风光互补LED路灯控制器的设计

潍坊科技学院 王泽尚

引言

风能、太阳能这两大可再生能源，受到季节、地理位置等的影响，在正常条件下，两者的变化趋势处于相反的状况，因此如何让两者共同发挥出作用是目前能源研究的趋势。当今社会电能是人们小号能源的主要方式，对电的依赖是非常强的。但中国地大物博，很多偏远地区电能不发达，但是风能、太阳能充沛，这些地区的独立供电变成了趋势。因此在这些地区将风能、电能互补利用便成了解决偏远地区电能不足的非常好的选择。

风能和太阳能联合供电的情况被称为风光互补，风光互补供电属于清洁可再生能源，同时风能、太阳能都能够输出直流电，直流电可以直接通过蓄电池储存能量，然后再给负载供电，如果所用电气为交流，加逆变装置便可灵活实现。风光互补供电分为独立式和并网式，独立风光互补供电在偏远地区的电气化应用中起着非常重要的作用。

1 系统总体设计

本设计以单片机PIC16F873为核心，有光伏板发电、光伏控制器、永磁同步发电机、风力发电控制器、光敏感光模块、蓄电池组、智能放电管理模块、LED灯等组成。系统通过太阳能光伏板和永磁同步电机给电池组充电，保证LED灯的能量来源。在充电的过程中，要有电压稳定电路和充电保护功能。系统具有完全自动和手动两种工作模式，手动模式手动控制LED的开通和断开，自动则是通过光敏电阻感应控制LED的开通和断开。

图1 风光互补照明系统整体结构图

上图为风光互补控制系统的整体框图，从整体框图中可以看出能源来源有两个，一个是太阳能光伏板，另一个便是PMSG（永磁同步发电机），两者分别通过光伏控制器和风能控制器，对电池组进行充电，然后电池组给LED灯提供能量。这种控制器的作用有两个，一是高效给电池组充电，另一个是只能管理蓄电池放电。

2 系统的硬件设计

2.1 风能发电模块

由整体框图知，风力发电机发出电能后经过风能控制器进入电池组，给电池组供电。风能充电控制器主要由整流电路、DC/DC模块组成，整流电路根据可控性可以分为可控整流器、不可控整流器。本设计中采用的是不可控的整流器。而DC/DC模块根据始末电压的高低分为降压BUCK电路，升压BOOST电路，还有升降压电路。结合本设计的电压特点，采用的升压BOOST电路。

作为风力发电系统的核心，风力发电机的作用是风能——机械能——电能的能量转化，它的效率高低直接影响着整个系统的效率高低。风力发电机发出的电能通过三相不可控的整流电路，将其变为直流，然后再将直流电通过升压BOOST电路实现对电压的升高，并对电池组进行充电。

本设计采用的风机为小型的垂直轴的风力发电机，这个发电机系统的BOOST升压电路后端电阻理解为可调负载，可调负载的大小使用开关管SW的通断，SW的通断决定着整个电路的占空比。在负载恒定不变的情况下，改变升压BOOST电路的空比进而改变等效负载电路，实现对最大功率电的跟踪。

2.2 光伏充电模块

根据风光互补整体结构图，光伏充电模块是光伏发光板与蓄电池的中转链接点，它的基本功能是将光伏板输出的电能快速充给蓄电池模块。光伏充电模块目前常用的拓扑结构主要是降压BUCK和升压BOOST两种，控制方法常用扰动观察法、增量电导法等实现对太阳能板的功率跟踪。在本设计中，硬件部分采用去电感的光伏充电方式，而软件的控制方法采用开环MPPT法。

在主电路的拓扑结构中，只有一个电容C作为储能元件，这样可大大减小电路的损耗和系统的损伤，提高光伏板的利用效率。光伏充电模块控制电路采用的核心器件是单片机PIC16F873A，它主要由三部分组成，电压检测电路、供电电路、MOSFET管的驱动电路。

2.3 蓄电池管理模块

蓄电池管理模块从功能上主要包括停充控制、充电程度计量、智能放电管理三部分。在硬件电路部分，主要介绍停充控制，充电程度计量、智能放电管理这两部分将在软件中介绍。

停充控制：对电池组的停充，主要是通过单片机PIC16F873A来控制。PIC16F873A的输出管脚通过与门74HC08后进入到开关管。74HC08与门连接的是充电控制器和放电控制器发出的开关信号。

