太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 靜，葉冠坤

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東茂名，525000 ）

太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 靜，葉冠坤

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電信息系，廣東茂名，525000 ）

太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，是最理想的可再生能源。中國已將新能源產(chǎn)業(yè)上升為國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，未來十年擬加大包括太陽能在內(nèi)的新能源產(chǎn)業(yè)投資，以減少經(jīng)濟(jì)對石化能源依賴和降低碳排放。以STC12C5410AD單片機(jī)為控制核心，利用太陽能極板的光生伏特效應(yīng)，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池，采用PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，設(shè)計(jì)定時(shí)計(jì)時(shí)電路，滿足用戶對蓄電池放電時(shí)間的設(shè)置；設(shè)計(jì)過載檢測電路和溫度補(bǔ)償電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)具備優(yōu)良的性能，有較好的應(yīng)用價(jià)值，且該控制系統(tǒng)不僅僅適用于路燈，甚至可用于遠(yuǎn)郊交通設(shè)施、氣象臺(tái)站等領(lǐng)域，具有巨大的市場需求和良好的轉(zhuǎn)化前景。

太陽能；單片機(jī)；控制系統(tǒng)；PWM

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源問題是一個(gè)國家至關(guān)重要的問題。隨著科學(xué)技術(shù)和全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對能源的需求也日趨增長。而化石燃料儲(chǔ)量有限，且化石能源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的污染破壞及大量二氧化碳的排放引起溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖，自然災(zāi)害頻繁。常規(guī)能源在給人類社會(huì)帶來飛速發(fā)展的同時(shí)，也在很大程度上使人類社會(huì)面臨著前所未有的困難和挑戰(zhàn)[1]。

太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比，是最理想的可再生能源；路燈給人們的生活帶來了很多便利，但同時(shí)也消耗了大量的電能，研究太陽能路燈控制系統(tǒng)，開發(fā)出太陽能路燈系統(tǒng)，節(jié)約能源，降低路燈系統(tǒng)運(yùn)行成本具有重要的研究意義。太陽能路燈控制系統(tǒng)由太陽能板、蓄電池、充放電控制板、LED燈組構(gòu)成，其中太陽能充放電控制器是協(xié)調(diào)和控制整個(gè)系統(tǒng)工作的核心，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心主要圍繞太陽能充放電控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前市場上的充放電控制器大多并沒有完善的蓄電池充電策略，充電模式選擇單一導(dǎo)致太陽能路燈控制系統(tǒng)穩(wěn)定性相對較低，對蓄電池的保護(hù)不夠，影響了蓄電池和LED負(fù)載的使用壽命。并且沒有滿足用戶體驗(yàn)的定時(shí)充放電功能結(jié)構(gòu)，對太陽能利用率不高[2]。且在放電控制上沒有時(shí)刻檢測蓄電池電壓，容易導(dǎo)致蓄電池過放甚至深度放電，因此在已有的基礎(chǔ)上研發(fā)一個(gè)具備完善的保護(hù)功能和充電策略優(yōu)良、高效可靠、滿足用戶需求的太陽能路燈控制系統(tǒng)更符合市場需求。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文針對鉛酸蓄電池充電的特殊要求提出了一種基于STC12C5410AD單片機(jī)PWM脈寬調(diào)制的太陽能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中核心部分是充放電控制器，輔助電路包括太陽能極板、儲(chǔ)能蓄電池、燈具負(fù)載，實(shí)現(xiàn)照明用電太陽能化的獨(dú)立光伏運(yùn)行系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了“綠色照明”，且提供USB接口免費(fèi)提供應(yīng)急充電，總體框圖如圖1所示；利用太陽能極板的光生伏特效應(yīng)把太能的輻射能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存到蓄電池，采用PWM 脈沖調(diào)制控制保護(hù)技術(shù)根據(jù)蓄電池電壓的不同制定了對蓄電池直充、均充、浮充的充電策略，優(yōu)化蓄電池充電方法并巧妙地采用相應(yīng)電路檢測太陽能極板和蓄電池的電壓、軟件補(bǔ)償用于檢測的小電阻的溫度效應(yīng)，降低了成本；并提出設(shè)計(jì)負(fù)載檢測電路保護(hù)電路避免過載以及過放檢測電路，由單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓參數(shù)，發(fā)出各種控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)充放電控制，使太陽能路燈控制系統(tǒng)能穩(wěn)定有效地運(yùn)行。并可自行設(shè)置定時(shí)充放電功能，完善控制系統(tǒng)的功能。

圖1 總系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 MCU（單片機(jī)）的選型

MCU是整個(gè)系統(tǒng)工作的大腦，相當(dāng)于人體的大腦，因?yàn)閱纹瑱C(jī)之間也有巨大差異，選擇一款好的單片機(jī)非常關(guān)鍵了。本設(shè)計(jì)中，我們選用STC公司設(shè)計(jì)的STC12C5410AD作為 CPU。STC12C5410AD是STC公司的一款16位5V低功耗而且速度快的單片機(jī)，RAM是512 B， I/O Input端口的最大漏電流達(dá)到20mA。最快運(yùn)行速度可以達(dá)200kHz，指令執(zhí)行速率非?？臁TC12C5410AD有23個(gè)IO口，內(nèi)部集成有 10 位10 K精度 A/D的轉(zhuǎn)換器，有2路16位定時(shí)器和4路PWM輸出[3]。

1.2 系統(tǒng)電路

以STC12C5410AD 為核心，本文設(shè)計(jì)的主要電路了有：主控電路及輔助電路、電源穩(wěn)壓電路、充電電路、放電電路、蓄電池電壓檢測電路、太陽能板極電壓檢測電路、按鍵與顯示電路等。

