基于STC單片機(jī)的太陽(yáng)能LED路燈控制器設(shè)計(jì)

面對(duì)地球生態(tài)環(huán)境日益惡化、資源日益短缺的現(xiàn)實(shí)，當(dāng)今世界各國(guó)政府采取了很多政策和措施，大力扶持和發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)。太陽(yáng)能LED 路燈是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用和照明領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的綜合應(yīng)用，具有環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的20% 左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。太陽(yáng)能具有清潔環(huán)保和可再生的特點(diǎn)，而LED 照明是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的照明技術(shù)，是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、重量輕、安全性能好、無(wú)污染、免維護(hù)和壽命長(zhǎng)、可控性能強(qiáng)等特征，被認(rèn)為是照明領(lǐng)域節(jié)電降能耗的最佳實(shí)現(xiàn)途徑。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅LED 路燈節(jié)能一項(xiàng)，每年就能為中國(guó)節(jié)省約一座三峽大壩所發(fā)的電力。正是由于LED 照明燈具所具有的節(jié)能、環(huán)保優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)，其全球產(chǎn)值年增長(zhǎng)率保持在20% 以上，中國(guó)也先后啟動(dòng)了綠色照明工程、半導(dǎo)體照明工程、“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃等推進(jìn)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能LED 路燈控制器，先對(duì)太陽(yáng)能電池輸出和蓄電池電量等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)確定系統(tǒng)工作狀態(tài)，利用最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT 算法實(shí)現(xiàn)電能的最大化收集，在電能的儲(chǔ)備完成后，利用PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)LED 的亮度以進(jìn)一步節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和智能能量管理，更有利于太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用推廣。

1 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池板、LED 燈具(含LED光源、燈桿及燈具外殼)、控制器、蓄電池組，如圖1 所示。

1.2 太陽(yáng)能LED 路燈系統(tǒng)的基本原理

利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池板白天接收太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充放電控制器儲(chǔ)存在蓄電池中；夜晚當(dāng)照度逐漸降低，充放電控制器檢測(cè)到這一變化，蓄電池開(kāi)始對(duì)LED 路燈放電。蓄電池放電約10 h后，充放電控制器動(dòng)作，蓄電池放電結(jié)束。

根據(jù)海南三亞的日照特征和城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5]，本系統(tǒng)選用組件參數(shù)如下：LED 路燈1 組(32 W，24 V，1．4 A；LED 1 W 光源；4 組并聯(lián)，每組8 個(gè)串聯(lián))；太陽(yáng)能電池板2 塊( 每組額定輸出電壓18 V，工作電流為5．6 A，開(kāi)路電壓為21． 2 V，短路電流為6．1 A，峰值功率為80 W)；蓄電池( 12 V，200 Ah；過(guò)充電壓14．8 V，浮充電壓12．3 V，過(guò)放電壓10．8 V) 。

2 硬件設(shè)計(jì)

雖然太陽(yáng)能LED 路燈控制器在整個(gè)系統(tǒng)中是價(jià)值最小的部份，但是它卻是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。一個(gè)設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制器，除了完成最基本的充放電控制功能外，還能控制太陽(yáng)能電池方陣盡可能吸收太陽(yáng)能，提高效率；能防止蓄電池過(guò)充電及深度放電，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；能根據(jù)環(huán)境，調(diào)節(jié)LED 光源的亮度，特別是在后半夜還能實(shí)現(xiàn)半功率點(diǎn)亮負(fù)載，從而盡可能節(jié)能等。由于光伏電池板的輸出電力有很大的不確定因素、蓄電池的充放電特性非線性，另外兩者受環(huán)境影響較大，因此設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的充電放電控制器對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響。本文是對(duì)控制器設(shè)計(jì)的一個(gè)有益的探索。

本文設(shè)計(jì)的控制器是采用STC12C5410AD 單片機(jī)作為主控器件，該器件內(nèi)置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作頻率高達(dá)35 MHz，指令兼容51 單片機(jī)但速度快8～12 倍，非常適合本設(shè)計(jì)要求。 由于兩組太陽(yáng)能電池采用串聯(lián)連接，輸出電壓為36 V，蓄電池電壓為12 V，LED 路燈工作電壓為24 V，因此充電電路采用DC /DC 降壓變換電路( Buck)，放電電路采用DC /DC 升壓變換電路( Boost)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)充放電的控制策略，從而最終達(dá)到提高效率、節(jié)能的目的(如圖2 所示)。本文重點(diǎn)論述充放電電路及其控制策略。

2．1 充電電路及控制策略

充電電路由電感L1、功率MOSFET 管T1和續(xù)流二極管D2構(gòu)成降壓型Buck 電路，如圖3 所示。通過(guò)改變加在MOSFET 控制柵極的脈沖寬度(脈沖寬度調(diào)制Pulse Width Modulation，PWM)就可以改變太陽(yáng)能電池板的輸出電壓。通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流、蓄電池的電壓和電流，判斷蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式為蓄電池優(yōu)化充電。當(dāng)蓄電池電壓超過(guò)一定電壓后，關(guān)斷T1，防止蓄電池過(guò)充電。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境光線充足，控制器就會(huì)進(jìn)入充電模式。