充电控制器对电池组进行电压检测，当检测到的电压低于浮充电压，BATproject为高电平，与门产生开关信号，系统对电池组充电。当检测到电池电压高于浮充电压，BATproject为低电平，与门的开关信号关断，停止对电池组充电。

2.4 led灯控制电路

在本设计中照明灯采用的白色高亮类型的LED灯，这种LED灯维护成本低、照亮速度更快，寿命是普通白炽灯的百倍以上，发光效率可达到80%，高亮LED灯采用三极管驱动。在控制部分还通过光敏电阻进行智能控制。

如今光敏电阻被广泛用于光的控制、测量以及光电转换。本设计便是采用GMDZ光敏电阻传感器模块对光照进行检测，该模块可以实现对周围环境的光强和亮度进行检测。光敏电阻由硒化隔等半导体材料制成，主要依靠光电效应来实现其功能。光敏电阻对光非常敏感，只要人眼能感觉到的光，就会导致电阻值的变化。一般来说，光的强度越大，光敏电阻的电阻值越小。在黑暗条件下，它会呈现高电阻状态，电阻值一般会达到1.5MΩ。

光敏电阻传感器模块电路图如图2所示，其中R1电阻为分压电阻，将光敏电阻传感器检测到的光照信息转化为模拟电压信号，模拟量信号接入LM393比较器后，即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较，进而得出DO数字信号（即高低电平信号）。

图2 光敏电阻传感器模块内部电路图

图中C1、C2为滤波电容，R2、R3均为限流电阻，来保护LED灯，防止LED灯烧坏，LED处于低电平有效状态。R4是一个上拉电阻，通过电阻将不确定信号钳位到高电平，并且还充当限流器。保证LM393比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

3 系统软件设计

风力发电机通过H桥不可控整流电路后的电压值，由单片机PIC16F873的PIN3管脚负责进行模拟数字之间的转换，模数转换完成后，对采样的整流电压值进行判断，如果电压值大于预先设定值，PIN16(RC1)发出信号进行保护，控制继电器于升压BOOST电路进行分离，风力发电机在这种情况下属于空载，实现了对风力发电机的保护。相反，采样整流后的电压值小于设定值，将由单片机内部程序进行占空比计算，对后面的电池组进行充电。程序流程图可以用下面的图3表示。

图3 风能充电流程图

光伏充电软件的流程为系统上电后，首先对RC3引脚进行初始化，并将RC3引脚设置为输出类型，同时还需要对AD模块、定时器进行初始化，为测量输入电容的电压做准备。测量出电容的电压后进行判断，看是否在设定值范围内，如果小于设定值，继续对输入电容进行测量，当大于设定值时，RC3引脚置为1，开关管导通，定时10ms，RC3引脚置为0，开关管关断，定时2ms，结束。

4 总结及展望

风光互补LED照明系统从组成上看，有光伏板、风机对蓄电池充电管理和蓄电池对LED的放电管理两部分，因此蓄电池的充放电管理是系统的核心。本文主要对这两部分的硬件进行设计，对软件进行流程性规划和论证。

光伏板充电方面，光伏板对蓄电池充电。光伏控制器以PIC16F873A为主控芯片，通过实时检测输入电容上的电压来控制硬件电路开关的通断，实现对蓄电池的脉冲充电控制。风能充电方面，风力发电机采用的是小型三相永磁同步电机，经过整流后进入风机控制器。主电路采用升压BOOST电路，控制电路以PIC16F873A单片机为核心，通过不断检测C的电压，对主电路开关管的占空比进行调节，提升系统的发电性能。蓄电池充放电管理有两方面控制，时钟芯片DS12887、充电脉冲个数计量两部分，实现对蓄电池组的充电和对蓄电池电量的检测。高于过充电压即停止对蓄电池的充电，低于过放电压发出关灯控制，同时还对所充脉冲个数判断放电时间。也就是在蓄电池充电末期的时候，加入放电脉冲来提高充电接受能力，延长蓄电池的使用寿命。