基于单片机的太阳能路灯控制器设计

朱荔

（浙江机电职业技术学院，浙江杭州，310053）

0 引言

太阳能路灯具有节能环保、无需铺设线缆、免维护和高性价比等优点，在城乡道路照明中得到了广泛的应用。太阳能路灯由光伏电池、蓄电池、控制器、LED 灯等几个部分组成。控制器性能好坏决定了太阳能路灯的整体性能。本文以AVR 单片机ATMEGA8 为核心设计了一款智能太阳能路灯控制器，能自动识别并匹配12V 和24V 两种规格的蓄电池，并根据环境温度优化充放电管理流程，延长蓄电池使用寿命；LED 路灯可以设置为定时开关、光照强度自适应开关等工作模式。控制器具有蓄电池过放过充、负载短路保护等功能，从而保证太阳能路灯的可靠运行。

1 控制器设计原理

系统结构如图1 所示，控制器主要由单片机系统（包含人机交互）、充放电控制电路、电压取样电路、温度传感器和DC/DC 宽电压范围稳压电源组成，完成蓄电池的充电与保护、路灯供电等功能。单片机循环检测光伏电池电压，按照一定的规则判断出白天还是黑夜。在白天的时候，断开LED 路灯供电回路，且根据蓄电池的电量和环境温度采取对应的充电方式；在黑夜的时候，开启LED 路灯供电回路，同时监控蓄电池电压、环境温度等参数，防止蓄电池过渡放电。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

■2.1 充电回路

光伏电池的伏安特性一般是非线性的，负载阻抗的匹配特性决定了光伏电池的利用效率。如图2 所示电路，由光伏电池B1、压敏电阻RV1、二极管SBD1、MOS 开关管T1、蓄电池B2 等组成并联充电拓扑结构，可以实现快速、平稳充电。MOS 管T1 由单片机“充电”引脚控制其导通和截止；导通则蓄电池停止充电；截止则电路给蓄电池充电。当蓄电池电压达到浮充电压值时，单片机控制MOS 管T1进入PWM 调制状态，有效保护蓄电池，防止过充。在选择开关管T1 时，根据光伏电池和负载的功率选择最大导通电流；根据PWM 调制的频率选择开关速度。为提高MOS 管T1 触发的可靠性，单片机PWM 控制信号经过光电耦合实现电平转换和模数隔离。压敏电阻RV1 起到防雷击浪涌的作用。二极管SBD1 为防反充二极管，防止夜晚或者阴雨天条件下蓄电池向光伏电池反向充电，同时也可防止光伏电池反接对控制器造成损坏。SBD1 选用具有低导通压降特性的肖特基二极管，能减少发热、提高系统效率。

图2 充放电主电路

■2.2 放电回路

如图2 所示电路，由蓄电池B2、保险丝F1、二极管D2、MOS 管T2 和路灯L1 等组成。当单片机“路灯”控制引脚输出低电平，光耦U2 导通输出高电平，触发MOS 管T2 导通，此时路灯L1 点亮；反之，路灯熄灭。蓄电池在充放电过程中出现过载、过流情况时，保险丝F1 可迅速熔断，保护电路不被损坏。保险丝F1 与二极管D2 配合还能起到防蓄电池反接保护的作用。

■2.3 电压取样电路

如图2 所示电路，光伏电池电压由电阻R1、R7 串联分压，经C1 滤波、D3 过压保护，输入单片机A/D 转换电路，计算太阳光线强弱，作为白天和晚上的标志信号。同样的过程，蓄电池电压由R2、R8、C2、D4 取样后，由单片机识别后对蓄电池进行充放电管理。

■2.4 单片机控制电路

单片机电路是太阳能路灯控制器实现智能控制的核心，电路如图3 所示。单片机选用AVR 系列ATMEGA8 低功耗单片机，内含RC 时钟电路、BOD 上电复位电路，只需连接电源引脚即可构成最小系统；内部有硬件PWM 模块，让蓄电池充电控制程序编写更简单。单片机芯片内部的EEPROM 数据掉电存储单元，让用户数据保存更方便；内部有6 通道10 位A/D 转换器，可以方便读取电池电压，及时获取充放电状态。

图3 单片机控制电路

四个LED 数码管动态扫描显示与两个轻触按键共同组成了系统的人机交互电路，信息读取直观方便。可以巡回显示光伏电池电压、蓄电池电压、控制器工作状态，也可以菜单式修改控制器各项参数。为了减少蓄电池电能消耗，在无按键操作20 秒后，数码管进入休眠熄灭状态；有按键操作后再次点亮显示。

铅酸蓄电池的过充电压、过放电压均随温度的变化而变化。在实际应用中不能使用固定电压值来判断蓄电池工作状态，必须采取温度补偿措施对蓄电池进行保护。图3 中，精密电阻R15 与NTC 热敏电阻R16 组成测温电路，将温度的变化转换成电压的变化，单片机通过A/D采样获取电压值，得到对应的环境温度参数，对蓄电池的过充、过放点电压值进行校正和补偿，从而保护蓄电池。

■2.5 稳压电源

基于单片机的太阳能路灯控制器的工作电源是蓄电池直接供电。考虑到控制器自适应12V/24V 蓄电池，本文设计了由DC/DC 芯片LM2596 组成的宽电压稳压电路，得到稳定、纯净的+5V 直流电源；克服了普通三端线性稳压电源效率不高、发热量大的缺点。电路如图4 所示。在实际制作时，电容C1、C2尽量靠近芯片引脚，以防电路产生振荡。

图4 DC/DC 稳压电源原理图

3 软件设计

软件是智能太阳能路灯控制器的灵魂，其设计在一定程度上决定了整个系统的可靠性和光伏电量使用效率。软件设计以AVR-GCC 开源编译器的Windows 集成开发环境WinAVR 为平台，用C 语言编写。控制器的程序主要包括主程序、A/D 转换程序、键盘扫描程序、数码管动态扫描程序、定时中断程序、EEPROM 读写程序和充放电管理程序等。主程序流程图如图5 所示，单片机启动后通过电压识别蓄电池12V/24V 规格，从EEPROM存储区载入对应工作参数，循环检测太阳能电池输出电压，相应进入白天、夜晚工作模式。在白天、夜晚模式识别时，要考虑环境光线的影响；本设计中主要是采取软件延时和电压回差法等数字滤波技术来滤除干扰。白天工作模式时，循环检测蓄电池电压、环境温度等参数，选择合适占空比的PWM 脉冲信号，实现蓄电池不同幅值的恒压充电及各保护点对应的控制动作。同样，夜晚工作模式时，循环检测蓄电池电压、环境温度等参数，在蓄电池不过放的情况下，点亮LED 路灯。

图5 主程序流程图

4 结束语

本文以单片机ATMEGA8 为核心设计的太阳能路灯控制器能根据环境温度和光照强度优化充放电管理流程，延长蓄电池使用寿命，自动适应季节变换，发热量小、效率高、成本低。所设计的控制器已经成功投产并应用于实际，工作性能稳定、可靠，有很好的市场推广价值和技术借鉴价值。