基于STM32的高效率太阳能LED路灯控制系统

薛家祥，沙幸威，罗海松

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

随着道路建设的不断完善发展，照明规模越来越大，随之带来的照明用电量也不断攀升，大约占我国总用电量的11%左右[1]。普通路灯的安装工程庞大，需要开沟埋线，而且容易受供电的影响，消耗的人力物力成本高[2]。太阳能作为清洁的可再生能源，分布广泛，储量丰富[3]，将太阳能用于路灯供电是解决上述问题的有效方式，太阳能路灯因此受到人们的广泛关注。传统的太阳能路灯的控制方式比较简单，功能单一，监控智能化水平低，无法满足现代照明路灯的管理要求[4]。因此本文设计了一种高效率的太阳能LED路灯控制系统，具有太阳能MPPT充电、LED驱动以及MCU智能监控等功能。目前，该控制器仍在试验阶段。

1 系统总体方案的设计

如图1所示，本文设计的太阳能LED路灯控制系统包括太阳能电池板、LED灯、镍氢电池、MPPT充电控制模块、防反接模块、LED驱动模块、MCU控制模块、采样模块。充电控制芯片采用LT8490，其片上的逻辑电路可实现自动对太阳能电池板最大功率点的跟踪以及根据输入输出反馈实现主电路升压、降压、升降压的模式转变，升降压功能基于LT8705降压-升压型控制器；太阳能电池板通过该充电主电路给镍氢电池充电，LT8490采用一种恒压恒流的（CCCV）充电算法，电池充电周期包含涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮动充电4个阶段；而镍氢电池给LED驱动电路以及MCU控制电路提供电源；当符合LED开灯条件时，由MCU控制LED路灯的开启；MCU采用STM32，对系统工作状态进行监控，具有数据采集存储、多种通信方式选择、RTC实时时钟、PIR控制、LCD显示功能。

图1 系统总体设计Fig.1 Diagram of the system overall design

2 硬件电路设计

2.1 MPPT充电主电路

主电路采用四管单电感的同步整流buck-boost电路，其简化电路如图2所示。M2、M4作为同步开关管取代了在常规Buck/Book电路中的续流二极管，M1～M4的驱动端分别接至 LT8490 的 TG1、BG1、BG2、TG2；R43为电感电流采样电阻，产生的采样电压经CSP、CSN输入LT8490的电流检测放大器。主电路的工作原理[5]：当输入电压Vin小于输出电压Vout时，电路应工作在升压模式，此时M1常开，M2常闭，M3、M4以一定的占空比交替开关；当Vin大于Vout时，电路应工作在降压模式，此时M4常开，M3常闭，M1，M2以一定的占空比交替开关；当Vin约等于Vout时，电路应工作在升降压模式，即在一个周期的前半段电路工作在升压模式，在该周期的后半段工作在降压模式。从而使该电路能在允许的输入电压范围内使输出稳定在设定值。

图2 MPPT充电主电路简化图Fig.2 Simplified diagram of the MPPT charging main circuit

2.2 LED 驱动电路

LED驱动电路的主电路采用常规的升压拓扑，将电池电压升压到LED的驱动电压，如图3所示。Q2是升压电路的功率开关管，其驱动端接至LT3756的16脚GATE，由GATE引脚控制Q2的开关。主电路的输出接LED灯的正端，其负端接至开关管 Q1，Q1的驱动端接至 LT3756的 1脚 PWMOUT。LED的亮度由其驱动电流大小决定，因此可以通过调节PWMOUT（通过8脚PWM）输出的占空比调节LED平均驱动电流，从而调节LED灯的亮度。LT3756的8脚PWM接至MCU的一个I/O口，MCU根据监控信息调节PWM的占空比，即可实现LED灯亮度的自由调节。

图3 LED驱动主电路简化图Fig.3 Simplified diagram of LED drive main circuit

2.3 MCU控制电路

MCU控制芯片采用STM32F103C，根据采样信号通过输出PWM控制MPPT充电电路和LED驱动电路，具体控制流程见软件系统设计部分。采样电路将输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、LED电压、LED电流、电池温度、电池压力信号转换为可输入MCU A/D模块的电压信号，电路基本采用精密电阻分压+tlv274高精度运放隔离的方式，如图4所示。采样数据可存入E2PROM中，也可通过RS232、RS485、BLE等方式与外部设备进行通信，同时可在LCD中显示；可通过按键选择控制模式，包括时控、光控或PIR来控制路灯开关。

图4 采样电路Fig.4 Sampling circuit

3 软件系统设计

如上节所述，软件系统主要功能是对控制器的相关参数进行采样转换，从而为监控奠定基础。由于太阳能LED路灯系统的镍氢电池的充电和放电过程中，系统电流和电压等参数变化都比较缓慢，所以为了减少MCU的计算量和降低功耗，每10 s进行1次参数采样，并将采样结果作为参数传递给监控函数。每次一进入监控函数，首先对电池的内压力以及温度进行检测，如果这2个参数出现异常，则立即停止镍氢电池的充电或者放电操作。如果这2个参数正常，则对当前昼夜情况进行判断。当处于白天时，如果电池的端电压小于电池充满状态时端电压UBAT_Max，则对电池进行充电操作。路灯系统在夜晚且电池的端电压大于电池放电截止电压UBAT_Min时，则开启LED路灯进行照明。系统流程如图5所示。

图5 程序主流程Fig.5 Main flow chart of the program

4 试验结果分析

为方便设置输入输出参数，试验采用30 V/5 A的直流电源代替太阳能电池板，采用30 A/150 W直流电子负载代替镍氢电池。

4.1 主电路效率测试

测试了MPPT充电主电路中充电电流与效率的关系。设置输入电压30 V，设置充电电流分别为0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A、4 A，测得的充电效率与充电电流的关系如图6所示。从图6中可以看出随着充电电流的增大，充电效率总体可以保持在90%～95%以上。

图6 充电主电路中充电电流与效率关系Fig.6 Diagram of charging current and efficiency in charging main circuit

4.2 LED驱动电路效率测试

测试了LED驱动电路中PWM占空比与效率的关系。设置输入电压为24 V，在PWM占空比分别为 12.5%、25%，37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%条件下测得的LED驱动效率与占空比的关系如图7所示。从图7中可以看出随着占空比的增大，LED驱动电路的效率也越来越大，当占空比在50%～100%时，其效率在90%～95%之间。

图7 LED驱动电路中PWM占空比与效率关系Fig.7 Diagram of PWM and efficiency in LED drive circuit

5 结语

本文开发了一套基于STM32的太阳能LED路灯控制系统，并进行了效率测试实验。试验结果表明MPPT充电效率和LED驱动效率可达到90%～95%。该系统效率较高、功能丰富，具有一定的实用价值。

[1]王晓媛，齐维贵.我国城市道路照明节电技术研究与应用现状[J].照明工程学报，2010（1）：12-18.

[2]王君.道路路灯安装技术实践[J].科学与财富，2013（4）：169-169.

[3]朱晓军.并离网双模式逆变器控制策略研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[4]马群.太阳能路灯智能控制系统[D].洛阳：河南科技大学，2014.

[5]李孝揆，方少乾.基于LT8705的高性能 buck-boost模块电源的研制[J].微型机与应用，2014（33）：33-36，39.