。

1 太阳能路灯照明系统

太阳能路灯照明系统以ATMEL公司推出的精简指令集8位单片机ATmega 48为核心，低功耗、速度快，它有8路10位的ADC，可直接输入模拟量，6路的PWM用于控制输出。该系统包括太阳能电池，蓄电池、路灯、检测电路以及驱动电路等，太阳能电池接收光照将光能转化为电能，蓄电池负责储存电能并给路灯供电，检测电路检测太阳能电池，蓄电池和路灯的工作状况，驱动电路驱动功率开关管的导通与关断，负责给蓄电池进行充放电，系统拥有两种工作模式，它们分别是纯光控模式和光控加延迟模式，其工作模式通过按键设置。

2 系统硬件设计

2.1 充电电路设计

本文中的蓄电池采用铅酸电池，电池的充电方法目前常用的主要有恒压法充电、阶段法充电和恒流法充电，此3种充电方法对蓄电池的保护都不够，充电的质量不仅影响蓄电池的寿命还影响着蓄电池的容量。采用两个功率开关管串联的形式作为充电电路的控制器件，通过单片机ATmega 48的PB口输出高低电平来控制三极管的导通和关断，进而来驱动功率开关管的导通与关断，从而控制太阳能电池与蓄电池的回路接通给蓄电池进行充电，PB口输出的高低电平是根据控制需要通过单片机进行软件编程来实现的。如图1所示是充电电路。

2.2 放电电路设计

在夜晚到来时，路灯需要被点亮进行照明，此时蓄电池向负载路灯提供电能，在放电电路中用到了一个功率开关管，该型号为IRF3205S的场效应管是电压控制型器件，采用D2-PAK封装方式。根据系统的控制需求通过单片机软件编程控制PB0口输出高低电平，来驱动功率开关管的导通和关断，当功率开关管导通时蓄电池与路灯构成通路，蓄电池向路灯供电，路灯被点亮照明系统工作，反之路灯不被点亮。如图2所示是放电电路。

2.3 指示电路设计

为了更好地掌握系统的运行情况，通过指示电路实时的指示太阳能电池，蓄电池和路灯的工作状况，如图3所示为指示电路，3个指示灯的阴极分别接单片机的PD3、PD4和PD5口，根据实际工作控制的需求通过软件来设置单片机的PD3，PD4和PD5口的高低。D1绿色常亮表示有太阳光照射到太阳能电池板上，D1不亮表示没有太阳光；D2绿色常亮表示蓄电池工作正常，若出现绿色闪烁表示蓄电池已充满电；D3黄色常亮说明路灯正常工作，若D3黄色闪烁表示路灯过载或短路应立即切断负载，此时报警电路发出报警，提醒工作人员及时的断开路灯、进行维护。

图2 放电电路

图3 指示电路

3 系统软件设计

太阳能电池白天接收太阳光的照射并将光能转化为电能，在充电电路的作用下将转化的电能储存在蓄电池中，到了晚上蓄电池在放电电路的管理下对路灯放电，路灯被点亮进行照明，当白天再次来临根据系统事先设定的工作模式关闭路灯，当达到充电需求时对蓄电池再次充电。

3.1 主控程序设计

系统通过采集太阳能电池上的电压来确定是否点亮负载路灯进行照明，当确定是白天时，根据蓄电池所处的工作状态决定对蓄电池是否充电，若蓄电池处在已充满状态则不需要充电，若欠压状态采取直充，反之采用不同百分比的PWM进行浮充，充分地保护蓄电池；若是夜晚则执行相应的程序，把路灯点亮进行照明，路灯的工作模式是根据事先设定的模式确定是采用纯光控模式供电照明还是光控加延时模式照明。如图4所示是主控程序流程图。

图4 主控程序流程图

图5 PWM充电程序流程图

3.2 PWM充电程序

ATmega 48具有4种PWM输出模式，分别是普通模式、CTC模式、快速PWM模式和相位修正模式。利用比较寄存器OCR0A和OCROB存放比较数据，如表1所示对波形的发生模式WGM[2：0]和比较输出模式COM0x[1：0]的控制位进行设置，输出的PWM频率通过式(1)式计算可得：

(1)

式(1)中变量N代表分频因子，N=1、8、64、256、1 024。

表1 控制寄存器A—TCCR0A格式

根据蓄电池的端电压不同采用不同的充电模式，当蓄电池的端电压达到一定的数值时开始调用不同百分比的PWM子程序对其充电，这样做的目的就是为了改善充电效果和保护蓄电池。如图5所示是PWM充电程序流程图。

4 结 语

本文设计的太阳能路灯照明系统，依据太阳能电池上的光照强弱来判定是白天还是夜晚，根据白天还是夜晚来确定执行相应的程序；根据蓄电池所处的工作状态采用不同的充电方式，当蓄电池的端电压达到一定的数值时采用不同百分比的PWM对蓄电池进行充电，延长了蓄电池的寿命，提高了系统工作的效率和稳定性，具有较高的应用推广价值。

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