基于STM32的高效率太陽能LED路燈控制系統(tǒng)

薛家祥，沙幸威，羅海松

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

隨著道路建設(shè)的不斷完善發(fā)展，照明規(guī)模越來越大，隨之帶來的照明用電量也不斷攀升，大約占我國(guó)總用電量的11%左右[1]。普通路燈的安裝工程龐大，需要開溝埋線，而且容易受供電的影響，消耗的人力物力成本高[2]。太陽能作為清潔的可再生能源，分布廣泛，儲(chǔ)量豐富[3]，將太陽能用于路燈供電是解決上述問題的有效方式，太陽能路燈因此受到人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的太陽能路燈的控制方式比較簡(jiǎn)單，功能單一，監(jiān)控智能化水平低，無法滿足現(xiàn)代照明路燈的管理要求[4]。因此本文設(shè)計(jì)了一種高效率的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)，具有太陽能MPPT充電、LED驅(qū)動(dòng)以及MCU智能監(jiān)控等功能。目前，該控制器仍在試驗(yàn)階段。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)包括太陽能電池板、LED燈、鎳氫電池、MPPT充電控制模塊、防反接模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、MCU控制模塊、采樣模塊。充電控制芯片采用LT8490，其片上的邏輯電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)太陽能電池板最大功率點(diǎn)的跟蹤以及根據(jù)輸入輸出反饋實(shí)現(xiàn)主電路升壓、降壓、升降壓的模式轉(zhuǎn)變，升降壓功能基于LT8705降壓-升壓型控制器；太陽能電池板通過該充電主電路給鎳氫電池充電，LT8490采用一種恒壓恒流的（CCCV）充電算法，電池充電周期包含涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮動(dòng)充電4個(gè)階段；而鎳氫電池給LED驅(qū)動(dòng)電路以及MCU控制電路提供電源；當(dāng)符合LED開燈條件時(shí)，由MCU控制LED路燈的開啟；MCU采用STM32，對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、多種通信方式選擇、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、PIR控制、LCD顯示功能。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Diagram of the system overall design

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MPPT充電主電路

主電路采用四管單電感的同步整流buck-boost電路，其簡(jiǎn)化電路如圖2所示。M2、M4作為同步開關(guān)管取代了在常規(guī)Buck/Book電路中的續(xù)流二極管，M1～M4的驅(qū)動(dòng)端分別接至 LT8490 的 TG1、BG1、BG2、TG2；R43為電感電流采樣電阻，產(chǎn)生的采樣電壓經(jīng)CSP、CSN輸入LT8490的電流檢測(cè)放大器。主電路的工作原理[5]：當(dāng)輸入電壓Vin小于輸出電壓Vout時(shí)，電路應(yīng)工作在升壓模式，此時(shí)M1常開，M2常閉，M3、M4以一定的占空比交替開關(guān)；當(dāng)Vin大于Vout時(shí)，電路應(yīng)工作在降壓模式，此時(shí)M4常開，M3常閉，M1，M2以一定的占空比交替開關(guān)；當(dāng)Vin約等于Vout時(shí)，電路應(yīng)工作在升降壓模式，即在一個(gè)周期的前半段電路工作在升壓模式，在該周期的后半段工作在降壓模式。從而使該電路能在允許的輸入電壓范圍內(nèi)使輸出穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖2 MPPT充電主電路簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simplified diagram of the MPPT charging main circuit

2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)電路的主電路采用常規(guī)的升壓拓?fù)?，將電池電壓升壓到LED的驅(qū)動(dòng)電壓，如圖3所示。Q2是升壓電路的功率開關(guān)管，其驅(qū)動(dòng)端接至LT3756的16腳GATE，由GATE引腳控制Q2的開關(guān)。主電路的輸出接LED燈的正端，其負(fù)端接至開關(guān)管 Q1，Q1的驅(qū)動(dòng)端接至 LT3756的 1腳 PWMOUT。LED的亮度由其驅(qū)動(dòng)電流大小決定，因此可以通過調(diào)節(jié)PWMOUT（通過8腳PWM）輸出的占空比調(diào)節(jié)LED平均驅(qū)動(dòng)電流，從而調(diào)節(jié)LED燈的亮度。LT3756的8腳PWM接至MCU的一個(gè)I/O口，MCU根據(jù)監(jiān)控信息調(diào)節(jié)PWM的占空比，即可實(shí)現(xiàn)LED燈亮度的自由調(diào)節(jié)。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)主電路簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified diagram of LED drive main circuit

