基于單片機(jī)的光伏路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 名

(哈爾濱市路燈管理處，哈爾濱 150001)

基于單片機(jī)的光伏路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 名

(哈爾濱市路燈管理處，哈爾濱 150001)

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的光伏路燈照明系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)主要有太陽(yáng)能電池、高效蓄電池、LED路燈以及路燈的控制器。路燈控制器使用的是高級(jí)單片機(jī)微處理器，主控制芯片能夠確保對(duì)路燈進(jìn)行有效的智能控制，有很多優(yōu)點(diǎn)，比如穩(wěn)定性特別的好，智能化水平非常高。

單片機(jī)；光伏路燈照明系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；LED；太陽(yáng)能

1 總體方案

光伏路燈照明控制器屬于這個(gè)系統(tǒng)最重要的部分，處于核心地位,它在設(shè)計(jì)性能方面影響整體系統(tǒng)工作。光伏路燈照明系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)可參考圖1，虛線(xiàn)里面的部分就是光伏路燈照明重要的控制器，有主控制芯片、Scpic電路和VRLA蓄電池及采樣電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

這個(gè)控制器主要是利用電路對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電流進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。ATmcga 1281主要是依照MPPT的算法PE4口輸出進(jìn)行控制的。將MPPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也叫最大功率點(diǎn)跟蹤，這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)可獲得最大功率，有效地將路燈系統(tǒng)效率提升。

2 光伏路燈照明系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

光伏路燈照明系統(tǒng)里面的ATMEUA 128L與運(yùn)算放大器進(jìn)行結(jié)合使用的時(shí)候，必須要提供5 V的供電，這個(gè)電源主要是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317的可調(diào)穩(wěn)壓電源。通常情況下，它的輸出電壓范圍是1.25～37 V，最大負(fù)載電流是1.5 A。它在線(xiàn)性調(diào)整率方面比一般的穩(wěn)壓器要好得多。使用特別簡(jiǎn)單，主要用兩個(gè)外接電阻就可以設(shè)置輸出電壓。

3 光伏路燈照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 采樣電路的設(shè)計(jì)

光伏路燈的照明系統(tǒng)在采樣電路方面通常會(huì)采集太陽(yáng)能電池與蓄電池產(chǎn)生的電壓及電流。采樣電壓原理主要是根據(jù)電阻器進(jìn)行分壓，獲得有效的電壓值，然后通過(guò)運(yùn)算放大器產(chǎn)出的電壓與跟隨器相分離。電流采樣和以上講到的電壓采樣在原理方面是基本相同的，工作人員應(yīng)該在電池負(fù)極串聯(lián)稍稍小一點(diǎn)的電阻，剩下的部分和電壓的采樣電路是一樣的。

3.2 Sepi電路和它的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光伏路燈照明系統(tǒng)里面的DC- DC斬波電路屬于Scpic電路。這個(gè)電路和Buck電路比較會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)，它有更加寬泛的范圍在輸出電壓。不管日照的條件是不是非常充足，也不管VRLA蓄電池內(nèi)阻是大還是小，使用Scpic電路都可以讓太陽(yáng)能電池運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮出最大功率，這樣可以讓系統(tǒng)的效率實(shí)現(xiàn)最大化目標(biāo)。

3.3 UC3906的VRLA蓄電池充電電路設(shè)計(jì)

光伏路燈照明系統(tǒng)使用的VRLA蓄電池，它的充電專(zhuān)用芯片UC3906有一個(gè)很科學(xué)的設(shè)計(jì)，就是充電電路。它可以保證完成VRLA蓄電池最佳充電需要的所有控制功能。UC3906最大的特征是有著非常精確的基準(zhǔn)電壓，而且電壓可以隨著溫度的改變而隨時(shí)改變，它的這種變化規(guī)律是和VRLA蓄電池電壓溫度基本相同，這樣可以讓VRLA蓄電池在很寬泛的溫度中獲得一個(gè)最佳的充電狀態(tài)。充電流程是這樣的：輸入電壓Vin,完全接通后，Q2導(dǎo)通，再以最大的工作電流保持到恒流充電環(huán)節(jié)。當(dāng)VRLA蓄電池的電壓超過(guò)95%的過(guò)充電壓來(lái)到過(guò)充電的狀態(tài)，充電的電壓保持恒定不變，充電電流慢慢下降。當(dāng)充電電流降到過(guò)充電截止電流的時(shí)候，VRLA蓄電池就會(huì)進(jìn)入到浮充階段，這時(shí)電壓指示燈發(fā)光，顯示電量已經(jīng)充滿(mǎn)。

