基于单片机的光伏路灯照明系统的设计与实现

杨 名

(哈尔滨市路灯管理处，哈尔滨 150001)

基于单片机的光伏路灯照明系统的设计与实现

杨 名

(哈尔滨市路灯管理处，哈尔滨 150001)

设计了一种基于单片机的光伏路灯照明系统，这个系统主要有太阳能电池、高效蓄电池、LED路灯以及路灯的控制器。路灯控制器使用的是高级单片机微处理器，主控制芯片能够确保对路灯进行有效的智能控制，有很多优点，比如稳定性特别的好，智能化水平非常高。

单片机；光伏路灯照明系统；设计；LED；太阳能

1 总体方案

光伏路灯照明控制器属于这个系统最重要的部分，处于核心地位,它在设计性能方面影响整体系统工作。光伏路灯照明系统主要结构可参考图1，虚线里面的部分就是光伏路灯照明重要的控制器，有主控制芯片、Scpic电路和VRLA蓄电池及采样电路。

图1 系统结构框图Fig.1 System block diagram

这个控制器主要是利用电路对太阳能电池的输出电流进行实际检测。ATmcga 1281主要是依照MPPT的算法PE4口输出进行控制的。将MPPT技术实现，也叫最大功率点跟踪，这个系统进行工作时可获得最大功率，有效地将路灯系统效率提升。

2 光伏路灯照明系统电源设计

光伏路灯照明系统里面的ATMEUA 128L与运算放大器进行结合使用的时候，必须要提供5 V的供电，这个电源主要是美国国家半导体公司生产的三端可调稳压芯片LM317的可调稳压电源。通常情况下，它的输出电压范围是1.25～37 V，最大负载电流是1.5 A。它在线性调整率方面比一般的稳压器要好得多。使用特别简单，主要用两个外接电阻就可以设置输出电压。

3 光伏路灯照明系统硬件设计

3.1 采样电路的设计

光伏路灯的照明系统在采样电路方面通常会采集太阳能电池与蓄电池产生的电压及电流。采样电压原理主要是根据电阻器进行分压，获得有效的电压值，然后通过运算放大器产出的电压与跟随器相分离。电流采样和以上讲到的电压采样在原理方面是基本相同的，工作人员应该在电池负极串联稍稍小一点的电阻，剩下的部分和电压的采样电路是一样的。

3.2 Sepi电路和它的驱动电路设计

光伏路灯照明系统里面的DC- DC斩波电路属于Scpic电路。这个电路和Buck电路比较会有更大的优势，它有更加宽泛的范围在输出电压。不管日照的条件是不是非常充足，也不管VRLA蓄电池内阻是大还是小，使用Scpic电路都可以让太阳能电池运行过程中发挥出最大功率，这样可以让系统的效率实现最大化目标。

3.3 UC3906的VRLA蓄电池充电电路设计

光伏路灯照明系统使用的VRLA蓄电池，它的充电专用芯片UC3906有一个很科学的设计，就是充电电路。它可以保证完成VRLA蓄电池最佳充电需要的所有控制功能。UC3906最大的特征是有着非常精确的基准电压，而且电压可以随着温度的改变而随时改变，它的这种变化规律是和VRLA蓄电池电压温度基本相同，这样可以让VRLA蓄电池在很宽泛的温度中获得一个最佳的充电状态。充电流程是这样的：输入电压Vin,完全接通后，Q2导通，再以最大的工作电流保持到恒流充电环节。当VRLA蓄电池的电压超过95%的过充电压来到过充电的状态，充电的电压保持恒定不变，充电电流慢慢下降。当充电电流降到过充电截止电流的时候，VRLA蓄电池就会进入到浮充阶段，这时电压指示灯发光，显示电量已经充满。