2.3 MCU控制電路

MCU控制芯片采用STM32F103C，根據(jù)采樣信號(hào)通過輸出PWM控制MPPT充電電路和LED驅(qū)動(dòng)電路，具體控制流程見軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。采樣電路將輸入電壓、輸出電壓、輸入電流、輸出電流、LED電壓、LED電流、電池溫度、電池壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可輸入MCU A/D模塊的電壓信號(hào)，電路基本采用精密電阻分壓+tlv274高精度運(yùn)放隔離的方式，如圖4所示。采樣數(shù)據(jù)可存入E2PROM中，也可通過RS232、RS485、BLE等方式與外部設(shè)備進(jìn)行通信，同時(shí)可在LCD中顯示；可通過按鍵選擇控制模式，包括時(shí)控、光控或PIR來控制路燈開關(guān)。

圖4 采樣電路Fig.4 Sampling circuit

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如上節(jié)所述，軟件系統(tǒng)主要功能是對(duì)控制器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，從而為監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。由于太陽能LED路燈系統(tǒng)的鎳氫電池的充電和放電過程中，系統(tǒng)電流和電壓等參數(shù)變化都比較緩慢，所以為了減少M(fèi)CU的計(jì)算量和降低功耗，每10 s進(jìn)行1次參數(shù)采樣，并將采樣結(jié)果作為參數(shù)傳遞給監(jiān)控函數(shù)。每次一進(jìn)入監(jiān)控函數(shù)，首先對(duì)電池的內(nèi)壓力以及溫度進(jìn)行檢測(cè)，如果這2個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常，則立即停止鎳氫電池的充電或者放電操作。如果這2個(gè)參數(shù)正常，則對(duì)當(dāng)前晝夜情況進(jìn)行判斷。當(dāng)處于白天時(shí)，如果電池的端電壓小于電池充滿狀態(tài)時(shí)端電壓UBAT_Max，則對(duì)電池進(jìn)行充電操作。路燈系統(tǒng)在夜晚且電池的端電壓大于電池放電截止電壓UBAT_Min時(shí)，則開啟LED路燈進(jìn)行照明。系統(tǒng)流程如圖5所示。

圖5 程序主流程Fig.5 Main flow chart of the program

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為方便設(shè)置輸入輸出參數(shù)，試驗(yàn)采用30 V/5 A的直流電源代替太陽能電池板，采用30 A/150 W直流電子負(fù)載代替鎳氫電池。

4.1 主電路效率測(cè)試

測(cè)試了MPPT充電主電路中充電電流與效率的關(guān)系。設(shè)置輸入電壓30 V，設(shè)置充電電流分別為0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A、3.5 A、4 A，測(cè)得的充電效率與充電電流的關(guān)系如圖6所示。從圖6中可以看出隨著充電電流的增大，充電效率總體可以保持在90%～95%以上。

圖6 充電主電路中充電電流與效率關(guān)系Fig.6 Diagram of charging current and efficiency in charging main circuit

4.2 LED驅(qū)動(dòng)電路效率測(cè)試

測(cè)試了LED驅(qū)動(dòng)電路中PWM占空比與效率的關(guān)系。設(shè)置輸入電壓為24 V，在PWM占空比分別為 12.5%、25%，37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%條件下測(cè)得的LED驅(qū)動(dòng)效率與占空比的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出隨著占空比的增大，LED驅(qū)動(dòng)電路的效率也越來越大，當(dāng)占空比在50%～100%時(shí)，其效率在90%～95%之間。

圖7 LED驅(qū)動(dòng)電路中PWM占空比與效率關(guān)系Fig.7 Diagram of PWM and efficiency in LED drive circuit

5 結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于STM32的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明MPPT充電效率和LED驅(qū)動(dòng)效率可達(dá)到90%～95%。該系統(tǒng)效率較高、功能豐富，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]王曉媛，齊維貴.我國(guó)城市道路照明節(jié)電技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010（1）：12-18.

[2]王君.道路路燈安裝技術(shù)實(shí)踐[J].科學(xué)與財(cái)富，2013（4）：169-169.

[3]朱曉軍.并離網(wǎng)雙模式逆變器控制策略研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[4]馬群.太陽能路燈智能控制系統(tǒng)[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2014.

[5]李孝揆，方少乾.基于LT8705的高性能 buck-boost模塊電源的研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014（33）：33-36，39.