基于嵌入式太阳能LED照明驱动系统设计与实现

胡 庆，张 康，卓必新，唐子钱

(成都大学电子信息工程学院，四川 成都 610106)

基于嵌入式太阳能LED照明驱动系统设计与实现

胡 庆，张 康，卓必新，唐子钱

(成都大学电子信息工程学院，四川 成都 610106)

从高效利用绿色能源的角度出发，设计了一款新型的基于嵌入式技术的太阳能LED照明驱动系统.系统采用太阳能电池发电并对其进行实时检测，利用PWM对升降压DC/DC转换器进行控制以实现最大功率点跟踪充电控制和蓄电池的智能管理，利用LED照明以提高能源利用率.系统工作可靠性，具有实用性及环保性.

太阳能;最大功率点跟踪;嵌入式;LED照明;智能控制

0 引言

太阳能是目前备受关注的绿色能源之一，其中，应用最广泛的是光伏电池发电，但光伏电池易受外界多种条件及自身因素的影响，其输出特性具有明显的非线性［1－5］.从高效利用绿色能源的角度出发，本研究设计了一种新型的基于嵌入式技术的太阳能LED照明驱动系统，提高了光伏发电系统的整体效率，获得了最大的功率输出.该系统高效、稳定、环保、实用，可广泛应用于各类嵌入式设备电源的设计中.

1 系统总体结构设计

本研究设计的基于嵌入式太阳能LED照明驱动系统包括控制器模块、太阳能电池组、DC/DC转换器及最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)充电控制、储存电能的蓄电池组、LED照明PWM控制驱动、LED光源以及终端管理平台等部分，系统组成如图1所示.

图1 系统总体结构设计图

系统工作原理是:在有太阳光的时间段，太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能，在嵌入式控制芯片的控制下，利用升压降压双模式拓扑电路结构，采用MPPT方式在智能充电管理芯片的协助下将电能储存到蓄电池组中.在LED照明系统需要电能供电时，采用PWM控制驱动方式，向LED光源提供安全高效的电压、电流，使其安全、稳定、高效、可靠地工作.系统对LED光源亮度采用2种模式进行调节:模式一，系统根据外界环境光线的强弱进行智能调光;模式二，人为自行调光.此外，在系统的终端管理平台和人机交互界面上还可以对该系统的温度、电压、电流进行实时监测，便于系统日常的检测和维护.

2 系统软硬件设计

系统的软硬件设计包括最大功率点跟踪、电流电压检测、温度检测、光线检测、蓄电池和LED照明的智能管理及人机交互界面及终端管理平台，其中关键在于最大功率点跟踪.

2.1 最大功率点跟踪

最大功率点跟踪设计以PWM作为控制参数，采用变化步长的方式，即自适应扰动观察法［3］对最大功率点进行跟踪.在距最大功率点较远时，选择较大的步长，便于以较快的速度接近系统最佳工作状态;在距最大功率点较近时，选择较小的步长，在接近系统最佳工作状态的同时减小或避免系统过分的摆动.其功率—占空比(P－D)关系如图2所示.

图2 P－D关系示意图

由图2可知，功率占空比导数的绝对值|dP/dD|在接近最大功率点时逐渐变小.为此，本研究采用下式构造实时步长，

式中:K+1为占空比D的调整步长(0＜k＜1);dP=P(K)－P(K－1)，代表功率变化的幅度;kp为比例因子.由式1可以看出，当功率变化较小时，步长K+1也较小，可以保证输出功率的平滑性;当功率变化较大时，步长k+1也较大，能够快速跟踪最大功率点，使系统具有一定的自适应能力.比例因子kp代表系统灵敏度的大小，越大系统反应越灵敏.

据此，可得到自适应扰动观察法程序流程如图3所示.

