太阳能LED路灯照明系统设计

摘 要：文章针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点，设计了以STM8S单片机为核心控制器的太阳能LED路灯智能照明系统。该照明控制系统不仅能够对太阳能蓄电池进行智能充放电控制，而且能够自动检测外界光强自适应调整自身灯光亮度，周期性采集光照度、温度等环境信息，实现时控加光控自动控制功能，工作稳定可靠，充放电效果好，无需人工操作，延长了蓄电池的使用寿命。

关键词：太阳能LED路灯；PWM；STM8S；路灯控制器

引言

随着环境污染的不断加重及能源资源的日益稀缺，太阳能作为一种新型可再生能源，因为其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点，在许多领域已经得到了广泛的发展和应用，尤其太阳能发电领域业已发展成为成熟的朝阳产业[1]。LED灯具有高效节能、寿命长、环保等优点。因此，文章将太阳能与LED路灯有机地结合在一起，设计了基于STM8S单片机的太阳能LED路灯照明系统，实现了节能环保的照明模式，解决了市场上一些太阳能控制器存在的缺陷。

1 太阳能LED路灯照明系统简介

1.1 太阳能LED路灯照明系统组成结构

太阳能LED路灯系统主要由太阳电池板、蓄电池、路灯控制器、LED灯具组成[2]。文章主要为太阳能直流供电系统、太阳能直流路灯照明系统设计了一款高性能太阳能控制器。

1.2 太阳能LED路灯照明系统的工作原理

太阳能LED路灯照明系统中，太阳能电池板在太阳光照射下，其内部PN结形成新的电子-空穴对，在一个回路里产生直流电流；这个电流流入控制器，会对蓄电池进行充电。蓄电池白天接受充电，而晚上则会提供能量给LED。LED是通过控制器驱动工作的，控制器在驱动LED恒流工作同时，也会监测LED的状态以及控制LED工作时间。在蓄电池电能不足的情况下，控制器会发出控制信号启动外部的市电供电系统，保证LED的正常工作[3]。

2 系统硬件电路方案

太阳能LED路灯照明控制系统电路组成结构如图1所示。主要电路包括：太阳能电板电压检测电路、蓄电池电压检测电路、、PWM充电电路、放电和保护电路、温度检测电路等。其中，充放电控制、电流、和温度采样电路实现的功能为：（1）电池充电模式，以选择一个不同的状态；（2）LED照明时间或可选自动定时控制；采样的太阳能电池的输出电压和太阳能电池板的电流；（3）取样线的开路电压，该充电状态的电压；（4）在样品上，所述电池的电流值，包括两个充电和放电状态。

图1 系统总体控制电路结构图

3 系统硬件电路设计

根据系统的功能要求，基于STM8S单片机设计的太阳能控制器电路主要包括充放电主回路、光电检测电路、电源电路以及各种保护电路等。

3.1 充电电路及控制策略

太阳能电池板电压经半桥分压电路R1和R2分压后，送至STM8S的片上ADC1口实时监测来判别光线的强弱。白天光线充足时，由太阳能电池板给蓄电池充电。控制器根据实时采集的蓄电池端电压大小，控制器把不断检测蓄电池端电压作为控制充电程度的方法；另外设定转换点的蓄电池端电压值，控制充电各阶段的自动转换和停充。

较好的充电策略是智能三阶段充电方式（快充、过充和浮充）。

（1）快充阶段。相当于电流源的充电电路的输出端。输出电流是根据可接受的最大电池电流。在充电过程中，电池的端电压进行实时检测，当电池端电压上升到所述阈值的转换后，通过充电电路进行充电阶段。使用MPPT算法来控制输出电压，输出电流是固定的。

（2）过充阶段。充电电路，而被检测到的充电电流，以提供一个较高电压的电池。当充电电流下降到阈值转换器，当电池被完全充电可以被识别，一个充电电路，在下一阶段如下-浮充的阶段。

（3）浮充阶段。当电池充满电，最好的办法是保持电源给电池提供准确，具有温度补偿功能的浮充电压。

3.2 放电电路及控制策略

当放电电路检测到所述太阳能电池板的电压低于1V时，打开控制电路，1分钟后的延迟，由电池供电的负载，使LED灯。刚充满电的电池电压较大，一般在22.6～24.6V。作为最好的单个LED灯的负载的驱动电流13～18毫安，3～3.2V的驱动电压。因此，流过LED的电流约为26.7～31.5毫安，远高于可接受13～18毫安更大。当电池电压低于23.5V时，单片机I/O发出一个高电平信号的过放电保护电压时，晶体管Q2导通时，MOSFET Q2被关断时，电池不再供应给负载；当电池电压上升到过放电恢复点24V，然后也通过I/O的低电平信号发出时，晶体管Q2截止，场效应管Q2导通，则电池将继续向负载供电，当在24.6V的电压？25.6V变化，然后再次PWM供电负荷。

3.3 供电电路设计

太阳能LED路灯控制器电源由蓄电池提供，由于蓄电池输出的是直流24V，而控制器上的MCU和运放等其他电子元件需要的是直流5V电源，故需要进行DC/DC变换，本系统采用电压转换芯片LM2931AM对蓄电池端电压实现降压变换至5V。

4 系统软件设计

软件主要是设计来协助完成硬件电路控制器的控制策略，在图2所示的主程序。采用MPPT算法快充阶段可提高输出功率光伏电池成为可能。把电子节目采用PWM技术来调整负载电流可以在午夜被完全切断负载，实现半功率点亮负载。

5 结束语

太阳能LED路灯照明系统是太阳能新能源与新生代绿色光源LED的完美结合。文章以意法半导体的STM8S单片机为核心设计的路灯照明控制系统，总体上，实现了三个阶段的智能电池充电控制功能，并能有效地防止电池的过充电，同时还实现定时和切断的半功率点负载，电池电压小于过放电电压的负载会切断，所以电池过度放电保护，延长电池寿命。该系统在能源利用率和工作可靠性方面有一定的实用价值。

参考文献

[1]王亚南，黄鹤松，刘华东等.基于AVR的智能太阳能路灯控制器的设计[J].技术与产品太阳能，2011（13）：31-41.

[2]赵争鸣，刘建敏，孙晓瑛等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[3]施钰川.太阳能原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，2009.

[4]吴正茂，杨莹，吴勇等.基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计[J]，南昌工程学院学报，2011，30（6）：19-22.

作者简介：马法平（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：模式识别与智能控制系统研究。