充電電路設(shè)計(jì)通過MOS功率通斷時(shí)間PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)給蓄 電池的三個(gè)階段不同充電速度的充電。單片機(jī)STC12C5410AD控制著太陽能路燈控制器的各個(gè)模塊。單片機(jī)通過ADC端口采樣蓄電池端極電壓，判斷有沒有達(dá)到充電條件，并根據(jù)電壓大小跳轉(zhuǎn)進(jìn)入充電模式，由于充電環(huán)境的不確定性，充電過程中實(shí)時(shí)檢測太陽能極板與蓄電池的端電壓大小，同時(shí)進(jìn)行采樣充電電路電流，用以保證蓄電池得到穩(wěn)定的充電而不影響蓄電池的使用壽命[4]。

在放電電路中，一般的控制器采用直接放電，這樣容易使蓄電池過放而無法逆轉(zhuǎn)，多次過放后蓄電池幾近報(bào)廢，本文設(shè)計(jì)電壓電流采樣電路，采樣數(shù)據(jù)反饋回STC12C5410AD中的軟件控制算法，程序中有過壓過流保護(hù)程序，單片機(jī)輸出信號(hào)直接控制電壓驅(qū)動(dòng)電路工作，進(jìn)而通過驅(qū)動(dòng)模塊間接控制MOS功率管開通或關(guān)斷。其中包含有負(fù)載保護(hù)電路，保護(hù)有分過載和短路保護(hù)，保護(hù)電路根據(jù)檢測放電電流的大小，系統(tǒng)判斷是否切斷電源停止放電的一種保護(hù)。

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩大部分。其中硬件部分主要由STC12C5410單片機(jī)、PWM控制電路、電壓檢測電路、工作狀態(tài)指示燈、太陽能極板、蓄電池、負(fù)載燈具等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)利用太陽能極板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，采用鉛酸電池作為整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，以單片機(jī)STC12C5410AD為控制核心，采用 PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對蓄電池的最優(yōu)充電控制。通過按鍵設(shè)置蓄電池的放電時(shí)間，當(dāng)沒達(dá)到放電時(shí)間時(shí)，單片機(jī)若檢測到太陽能板的電壓高于一定值且蓄電池沒有滿電時(shí)，則太陽能充電指示燈紅燈亮，同時(shí)打開充電開關(guān)給蓄電池充電；單片機(jī)通過檢測蓄電池的電壓，根據(jù)不同狀態(tài)采用不同的充電模式，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)則指示燈黃燈亮。這樣，白天太陽光照射在太陽能電池板上，通過太陽能電池板的內(nèi)部轉(zhuǎn)化，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在蓄電池中；當(dāng)達(dá)到放電時(shí)間時(shí)，若單片機(jī)檢測蓄電池電壓滿足放電條件，則太陽能放電指示燈綠燈亮并打開放電開關(guān)，蓄電池放電，同時(shí)單片機(jī)時(shí)刻檢測蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池電壓低于一定值時(shí)，則關(guān)閉放電開關(guān)，防止蓄電池過放。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 結(jié)束語

通過以STC12C5410AD單片機(jī)為控制核心，利用太陽能極板的光生伏特效應(yīng)，將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存到蓄電池，采用PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，即通過單片機(jī)輸出的PWM來控制開關(guān)MOS管的通斷，實(shí)現(xiàn)太陽能極板對蓄電池充電的控制，并可根據(jù)蓄電池電壓的不同改變PWM占空比進(jìn)而改變充電策略，充分保護(hù)蓄電池并提高充電效率，延長蓄電池使用壽命；同時(shí)也設(shè)計(jì)了放電檢測電路，改善了蓄電池放電控制性能，防止蓄電池過放而影響使用壽命；并設(shè)計(jì)了定時(shí)計(jì)時(shí)電路，滿足用戶對蓄電池放電時(shí)間的設(shè)置；以及設(shè)計(jì)了過載檢測電路和溫度補(bǔ)償電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該太陽能充放電控制系統(tǒng)具備優(yōu)良的性能，有較好的應(yīng)用價(jià)值，且該控制系統(tǒng)不僅僅適用于路燈，甚至可用于遠(yuǎn)郊交通設(shè)施、氣象臺(tái)站等領(lǐng)域，具有巨大的市場需求和良好的轉(zhuǎn)化前景。

[1]李向春,鞏玉璽,高皜,等.基于單片機(jī)的大功率LED光強(qiáng)調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2017, 36(1):32-34.[2]劉宗靄.淺談單片機(jī)在溫度監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國新通信,2013(2):70-70.

[3]楊楨,李鑫,汪玉鳳,等.智能型太陽能路燈控制器的研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2012, 20(3):157-159.

[4]汪海燕.基于單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2006, 25(5):71-73.

Design of Solar Street Lamp Control System

Lin Jing ，Ye Guankun
(Maoming Vocational and Technical College,Maoming Guangdong,525000)

Solar energy is a new green renewable energy source, Compared with other new energy sources,it is the most ideal renewable energy source China has raised the new energy industry into a national strategic industry, The next ten years, plans to increase investment in new energy industries, including solar energy, To reduce economic dependence on fossil energy and reduce carbon emissions STC12C5410AD microcontroller as the control core, Photovoltaic effect of solar plate, The radiation energy of the sun is converted into electrical energy and stored in a storage battery, PWM pulse width modulation control technology is adopted to design the timing and timing circuit to meet the user's setting time of the battery discharge time; The overload detection circuit and temperature compensation circuit are designed to improve the stability of the system The system has excellent performance, has good application value,and the control system is not only suitable for the lights, and even can be used in the field of suburban traffic facilities, meteorological stations, has a huge market demand and good prospects of transformation

solar energy; SCM; Control system; PWM