然而，充電的效率與充電電源(太陽(yáng)能電池) 、負(fù)載(蓄電池) 以及環(huán)境的特性是緊密相關(guān)的。太陽(yáng)能電池的輸出功率是日照強(qiáng)度和周圍環(huán)境溫度的非線性函數(shù)[1]，如圖4 所示。也就是說(shuō)，當(dāng)日照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，最大輸出功率相應(yīng)增大；當(dāng)溫度增加時(shí)，輸出功率降低；但一定條件下，總存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)。當(dāng)忽略溫度效應(yīng)時(shí)，不同光照條件的輸出特性與負(fù)載曲線L 的交點(diǎn)A，B，C，D，E(工作點(diǎn))顯然不都是最大功率點(diǎn)，若采用直接匹配必然帶來(lái)輸出功率的損失。

采用最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT(Maximum Power Point Track)的控制策略就可以將采集到的太陽(yáng)能盡可能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到蓄電池組中。MPPT 控制策略主要有干擾觀測(cè)法、導(dǎo)納增加法和固定參數(shù)法等算法。這里采用干擾觀測(cè)法[1]，其思想：控制器在每個(gè)控制周期用較小的步長(zhǎng)改變光伏電池的輸出電壓或電流——“干擾”，改變的方向可以增加或減??；比較前后光伏電池的輸出功率，如果輸出功率增加，就按照上一周期的方向繼續(xù)干擾過(guò)程；如果輸出功率減小，則改變干擾的方向，最終在最大功率點(diǎn)往復(fù)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)還可以減小步長(zhǎng)以進(jìn)一步逼近最大功率點(diǎn)。

另外，目前條件下鉛酸蓄電池是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的蓄電裝置。 鉛酸蓄電池的容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，受充電方法的影響很大?？山邮艿睦硐氤潆娗€是充電電流隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的曲線[3]，但極化現(xiàn)象卻制約了蓄電池的壽命和光伏電池發(fā)電系統(tǒng)充電模式。因此需要根據(jù)蓄電池充電特性曲線，采用分階段的充電策略，才可以提高充電的效率和延長(zhǎng)蓄電池的壽命。這里蓄電池的充電策略是三階段充電( 快充、過(guò)充和浮充)。

(1) 快充階段充電電路的輸出方式等效為電流源。電流源的輸出電流根據(jù)蓄電池最大可接受電流來(lái)確定。充電過(guò)程中，檢測(cè)蓄電池端電壓，當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限值后，充電電路轉(zhuǎn)到過(guò)充階段。固定輸出電流，采用MPPT 算法控制輸出電壓。

(2) 過(guò)充階段充電電路對(duì)蓄電池提供一個(gè)較高電壓，同時(shí)檢測(cè)充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值時(shí)，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。

(3) 浮充階段蓄電池組充滿電后，保持電量的最好方法就是給蓄電池提供一個(gè)精確的、具有溫度補(bǔ)償功能的浮充電壓。

2．2 放電電路及控制策略

放電電路的負(fù)載是大功率LED 路燈，它是由1 W及以上的高亮度LED 按一定的拓?fù)溥B接而成的綠色光源。大功率LED 路燈的發(fā)光強(qiáng)度是和流過(guò)的電流成正比。由于大功率LED 的電流、電壓參數(shù)具有典型的PN 結(jié)伏安特性，其正向壓降的微小變化會(huì)引起較大的正向電流變化。不穩(wěn)定的工作電流會(huì)影響LED 的壽命和光衰，所以大功率LED 的驅(qū)動(dòng)電路必須提供恒定的電流[2 - 3]。其控制電路主要采用DC /DC 升壓驅(qū)動(dòng)電路(Boost)，控制策略采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)，Boost 充電電路如圖5 所示。

電感L2、功率MOSFET 管Q2和D3構(gòu)成升壓型DC /DC 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)單片機(jī)控制輸出PWM2，獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓；通過(guò)PWM3和PWM4 通道進(jìn)行2 路LED 照明的恒流控制，完全關(guān)斷這2 路負(fù)載還可以用作半功率點(diǎn)控制；R7和R10提供LED 照明驅(qū)動(dòng)電路的電流反饋采樣；其它時(shí)控功能、溫度補(bǔ)償電路和蓄電池的過(guò)放保護(hù)電路在此就不詳細(xì)討論。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要協(xié)助硬件電路完成控制器的控制策略，由主程序和充電、放電等子程序組成，如圖6 ～ 9 所示。充電子程序根據(jù)蓄電池的電壓和電流完成3 個(gè)階段充電轉(zhuǎn)換，其中快充階段采用MPPT 算法，以盡可能提高光伏電池的輸出功率。放電子程序通過(guò)PWM 技術(shù)調(diào)節(jié)負(fù)載電流，在后半夜可以完全切斷負(fù)載，實(shí)現(xiàn)半功率點(diǎn)亮負(fù)載。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能LED 路燈照明系統(tǒng)是太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用與新一代綠色光源LED 的完美結(jié)合。經(jīng)過(guò)多次軟硬件的綜合調(diào)試，本文以STC12C5410AD 單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的智能控制器，整體實(shí)現(xiàn)了三段式充電控制功能，并能有效防止蓄電池過(guò)充；同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)定時(shí)和半功率點(diǎn)切斷負(fù)載，在蓄電池電壓小于過(guò)放電壓也將切斷負(fù)載，從而蓄電池過(guò)放保護(hù)。 該系統(tǒng)在能源利用率和工作可靠性方面有一定的實(shí)用價(jià)值，考慮到三亞地區(qū)的風(fēng)力資源也較豐富，下一步的研究方向?qū)⑹浅浞掷锰?yáng)能和風(fēng)能的互補(bǔ)性，保證全年無(wú)間斷亮燈，從而向真正實(shí)現(xiàn)零污染、零排放、綠色的照明系統(tǒng)邁進(jìn)一步。