基于單片機(jī)的太陽能LED草坪燈控制器設(shè)計(jì)

于 莉

（天津城市職業(yè)學(xué)院，中國 天津 300251）

0 引言

草坪燈廣泛應(yīng)用于廣場、公園、別墅等綠化帶，不僅起到了良好的照明作用也裝點(diǎn)著人們的生活。目前常用的草坪燈光源有白熾燈、節(jié)能燈以及新型LED光源。其中LED光源發(fā)光效率高、耗電量少、安全可靠性強(qiáng)、有利于環(huán)保、壽命長，可連續(xù)使用10萬小時(shí)，比普通白熾燈泡長100倍，這種光源必將成為未來照明的主流產(chǎn)品。再從草坪燈的供電上看，傳統(tǒng)能源日益減少，而太陽能以其清潔可再生、蘊(yùn)藏量巨大和普遍性受到了人們的關(guān)注[1]。因此太陽能供電、LED光源是草坪燈的好組合，體現(xiàn)了國家倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的太陽能LED草坪燈控制器，該系統(tǒng)采用單片機(jī)mega128芯片作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)根據(jù)光照情況的蓄電池充電、放電；蓄電池保護(hù)，包括防止過充、過放、反沖；過載保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)戎悄芄δ堋?/p>

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）充電過程中，根據(jù)蓄電池的充電特性，采用三段式充電算法，提高蓄電池的使用壽命；

（2）根據(jù)光照情況自動(dòng)開燈、關(guān)燈功能；

（3）蓄電池保護(hù)功能，包括防止過充、過放、反沖；

（4）PWM控制技術(shù)運(yùn)用到充電電路中，提高充電效率；運(yùn)用到LED草坪燈驅(qū)動(dòng)電路中，調(diào)節(jié)LED光源亮度。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

本系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)由太陽能電池板組件、蓄電池組、LED恒流驅(qū)動(dòng)、LED草坪燈、單片機(jī)、檢測電路以及相關(guān)保護(hù)電路構(gòu)成。

其工作過程可以簡述如下。單片機(jī)檢測光照強(qiáng)度來判斷白天還是黑夜。如果是白天，太陽能電池板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能對蓄電池組進(jìn)行充電，該充電過程中，單片機(jī)檢測電池板的輸出電壓、充電電流、蓄電池電壓和環(huán)境溫度等信號(hào)，控制PWM功率驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)充電和蓄電池的分階段充電，以及相應(yīng)的充電保護(hù)。如果檢測到時(shí)黑夜，蓄電池對LED草坪燈放電，放電過程中，由單片機(jī)輸出信號(hào)控制LED恒流驅(qū)動(dòng)，LED草坪燈工作。同時(shí)單片機(jī)檢測負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文將對充電電路和放電電路進(jìn)行重點(diǎn)討論，其他時(shí)控功能、溫度補(bǔ)償電路不再贅述。

（1）主控芯片介紹

ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。它具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4K字節(jié)的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、兩路8位PWM和6路分辨率可編程（1到16位）的PWM、8路10位ADC；非常適合本設(shè)計(jì)要求。

（2）充電電路設(shè)計(jì)及其工作過程

充電電路采用可升降壓控制的SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，充電電路圖如圖2所示。SEPIC(single ended primary inductor converter)電路是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DC/DC變換器。輸出電壓由主控開關(guān)的占空比控制。這種電路最大的好處是輸入輸出同極性，尤其適合于電池供電的應(yīng)用場合，允許電池電壓高于或者小于所需要的輸入電壓。輸入輸出電壓與占空比的關(guān)系如式（1）所示。

圖2 充電電路圖

本設(shè)計(jì)中SEPIC電路中的開關(guān)元件采用MOSFET，通過改變加在MOSFET控制柵極的脈沖寬度，即脈寬調(diào)制PWM控制，就可以改變太陽能電池板的輸出電壓。充電電路的脈寬調(diào)制策略采用符合蓄電池充電特性的三階段充電：快充MPPT、過充和浮充[2]，從而提高充電的效率和延長蓄電池的壽命。檢測太陽能電池板和蓄電池組的電壓和電流情況，判斷蓄電池的狀態(tài)，從而由單片機(jī)發(fā)出不同階段控制脈沖，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化充電以及充電保護(hù)。

（3）驅(qū)動(dòng)LED電路設(shè)計(jì)及其工作過程

蓄電池組向LED草坪燈供電是放電過程，要保證LED有穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度，就要保證流過LED的電流恒流且其正向電壓恒壓。為此其控制電路采用可升降壓控制的SEPIC電路，設(shè)計(jì)電路圖如圖3所示。開關(guān)元件采用MOSFET，控制策略采用PWM控制。

圖3中單片機(jī)控制輸出PWM2，得到穩(wěn)定的輸出電壓；單片機(jī)控制輸出PWM3使LED實(shí)現(xiàn)恒流控制。檢測R6處照明恒流驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)電流反饋及過載保護(hù)。

圖3 放電電路圖

圖4 主程序流程圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序控制設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：系統(tǒng)初始化子程序、采樣檢測子程序（包括檢測太陽能電池板和蓄電池組的電壓、電流、LED恒流驅(qū)動(dòng)電流、光照檢測、溫度檢測）、充電子程序、放電子程序、MPPT算法子程序和保護(hù)子程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3 結(jié)論

本文介紹了基于單片機(jī)的太陽能草坪燈控制器的軟、硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)使用mega128單片機(jī)作為控制器，利用蓄電池的充電特性采用三段式充電控制，放電過程采用恒壓恒流驅(qū)動(dòng)LED草坪燈。采用PWM控制SEPIC變換器中的開關(guān)元件MOSFET，使充電回路的電壓損失較使用二極管的充電電路降低近一半，充電效率較非PWM高3%-6%。具有過充、過放、過載保護(hù)的功能。本系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，具有很高的推廣使用價(jià)值。

［1］李向欣.智能化太陽能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//峽兩岸第十六屆照明科技與營銷研討會(huì)專題報(bào)告暨論文集.2009：15-19.

［2］吳正茂.基于STC單片機(jī)的太陽能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].中國科技財(cái)富,2012(4)：36-38.