3.4 LED路燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光伏路燈照明系統(tǒng)通常情況下會(huì)選擇功率比較大的恒流驅(qū)動(dòng)芯片PAM2812，它輸出的最大功率是30 W，可以足夠滿(mǎn)足路燈在照明方面的需求。這種芯片就是為了照明進(jìn)行設(shè)計(jì)的，它有很多優(yōu)點(diǎn)。過(guò)流、過(guò)壓及過(guò)溫保護(hù)。這個(gè)芯片工作頻率主要有三個(gè)選擇，500 kHz, 1 MHz, 1.6 MHz，由RT腳工作頻率將電阻進(jìn)行確定，主要是下面這個(gè)公式確定：

開(kāi)關(guān)損耗是應(yīng)該注意的問(wèn)題。日常工作中需要注意減少開(kāi)關(guān)損耗。工作過(guò)程中需要選擇工作頻率，一般是500 kHz，實(shí)際計(jì)算可以算出來(lái)，是RT=71.3 K。

4 光伏路燈照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

這個(gè)系統(tǒng)使用擁有很好移植性的GCC編譯環(huán)境，針對(duì)模塊化的設(shè)計(jì)思路，使用編程C語(yǔ)言做好程序的設(shè)計(jì)。每一個(gè)模塊利用出入口的參數(shù)進(jìn)行有效聯(lián)系。使用模塊化的思路，可以很好進(jìn)行程序方面的修改，將程序開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期進(jìn)行有效縮減。程序一般有主程序、初始化模塊、信號(hào)采樣模塊，等等。

4.2 MPPT控制理論

MPPI控制手段主要使用的方法是：擾動(dòng)觀察法、恒定電壓控制法、滯環(huán)比較法、模糊控制法。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊控制法對(duì)硬件性能的標(biāo)準(zhǔn)非常高，通常情況需要考慮到成本問(wèn)題，因此要降低成本，利用理論分析及實(shí)踐來(lái)印證MPPI這個(gè)策略的實(shí)際效果。

光伏路燈照明系統(tǒng)想完成MPPI控制主要的環(huán)節(jié)是：利用滯環(huán)比較法鎖定最大的功率點(diǎn)是在哪個(gè)區(qū)域，這樣可以將增量法提高到最大功率點(diǎn)上。像這樣的復(fù)合方法，會(huì)把滯環(huán)比較法和導(dǎo)納增量法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，很好解決了滯環(huán)比較法在最大功率點(diǎn)發(fā)生震蕩的情況。在路燈照明系統(tǒng)里面，MPPI控制策略對(duì)提高能量轉(zhuǎn)換效率有很大作用。

5 實(shí)驗(yàn)顯示的結(jié)果

把光伏路燈照明系統(tǒng)放在樓頂開(kāi)始測(cè)試，系統(tǒng)選定器件的各種參數(shù)參考下面的數(shù)據(jù)。太陽(yáng)能電池的最大輸出功率為25 W，額定工作電壓18 V，最大電流 1.6 A，VRLA蓄電池參數(shù)是12 V 8 Ah。LED路燈選擇20個(gè)1 W高的燈。

6 實(shí)驗(yàn)最后驗(yàn)證

對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行性能檢驗(yàn)時(shí)，動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是具有決定性意義的測(cè)試項(xiàng)目。組合導(dǎo)航系統(tǒng)只有在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中達(dá)到預(yù)先規(guī)定的導(dǎo)航精度，才能應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)工作。以地面車(chē)輛為載體進(jìn)行動(dòng)態(tài)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，地面車(chē)輛有靜止、直線(xiàn)行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和加速或減速行進(jìn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。路面不平也會(huì)引起小車(chē)顛簸，所以動(dòng)態(tài)車(chē)載實(shí)驗(yàn)環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境惡劣得多，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能說(shuō)明慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能。所以，可以清楚地看到，這個(gè)系統(tǒng)使用的MPPI控制技術(shù)有很好的實(shí)際使用效果，而且它完全可以利用功率曲線(xiàn)算出太陽(yáng)能電池板輸出功率提高的數(shù)值，大約是4.5 W。

7 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的光伏路燈照明系統(tǒng)使用的是Scpic電路，實(shí)現(xiàn)了良好的控制技術(shù)。進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可以很好說(shuō)明控制器使用MPPT控制方案是非常合理的，有著很好的實(shí)際效果，它可以將太陽(yáng)能電池使用的效率提高。這個(gè)系統(tǒng)能夠確保路燈照明實(shí)際需求，它的穩(wěn)定性也特別高，效率也是很高的，這些優(yōu)點(diǎn)都會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)對(duì)其的需求，有很好的發(fā)展前景。

[1] 王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

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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