图3 自适应扰动观察法的设计流程图

首先，利用U和I的值计算出当前时刻输出功率P(K)，得到dP=P(K)－P(K－1).CMP为系统设定的门限值，决定控制器的控制精度.当|dP|＜CMP时，可认为系统工作在最大功率附近，此时不需要调整占空比D;当|dP|＞CMP时，说明当前工作点离最大功率点较远，需要计算出新的步长，以调节占空比D.接下来要判断dP的符号，若为正，则继续原方向变化;若为负，应朝相反方向变化.变量flag为步长的符号位，决定占空比D的变化方向，取1和－1.

2.2 管理平台

为对该系统有一个良好的调试和管理，本研究设计了液晶屏调试平台和手机终端管理平台，在系统板上进行调试的同时也可以通过蓝牙设备将系统的各个参数进行回传并显示在终端管理平台上，参数包括太阳能电池输出电压、充电回路电流、太阳能电池输出的功率、系统各个组件的温度、蓄电池电量、充放电状态等.该平台可以对系统进行有效地控制，如系统发生异常(温度)时发出报警并停止工作、对LED光源进行人工调节亮度、停止充电等控制，建立起一个人性化的人机交互界面.液晶屏调试平台和终端管理平台如图4所示.

图4 液晶屏调试平台和终端管理平台

3 实验

在完成以上设计并能够通过管理平台观察各个参数和控制LED的亮度及系统的其他功能的实现后，再使用开路电压为21.5 V、短路电流为0.57 A、最大功率为10 W太阳能电池板进行实验.在不同的时间段输出电压相同的情况下通过调试平台观察有MPPT和无MPPT 2种情况下各自的充电回路电流，并进行功率比较实验，其数据如图5所示.

图5 有MPPT和无MPPT各自的充电回路电流实验数据

从图5中，很容易观察到通过MPPT对光伏发电系统效率的提高.

4 结论

本研究采用嵌入式芯片控制的太阳能LED照明驱动系统，电路结构简单、可靠性好、效率高，且具有针对蓄电池过充、过放、输出过流等异常情况的多种保护作用，并实现了太阳能电池板的最大功率点跟踪.本系统能够对各个模块的状态进行实时监测，LED光源既能够根据外界环境进行智能调节亮度，也可以根据需要进行人工调光.此外，系统还扩展设计了5 V的USB电源接口，可方便地移植到其他设备中，具有一定的推广价值.

［1］欧阳名三，余世杰，沈玉木梁.一种太阳能电池MPPT控制器实现及测试方法的研究［J］.电子测量与仪器学报，2004，18(2):30 －34.

［2］王健，刘廷章，杨晓.基于太阳能驱动的 LED照明系统［J］.自动化仪表.2008，52(12):5 －10.

［3］路晓，秦立军.自适应扰动观察法在光伏MPPT中的应用与仿真［J］.现代电力，2011，28(2):80 －84.

［4］王宜怀，吴瑾，蒋银珍.嵌入式系统原理与实践—ARM Cortex-M4 Kinetis微控制器［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［5］王锐，周泽坤，张波.用于PWM控制DC-DC变换器的电流检测电路［J］.电子与封装，2006，6(7):28 －31.

Design and Implementation of Solar LED Lighting Driver System Based on Embedded Technique

HU Qing，ZHANG Kang，ZHUO Bixin，TANG Ziqian
(School of Electronic and Information Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China)

A new solar LED lighting driver system based on embedded technique is designed for efficient use of green power.It generates electricity by solar cells which are detected real-timely.Boost-Buck DC/DC converter is controlled by the PWM to realize the control of the maximum power point tracking(MPPT)charge and the intelligent management to the batteries.LED is adopted to improve the energy efficiency，working reliability，practicality and environment protection.

solar power;MPPT;embedded;LED-lighting;intelligent control

TM914.4

A

1004－5422(2014)01－0049－03

2013－11－13.

四川省教育厅科技应用基金(11ZB278)资助项目.

胡 庆(1977—)，女，硕士，副教授，从事通信电路与物联网技术研究.