3.4 LED路灯驱动电路设计

光伏路灯照明系统通常情况下会选择功率比较大的恒流驱动芯片PAM2812，它输出的最大功率是30 W，可以足够满足路灯在照明方面的需求。这种芯片就是为了照明进行设计的，它有很多优点。过流、过压及过温保护。这个芯片工作频率主要有三个选择，500 kHz, 1 MHz, 1.6 MHz，由RT脚工作频率将电阻进行确定，主要是下面这个公式确定：

开关损耗是应该注意的问题。日常工作中需要注意减少开关损耗。工作过程中需要选择工作频率，一般是500 kHz，实际计算可以算出来，是RT=71.3 K。

4 光伏路灯照明系统软件设计

4.1 主程序设计

这个系统使用拥有很好移植性的GCC编译环境，针对模块化的设计思路，使用编程C语言做好程序的设计。每一个模块利用出入口的参数进行有效联系。使用模块化的思路，可以很好进行程序方面的修改，将程序开发的时间周期进行有效缩减。程序一般有主程序、初始化模块、信号采样模块，等等。

4.2 MPPT控制理论

MPPI控制手段主要使用的方法是：扰动观察法、恒定电压控制法、滞环比较法、模糊控制法。因为神经网络法与模糊控制法对硬件性能的标准非常高，通常情况需要考虑到成本问题，因此要降低成本，利用理论分析及实践来印证MPPI这个策略的实际效果。

光伏路灯照明系统想完成MPPI控制主要的环节是：利用滞环比较法锁定最大的功率点是在哪个区域，这样可以将增量法提高到最大功率点上。像这样的复合方法，会把滞环比较法和导纳增量法进行有机结合，很好解决了滞环比较法在最大功率点发生震荡的情况。在路灯照明系统里面，MPPI控制策略对提高能量转换效率有很大作用。

5 实验显示的结果

把光伏路灯照明系统放在楼顶开始测试，系统选定器件的各种参数参考下面的数据。太阳能电池的最大输出功率为25 W，额定工作电压18 V，最大电流 1.6 A，VRLA蓄电池参数是12 V 8 Ah。LED路灯选择20个1 W高的灯。

6 实验最后验证

对组合导航系统进行性能检验时，动态实验是具有决定性意义的测试项目。组合导航系统只有在动态实验中达到预先规定的导航精度，才能应用于现实工作。以地面车辆为载体进行动态导航实验，实验中，地面车辆有静止、直线行进、转弯和加速或减速行进等运动状态。路面不平也会引起小车颠簸，所以动态车载实验环境比实验室环境恶劣得多，其实验结果更能说明惯导系统的性能。所以，可以清楚地看到，这个系统使用的MPPI控制技术有很好的实际使用效果，而且它完全可以利用功率曲线算出太阳能电池板输出功率提高的数值，大约是4.5 W。

7 结语

设计的光伏路灯照明系统使用的是Scpic电路，实现了良好的控制技术。进行了很多实验，数据曲线可以很好说明控制器使用MPPT控制方案是非常合理的，有着很好的实际效果，它可以将太阳能电池使用的效率提高。这个系统能够确保路灯照明实际需求，它的稳定性也特别高，效率也是很高的，这些优点都会推动市场对其的需求，有很好的发展前景。

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[5] 周坤.基于光伏发电的LED照明系统的研与实现[D].葫芦岛：辽宁工程技术大学，2017.

Design and realization of photovoltaic street lighting system based on single chip microcomputer

YANG Ming

(Harbin Street Lighting Management Office, Harbin 150001, China)

A photovoltaic lighting system based on single chip microcomputer is designed. The system mainly includes solar cells, high efficiency battery, LED street lamp and street lamp controller. The streetlight controller uses an advanced single-chip microprocessor. The main control chip ensures effective intelligent control of the streetlight, which has many advantages, such as good stability and high level of intelligence.

Single chip; Photovoltaic street lighting system; Design; LED; Solar energy

2017-05-30

TM923

B

1674-8646(2017)14-0168-02