太阳能路灯控制系统设计

林 静，叶冠坤

（茂名职业技术学院机电信息系，广东茂名，525000 ）

太阳能路灯控制系统设计

林 静，叶冠坤

（茂名职业技术学院机电信息系，广东茂名，525000 ）

太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源。中国已将新能源产业上升为国家战略产业，未来十年拟加大包括太阳能在内的新能源产业投资，以减少经济对石化能源依赖和降低碳排放。以STC12C5410AD单片机为控制核心，利用太阳能极板的光生伏特效应，将太阳的辐射能转化为电能储存到蓄电池，采用PWM脉宽调制控制技术，设计定时计时电路，满足用户对蓄电池放电时间的设置；设计过载检测电路和温度补偿电路，提高系统的稳定性。系统具备优良的性能，有较好的应用价值，且该控制系统不仅仅适用于路灯，甚至可用于远郊交通设施、气象台站等领域，具有巨大的市场需求和良好的转化前景。

太阳能；单片机；控制系统；PWM

0 引言

能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础，能源问题是一个国家至关重要的问题。随着科学技术和全球经济飞速发展，对能源的需求也日趋增长。而化石燃料储量有限，且化石能源开发利用对生态环境的污染破坏及大量二氧化碳的排放引起温室效应，使全球气候变暖，自然灾害频繁。常规能源在给人类社会带来飞速发展的同时，也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的困难和挑战[1]。

太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比，是最理想的可再生能源；路灯给人们的生活带来了很多便利，但同时也消耗了大量的电能，研究太阳能路灯控制系统，开发出太阳能路灯系统，节约能源，降低路灯系统运行成本具有重要的研究意义。太阳能路灯控制系统由太阳能板、蓄电池、充放电控制板、LED灯组构成，其中太阳能充放电控制器是协调和控制整个系统工作的核心，系统设计的核心主要围绕太阳能充放电控制器的设计实现。目前市场上的充放电控制器大多并没有完善的蓄电池充电策略，充电模式选择单一导致太阳能路灯控制系统稳定性相对较低，对蓄电池的保护不够，影响了蓄电池和LED负载的使用寿命。并且没有满足用户体验的定时充放电功能结构，对太阳能利用率不高[2]。且在放电控制上没有时刻检测蓄电池电压，容易导致蓄电池过放甚至深度放电，因此在已有的基础上研发一个具备完善的保护功能和充电策略优良、高效可靠、满足用户需求的太阳能路灯控制系统更符合市场需求。

1 系统的总体方案设计

本文针对铅酸蓄电池充电的特殊要求提出了一种基于STC12C5410AD单片机PWM脉宽调制的太阳能路灯控制系统的设计方案，其中核心部分是充放电控制器，辅助电路包括太阳能极板、储能蓄电池、灯具负载，实现照明用电太阳能化的独立光伏运行系统，不仅实现了“绿色照明”，且提供USB接口免费提供应急充电，总体框图如图1所示；利用太阳能极板的光生伏特效应把太能的辐射能转化成电能储存到蓄电池，采用PWM 脉冲调制控制保护技术根据蓄电池电压的不同制定了对蓄电池直充、均充、浮充的充电策略，优化蓄电池充电方法并巧妙地采用相应电路检测太阳能极板和蓄电池的电压、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应，降低了成本；并提出设计负载检测电路保护电路避免过载以及过放检测电路，由单片机根据采集到的电压参数，发出各种控制信号，实现充放电控制，使太阳能路灯控制系统能稳定有效地运行。并可自行设置定时充放电功能，完善控制系统的功能。

图1 总系统设计框图

1.1 MCU（单片机）的选型

MCU是整个系统工作的大脑，相当于人体的大脑，因为单片机之间也有巨大差异，选择一款好的单片机非常关键了。本设计中，我们选用STC公司设计的STC12C5410AD作为 CPU。STC12C5410AD是STC公司的一款16位5V低功耗而且速度快的单片机，RAM是512 B， I/O Input端口的最大漏电流达到20mA。最快运行速度可以达200kHz，指令执行速率非常快。STC12C5410AD有23个IO口，内部集成有 10 位10 K精度 A/D的转换器，有2路16位定时器和4路PWM输出[3]。

1.2 系统电路

以STC12C5410AD 为核心，本文设计的主要电路了有：主控电路及辅助电路、电源稳压电路、充电电路、放电电路、蓄电池电压检测电路、太阳能板极电压检测电路、按键与显示电路等。

