基于单片机的太阳能LED照明系统控制器设计

东莞职业技术学院 麦 强

一、引言

近年来，随着太阳能发电进行LED照明的广泛应用，使用各种环保节能的太阳能LED路灯、庭院灯以及草坪灯等照明系统将成为公共照明的必然趋势。太阳能光伏发电是一种可再生无环境污染的绿色能源，其组件价格不断下降，是最有希望成为未来代替能源的发电方式；另外，LED作为新兴的半导体固体光源，具有功耗低、寿命长、发光效率高、启动时间短等特点，随着白光LED发光强度和效率的提高，LED照明势也必会取代传统照明系统。太阳能光伏发电与LED照明都是直流电、低电压，因此，把两者结合使用不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，从而提高了整个照明系统的能源利用率。为了优化太阳能LED照明系统，本文设计了一种基于STC单片机的控制器。

二、太阳能LED照明系统组成

太阳能LED照明系统的组成框图如图1所示，主要包括了太阳能电池板、蓄电池、LED灯以及把它们有机组合起来的智能控制器。

1.太阳能电池板

太阳能电池是把太阳能直接转换为直流电能的器件。在本系统中，太阳能电池的主要作用是：(1)当光照条件较好时，将太阳能转换为电能，然后再对蓄电池充电；(2)当光照条件较差时，可通过测量太阳能电池输出电压以判断是否天黑。

2.蓄电池

蓄电池是用来贮存太阳能电池转化形成的电能，并向负载供电。本系统对所用蓄电池组的要求是：(1)有足够的蓄电量供LED灯在夜间工作；(2)可通过测量输出电压来确定剩余电量；(3)使用寿命长，可以少维护或免维护，工作温度范围宽，价格低廉。

3.LED灯

白光LED灯是一种高亮度白色发光二极管发光源。本系统选用LED灯的主要原因是：(1)高效节能、光效率高；(2)使用寿命长，安全系数高；(3)直流电，低电压。

4.智能控制器

智能控制器是防止蓄电池过充和过放的设备，同时还具有测量功能和控制LED灯功能。在整个系统中智能控制器是最核心部分，它的主要作用有以下三个部分：(1)对蓄电池充电和放电管理，提高蓄电池寿命；(2)检测周围环境，智能控制LED灯开关；(3)智能设置LED灯的工作模式。

三、控制器系统硬件设计

智能控制器是太阳能LED照明系统最为重要组成部分，其功能设计的好坏决定了一个太阳能LED照明系统运行情况的优劣。智能控制器需要实现的功能有：根据太阳光照，自动转换到断开LED路灯而给蓄电池充电模式，或转换到通过蓄电池给LED灯供电模式；并能测量蓄电池的电量，当电量不足时，自动关闭LED灯供电，从而防止蓄电池过充和过放等。本文选择STC90LE52AD单片机对太阳能LED照明系统进行控制。以单片机为作为主控芯片的智能控制器电路模块较多，其中充电电路模块、放电电路模块以及LED驱动电路模块等三个模块较为重要。

1.充电电路模块

充电电路模块（如图1所示）采用蓄电池负极与太阳能电池板负极直接连接，通过控制正极连接处的场效应管Q3导通和关断，达到控制充电的功能。充电电路模块工作过程如图2所示：P2.0发出高电平信号，使Ql导通、Q2截止，进而使得场效应管Q3导通，太阳能电池板给蓄电池充电；P2.0发出低电平信号，使Ql截止、Q2导通，进而使得场效应管Q3截止，太阳能电池板不再给蓄电池充电。

太阳能电池板电压和蓄电池的电压经R6、R7和R8、R9分压送至A/D转换口检测，以辨别光线强弱和蓄电池电量。当光照充足时，单片机实时监测蓄电池的电压，参照设定电压值进入充电各阶段。在充电各阶段中，单片机P2.0端口采用脉宽调制PWM方式控制太阳能电池板对蓄电池充电，从而使蓄电池达到最大充电效果。

2.放电电路模块

放电电路模块采用蓄电池负极与LED驱动电路负极直接连接，通过控制正极连接处的场效应管Q6导通和关断，实现控制蓄电池向LED驱动电路供电的功能。放电电路模块工作过程如图3所示：P2.1发出高电平信号，使Q4导通、Q5截止，进而使得场效应管Q6导通，蓄电池给LED驱动电路供电；P2.1发出低电平信号，使Q4截止、Q5导通，进而使得场效应管Q6截止，蓄电池充电停止给LED驱动电路供电。

3.LED驱动电路模块

LED灯需要恒流驱动，驱动效果直接影响LED灯的效果。本系统中对恒流控制选用XL6003来驱动LED灯。LED驱动电路模块如图4所示，在芯片XL6003的基础上加上一些外围电路组成，其中包括：肖特基二极管DZ1；电感L1，电容C3、C4，采样电阻R14以及负载LED灯。而采样电阻R14是给芯片提供反馈信息的器件，通过改变R14的阻值得相应的输出电流。XL6003的FB端口的参考电压值为0.23，所以只要根据LED灯驱动电流值，即可求出相应的R14值即可。

四、系统软件设计

太阳能LED照明系统控制器软件的主要任务是：通过对太阳能电池板电压采集，判断当前是白天还是夜间。如果是白天，根据检测到蓄电池的电压值，控制进入不同充电阶段给蓄电池充电，防止系统过充。如果是夜间，根据检测到太阳能电池板的电压值，控制LED灯打开，通过定时方式关闭LED灯，并对蓄电池放电进行控制，防止过放。

1.系统主程序

太阳能LED照明系统在智能控制器的作用下，白天，执行白天子程序；晚上，执行夜间子程序。通过对太阳能电池进行采样检测，判断白天黑夜对系统正常运行非常关键。系统主程序流程图如图5所示。

2.白天子程序

白天子程序主要是采样太阳能电池板电压和蓄电池电压，判断是否满足充电条件，再根据蓄电池电压的不同进入不同的充电阶段。在不同充电阶段，通过调整充电电压PWM脉冲的占空比来调整充电方式。当蓄电池处于过放保护阶段时，采用直接充电方式；当蓄电池处于半饱和阶段时，采用脉宽调制PWM方式充电；直到蓄电池进入过充保护阶段时，停止充电。白天子程序流程图如图6所示。

3.夜间子程序

图1 太阳能LED照明系统的组成框图

图2 充电电路模块

图3 放电电路模块

图4 LED驱动电路模块

图5 系统主程序流程图

图7 夜间子程序流程图

夜间子程序主要是根据采样太阳能电池板电压和蓄电池电压，判断蓄电池是否过放，当蓄电池电压高于过放保护电压时，蓄电池给LED灯供电；当蓄电池电压低于过放保护电压时，停止对LED灯供电，进入过放保护阶段。同时，在LED灯启动后，通过单片机定时器预先设定好时间，当到达预定时间时，停止LED灯供电。夜间子程序流程图如图7所示。

五、小结

本文设计的太阳能LED照明系统控制器解决了太阳能LED照明系统中普遍存在的一些问题，如蓄电池寿命较短、能源利用率不高等。该控制器的设计使得太阳能电池板、蓄电池和LED灯合理地组合在一起，有利于太阳能在实际应用中的推广，响应了国家节能减排的倡导。

[1]亓立敏,尹成强,陈波.LED太阳能路灯控制器的设计[J].科技创新导报,2011(12).

[2]周婷婷,朱凌云,杨乐庭.太阳能LED景观灯的设计[J].仪表技术,2011(3).

[3]王敏华,张振国.新型太阳能路灯控制器设计[J].今日电子,2012,2.