基于STC15的太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)

李昆侖 胡瀚文 劉兵 曾星

【摘要】基于光伏技術(shù)，采用IAP15W4K58S4單片機(jī)開發(fā)一個(gè)太陽能LED路燈控制器，白天太陽能電池板將太陽光轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池里，夜間蓄電池為整個(gè)電路供電。夜間有人在路燈感應(yīng)范圍內(nèi)路燈開啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制果，夜間無需持續(xù)照亮12個(gè)小時(shí)，節(jié)約能源消耗，裝置綠色環(huán)保。

【關(guān)鍵詞】STC15;路燈控制;熱釋電紅外

環(huán)保與節(jié)能是已受到全球各國關(guān)注，清潔能源中，太陽能的使用最為廣泛。傳統(tǒng)路燈是由手動(dòng)開關(guān)按鈕來控制開啟或關(guān)閉，使用單片機(jī)來控制啟動(dòng)，借用光照傳感模塊依據(jù)周圍環(huán)境判斷能見度調(diào)節(jié)亮度調(diào)節(jié)功能，通過紅外傳感模塊或者雷達(dá)傳感模塊來探測(cè)人體實(shí)現(xiàn)路燈開關(guān)。智能照明系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)智慧城市建設(shè)和促進(jìn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)框圖如圖1，太陽能路燈控制器由IAP15W4K58S4單片機(jī)、光敏模塊、熱釋電紅外傳感模塊、高亮LED燈模塊、太陽能發(fā)電板、鋰電池充電保護(hù)模塊、升壓穩(wěn)壓及蓄電池組成。

1.1 IAP15W4K58S4單片機(jī)

IAP15W4K58S4單片機(jī)為功能增強(qiáng)型8051CPU芯片，具有1T的單位時(shí)鐘/連續(xù)機(jī)器工作周期，其連續(xù)運(yùn)行工作速度一般比普通8051快8～12倍，片內(nèi)的EEPROM擦寫可達(dá)10萬次以上，工作時(shí)頻率為5MHz～30MHz。

1.2 光敏模塊電路

光敏模塊接口電路如圖2。光敏電阻器阻值能夠隨著光照強(qiáng)度變化而變化。四線制光敏模塊，利用光敏電阻在不同光照強(qiáng)度下呈現(xiàn)不同阻值的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度來進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 熱釋電紅外傳感模塊

HC-SR505模塊是熱釋電紅外傳感模塊具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、體積小、低電壓模式工作的特點(diǎn)，在各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。任何高于絕對(duì)溫度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外光譜，通過這個(gè)原理可以對(duì)LED燈進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.4 LED燈電路

超高亮LED是一種新型LED，亮度可達(dá)普通LED燈的近百倍，外部包裝由無色透明樹脂所封裝，本身能發(fā)出一定波長的光，從而呈現(xiàn)出一定顏色，具有壽命長、耐用高、維護(hù)低、效率高、點(diǎn)亮速度快的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用白色高亮LED燈作為照明燈具使用。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，若單片機(jī)與LED燈電路連接的控制引腳輸出為低電平時(shí)高亮LED燈則亮，否則高亮LED燈不亮。

1.5 太陽能電池板

本設(shè)計(jì)選取電壓為9V多晶硅太陽能電池板作為主要發(fā)電組件。太陽能光伏發(fā)電后，利用充電模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行充電處理，用升壓控制模塊將3.7V的輸出電壓提升至5V為整個(gè)系統(tǒng)提供電。本方案設(shè)計(jì)主要選用的太陽能電池板材料是多晶硅，額定電壓/電流為9V/220mA，額定功率為2W。

1.6 鋰電池充電模塊

TP4056鋰電池充電模塊，是一款單節(jié)鋰離子電池具有恒定電流和恒定電壓特性的線性充電器。作用在太陽能轉(zhuǎn)換的電能超出蓄電池的承受標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自行斷開線路的傳輸，底部帶有散熱片的SOP8/MSOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。TP4056可配合USB電源和適配器電源工作，由于采用了內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上防倒充電路，不需要外部隔離二極管。熱反饋功能可自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流，并在大功率工作或高溫度環(huán)境條件下控制芯片溫度。充電電壓固定在4.2V，當(dāng)充電電流達(dá)最終浮充電壓后，電壓下降到設(shè)定值1/10，TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)，當(dāng)輸入電壓被去掉時(shí)，TP4056自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2μA以下。TP4056在有電源時(shí)可置于停機(jī)模式，將供電電流降至55μA。TP4056其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和兩個(gè)用于指示充電、LED狀態(tài)引腳。TP4056鋰電池充電電路原理圖如圖3。

1.7 升壓模塊

本設(shè)計(jì)中所選用的dc-dc升電壓轉(zhuǎn)換模塊，可以直接實(shí)現(xiàn)3.7V鋰電池升壓至5V電壓。該器件具有0.9V低壓啟動(dòng)轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)94%，可提供600mA、5V/3.3V輸出，常應(yīng)用于便攜播放器等設(shè)備中做高效升壓。升壓模塊電路如圖4。

2. 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)程序包括LED燈亮熄程序，光敏傳感程序，人外感應(yīng)程序燈程序模塊。光敏電阻模塊感應(yīng)到環(huán)境變暗輸出高電平，同時(shí)人外感應(yīng)模塊也檢測(cè)到人輸出高電平，此時(shí)LED燈亮，即這兩個(gè)模塊沒有同時(shí)輸出高電平時(shí)，LED燈都時(shí)熄滅狀態(tài)。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖5。

3. 結(jié)語

基于光伏技術(shù)，采用IAP15W4K58S4單片機(jī)開發(fā)一個(gè)太陽能LED路燈控制器，白天太陽光轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池里，夜間蓄電池為整個(gè)電路供電。夜間有人在路燈感應(yīng)范圍內(nèi)路燈開啟，達(dá)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)控制，夜間無需持續(xù)照亮12個(gè)小時(shí)，節(jié)約能源消耗，裝置綠色環(huán)保，具有充電保護(hù)功能，對(duì)于推動(dòng)智慧城市建設(shè)和促進(jìn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]程晶姝，潘往麗，羅輝輝，等.基于單片機(jī)的智能模擬路燈控制系統(tǒng)[J].軟件，2019，40 （3）：39-40.

[2]智煜.路燈照明智能控制系統(tǒng)探究[J].電力訊息，2020，2：185-186.張祥豫，魯西坤，侯凡博，等.基于51單片機(jī)的電子秤設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試，2019（21）：32-34.

作者簡介：李昆侖，廣西富川人，碩士，講師，研究方向：機(jī)器人控制，在線監(jiān)測(cè)。劉杰，湖南邵陽，研究方向：機(jī)械電子工程。許鵬程，湖南邵陽，研究方向：機(jī)械電子工程。曾星，湖南衡陽，研究方向：機(jī)械電子工程。