基于单片机的太阳能路灯照明控制系统设计

刘鑫　宋维波

摘 要： 针对当前资源能源供求不断紧张的局面，提出了一种基于单片机的太阳能路灯照明控制系统设计方案。太阳能路灯以太阳光为能源，白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载提供电能。实际应用表明，该系统工作稳定，运行良好，而且具有安全、节能、方便、无污染的特点。

关键字： 单片机； 太阳能； 路灯； 控制系统

中图分类号： TN29?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0157?03

Abstract： In view of problem of imbalance of energy supply and demand， a design scheme of the solar energy streetlights controller based on microcontroller is proposed in this paper. Solar energy streetlights feed on solar batteries. During the day， the solar battery charges up the battery. In the night， storage battery provides power for local load. The actual application shows that the system runs stable. It has properties of safety， energy?saving， sanity， convenience and non?pollution.

Keywords： microcontroller， solar energy； streetlight； control system

0 引 言

太阳能是干净、无污染且随处可得的能源，而且取之不尽、用之不竭。在化石能源日渐短缺的今日，选择太阳能作为替代能源是解决能源危机的有效途径之一[1]。太阳能路灯以太阳光为能源，白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作，工作稳定可靠，节省电费免维护[2]。

本文介绍的太阳能路灯照明控制系统，可以对常用型的12 V/24 V蓄电池自动识别。负载控制采用光控与时控相结合，光控点（5～7 V）可设定，时控0～14 h可选。光控开关有延时，低于光控点延时1～3 min开启负载，高于光控点延时1～3 min关闭负载，避免在夜晚受雷电、焰火、汽车灯光干扰。保护功能有充电保护、放电保护、反充保护、蓄电池反接保护、太阳能电池板反接保护、过载保护等。显示功能有充电显示、蓄电池荷电状态显示、负载工作显示、故障指示、输入输出端电流、电压指示等。本文详细论述了该控制系统的工作原理、系统硬件和软件的实现方法。

1 系统硬件电路设计

系统主要以单片机AT89S52为智能核心模块，外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块，负载驱动模块等组成。系统硬件结构设计如图1所示。

1.1 电源电路设计

该系统正常运行需要5 V电压，即把蓄电池电压（12 V/24 V自动识别）转换为系统所需的电压。系统采用蓄电池通过LM7805为系统运行供电。

1.2 键盘电路设计

键盘S1，S2，S3分别接在单片机P2.4，P2.5，P2.6上，其中S1为模式选择键，用来控制数码管显示的模式（蓄电池电压、太阳能电池板电压、负载工作时间三种模式）。S2，S3分别用来控制负载工作时间的增加和减少，每次增减长度为15 min。

1.3 显示电路设计

系统采用3个LED灯、4个数码管来实时显示系统工作状态。3个LED灯分别接在单片机的P2.8，P2.9，P3.0上，用来显示系统充电、放电、故障三种状态。4个数码管分别由P1.1，P1.2，P1.3、P1.4控制，其中1个数码管为模式管，用以指示当前显示的模式；其他3个数码管用来实时显示当前的太阳能电池电压、蓄电池电压或设定的负载工作时间。

1.4 蓄电池电压采样电路设计

蓄电池作为太阳能照明系统的储能环节，白天蓄电池将光伏电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。智能控制系统的电源也由蓄电池提供[3]。

蓄电池采样电路采用V/F转换器LM331。LM331是美国NS公司生产的性价比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0 V电源电压下都有极高的精度。同时动态范围宽，可达100 dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01%，工作频率低到0.1 Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度[4]。蓄电池电压采样电路如图2所示。

1.5 太阳能电池电压采样电路设计

太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需的电能。在白天光照条件下，光伏电池将所接收的光能转换成电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，输出端呈开路状态[5]。

通过对太阳能电池板电压的采集，可以判定太阳光线的强弱，从而识别出白天黑夜。该系统提供太阳能电池反接保护。太阳能电池板采样原理与蓄电池相同，采样电路如图2所示。

1.6 负载输出控制电路设计

负载控制电路由光电耦合器、绝缘栅双极晶体管等组成。绝缘栅双极晶体管简称IGBT，集MOS场效应晶体管和双极型功率晶体管的优点于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等特点。对于IGBT尤其重要的是驱动电路[6]。本系统采用光电耦合器驱动IGBT，负载输出控制电路如图3所示。

2 系统软件程序设计

本系统的软件程序设计主要包括主程序、蓄电池采样程序、太阳能电池采样程序、键盘处理程序、数码管显示处理程序、定时器处理程序、键盘处理程序、蓄电池分段式充电策略控制程序、负载供电电路控制程序等几部分。

2.1 主程序

主程序流程图如图4所示。

2.2 白天充电子程序

通过对蓄电池电压的采集，由单片机设定充电策略，从而更有效地、科学地使用蓄电池，对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命，起着非常关键的作用[7]。该控制器的充电电路采取了快充、过充和浮充三个不同阶段的充电方法。

（1） 快充阶段。充电电路的输出等效于电流源。电流源的输出电路根据蓄电池的充电状态确定。充电过程中，电路检测蓄电池端的电压。但蓄电池端的电压上升到转换门限后，充电电路转为过充阶段。

（2） 过充阶段。充电电路对蓄电池提供一个较高的电压，但充电电压上升到转换门限之后，认为蓄电池的电量已充满，充电电路转到浮充阶段

（3） 浮充阶段。充电电路给蓄电池提供一个准确的浮充电压[8]。

白天充电子程序（12 V系统）流程图如图5所示。

2.3 夜间放电子程序

夜间放电子程序主要对蓄电池进行放电保护，防止过放。12 V系统蓄电池负载切断电压是11～11.9 V（可调），24 V系统切断电压是22.8～23.8 V（可调）[9]。夜间放电子程序的另一个主要功能是控制开灯时间。夜间放电子程序如图6所示。

3 结 语

本文介绍的太阳能路灯照明控制系统，其控制器主要由充电，放电电路组成。充电电路实现了蓄电池的充电控制，放电电路实现了对蓄电池的保护，延长了蓄电池的使用寿命。基于单片机的能量管理电路通过检测外部环境状态和蓄电池能量，来选择系统工作状态，实现了整个系统的自动、稳定运行[10]。试验和运行结果表明，该太阳能路灯照明控制系统，具有高效、安全、节能、工作稳定的优点。

参考文献

[1] 吴理博，刘建政，王健，等.在太阳能路灯照明系统中的应用电力电子在太阳能路灯照明系统中的应用[J].电力电子，2003，1（2）：15?19.

[2] 王鹤，杨宏，王雪冬，等.延长阀控密封铅酸蓄电池寿命研究?过充电保护与温度补偿特性[J].电源技术，2001，25（3）：206?207.

[3] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[4] 郭廷玮.太阳能利用和前景[M].北京：科学普及出版社，1984.

[5] 赵为.太阳能光伏并网发电的研究[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[6] 李思贤.数位式单相低功率太阳光电能转换系统[D].台北：台湾中山大学，2003.

[7] 彭路明.新型太阳能路灯控制器设计与实现[D].乌鲁木齐：新疆大学，2003.

[8] 何利民.MCS?51系列单片机应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.

[9] 周永忠.功率MOSFET模块驱动电路[D].电力电子技术，1993，3（4）：10?15.

[10] 高满如.功率场效应管的驱动[D].电力电子技术，1994（2）：42?45.