充电电路设计通过MOS功率通断时间PWM的占空比，实现给蓄 电池的三个阶段不同充电速度的充电。单片机STC12C5410AD控制着太阳能路灯控制器的各个模块。单片机通过ADC端口采样蓄电池端极电压，判断有没有达到充电条件，并根据电压大小跳转进入充电模式，由于充电环境的不确定性，充电过程中实时检测太阳能极板与蓄电池的端电压大小，同时进行采样充电电路电流，用以保证蓄电池得到稳定的充电而不影响蓄电池的使用寿命[4]。

在放电电路中，一般的控制器采用直接放电，这样容易使蓄电池过放而无法逆转，多次过放后蓄电池几近报废，本文设计电压电流采样电路，采样数据反馈回STC12C5410AD中的软件控制算法，程序中有过压过流保护程序，单片机输出信号直接控制电压驱动电路工作，进而通过驱动模块间接控制MOS功率管开通或关断。其中包含有负载保护电路，保护有分过载和短路保护，保护电路根据检测放电电流的大小，系统判断是否切断电源停止放电的一种保护。

2 系统控制方案设计

系统设计分为硬件和软件两大部分。其中硬件部分主要由STC12C5410单片机、PWM控制电路、电压检测电路、工作状态指示灯、太阳能极板、蓄电池、负载灯具等模块构成。系统硬件结构如图2所示。该系统利用太阳能极板将太阳能转化为电能，采用铅酸电池作为整个系统的储能设备，以单片机STC12C5410AD为控制核心，采用 PWM脉宽调制控制技术，实现对蓄电池的最优充电控制。通过按键设置蓄电池的放电时间，当没达到放电时间时，单片机若检测到太阳能板的电压高于一定值且蓄电池没有满电时，则太阳能充电指示灯红灯亮，同时打开充电开关给蓄电池充电；单片机通过检测蓄电池的电压，根据不同状态采用不同的充电模式，当蓄电池充满电时则指示灯黄灯亮。这样，白天太阳光照射在太阳能电池板上，通过太阳能电池板的内部转化，将太阳能转化成电能储存在蓄电池中；当达到放电时间时，若单片机检测蓄电池电压满足放电条件，则太阳能放电指示灯绿灯亮并打开放电开关，蓄电池放电，同时单片机时刻检测蓄电池电压，当蓄电池电压低于一定值时，则关闭放电开关，防止蓄电池过放。

图2 硬件系统结构设计框图

图3 软件设计流程图

3 结束语

通过以STC12C5410AD单片机为控制核心，利用太阳能极板的光生伏特效应，将太阳的辐射能转化为电能储存到蓄电池，采用PWM脉宽调制控制技术，即通过单片机输出的PWM来控制开关MOS管的通断，实现太阳能极板对蓄电池充电的控制，并可根据蓄电池电压的不同改变PWM占空比进而改变充电策略，充分保护蓄电池并提高充电效率，延长蓄电池使用寿命；同时也设计了放电检测电路，改善了蓄电池放电控制性能，防止蓄电池过放而影响使用寿命；并设计了定时计时电路，满足用户对蓄电池放电时间的设置；以及设计了过载检测电路和温度补偿电路，提高系统的稳定性。该太阳能充放电控制系统具备优良的性能，有较好的应用价值，且该控制系统不仅仅适用于路灯，甚至可用于远郊交通设施、气象台站等领域，具有巨大的市场需求和良好的转化前景。

[1]李向春,巩玉玺,高皜,等.基于单片机的大功率LED光强调制系统设计[J].自动化技术与应用,2017, 36(1):32-34.[2]刘宗霭.浅谈单片机在温度监控领域的应用[J].中国新通信,2013(2):70-70.

[3]杨桢,李鑫,汪玉凤,等.智能型太阳能路灯控制器的研究[J].计算机测量与控制,2012, 20(3):157-159.

[4]汪海燕.基于单片机的自动控制系统[J].自动化技术与应用,2006, 25(5):71-73.

Design of Solar Street Lamp Control System

Lin Jing ，Ye Guankun
(Maoming Vocational and Technical College,Maoming Guangdong,525000)

Solar energy is a new green renewable energy source, Compared with other new energy sources,it is the most ideal renewable energy source China has raised the new energy industry into a national strategic industry, The next ten years, plans to increase investment in new energy industries, including solar energy, To reduce economic dependence on fossil energy and reduce carbon emissions STC12C5410AD microcontroller as the control core, Photovoltaic effect of solar plate, The radiation energy of the sun is converted into electrical energy and stored in a storage battery, PWM pulse width modulation control technology is adopted to design the timing and timing circuit to meet the user's setting time of the battery discharge time; The overload detection circuit and temperature compensation circuit are designed to improve the stability of the system The system has excellent performance, has good application value,and the control system is not only suitable for the lights, and even can be used in the field of suburban traffic facilities, meteorological stations, has a huge market demand and good prospects of transformation

solar energy; SCM; Control system; PWM