太阳能LED路灯控制系统的设计

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摘 要：设计了一套基于STC12单片机的太阳能led路灯控制系统，系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点，充分利用太阳能电池板的能量，对铅酸蓄电池充电。同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象；对LED路灯采用多段式的恒流控制，通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作，以增强LED路灯的使用寿命，实现节约用电的目的。

关 键 词：太阳能；LED；最大功率跟踪

中图分类号：TP29 文献标志码：A

一、引言

当前，由于全球性能源危机，世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源，已被公认为未来解决能源危机的最有效能源[1]；LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此，把太阳能与LED路灯有机地结合起来，开发出一套太阳能LED路灯控制系统非常重要[2]。

目前，在所有的太阳能利用中，光伏发电无疑是其中一项重要的解决方案。但是，太阳能电池具有非常明显的非线性特性，造成太阳能电池与负载之间的不匹配， 从而降低了太阳能电池的输出效率；同时光伏发电成本居高不下，制约了光伏产业的发展。因此为了充分利用太阳能，降低发电成本，提高发电效率的需要，急需研制一种能实时跟踪太阳能最大功率点（MPPT）[3]的控制系统。

为此，设计了的基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统，系统采用变步长的导电增量法跟踪太阳能电池板的最大功率点，充分利用太阳能电池板的能量，对铅酸蓄电池充电，同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象；对LED路灯采用多段式的恒流控制，通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作，以增强LED路灯的使用寿命，实现节约用电的目的。

二、系统原理

基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统原理图如图1所示。系统主要由太阳能光伏板、太阳能电流电压采集、Buck充电电路、铅酸蓄电池、Boost放电电路、蓄电池电压采集、放电电路电流采集、LED路灯及STC12单片机等部分组成。通过采集太阳能光伏板的电压来判定充电和分段式恒流负载输出。当检测到太阳能板电压高于蓄电池电压一定值时开始MPPT充电模式，这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点，通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点，充电同时实时监测蓄电池电压防止过充电；当检测到太阳能板电压低于一定值时，停止充电进入分段式恒流负载输出控制模式，此时主要根据不同的太阳能板电压值，通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

三、系统硬件设计

1.Buck MPPT充电控制主电路

太阳能最大功率点跟踪控制电路主要采用如图2所示的Buck斩波降压电路。其中，Q1、Q2就是通过PWM信号的占空比来调节太阳能板的充电电压大小，Q3、Q4主要起防反充的作用（当蓄电池电压高于太阳能板时要及时关闭），压敏电阻TVS管防雷击和浪涌电压，U1（ACS712）是霍尔电流传感器，通过它来检测太阳能板的输出电流。

2.负载开关控制电路

负载开关控制电路主要有MOS管Q7、Q8和自恢复保险丝F1、F2、F3组成，可以和后级的负载Boost电路构成简单的恒流分段式控制电路控制LED路灯工作在不同的恒流电流值下。

3.STC单片机采样控制电路

STC单片机采样控制电路如图4所示，主要完成对太阳能板的电流电压的采样、蓄电池电压的采样以及负载输出电流的采样等。通过采样的信号完成MPPT控制信号和负载多段式恒流输出控制信号的产生及各个指示灯控制信号的产生。

4.MPPT充电控制电路

MPPT充电控制电路如图5所示，主要把STC单片机产生的MPPT充电控制PWM信号通过高速光耦U4（P521）转换成MOS的控制信号，来实现控制信号之间的隔离，减少电路噪声干扰等作用，同时也有助于增加驱动MOS的能力。

四、系统软件设计

系统软件流程图如图6所示。此次设计采用的STC12单片机有2路8位PWM发生器和8路10位AD转换器，可直接实现PWM输出和AD转换。系统实时采集太阳能板电压和蓄电池的电压，当检测到的太阳能板电压大于蓄电池电压加上0.4V时，系统进入充电模式，通过判断当蓄电池电压低于14.5V时进入最大功率点充电子程序，否则关闭充电；而当检测到太阳能板电压低于6V时，系统进入放电模式，通过判断当蓄电池电压低于10.5V时停止放电，否则进入分段式放电子程序。

最大功率点充电子程序流程图如图7所示。相比于光照的突变，光伏太阳能板表面温度的变化是非常的缓慢的，因此，在研究最大功率点跟踪时，可以近似的认为光伏板表面的温度是不变的。当dU=0时，光照的变化必然引起功率P的变化；当dU=0，则光照增强。对于其他情况，可以设定一个阈值δ，当|dI|>δ时，认为光照发生了较大变化。

基于以上原理设计了一种变步长的电导增量法，未检测到光照发生变化时，若dU≠0，系统没有工作在最大功率点。在最大功率点的左侧（dP/dU>0）时，应该提高工作点的电压，即减小占空比（增大Duty值dD>0）。该区域远离最大功率点，dP/dU变化速度小，为了加快逼近速度可取，其中M1、N设置为适当的常数，当N>1时，可以放大dP/dU>1时的步长，并缩小dP/dU

五、总结

设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统，系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点，并可实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等的现象；对LED路灯采用多段式的恒流控制，通过环境照度的监测使LED路灯在不同电流强度下工作，以增强LED路灯的使用寿命，实现节约用电。

参考文献

[1] 高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势.世界科技研究与发展[J].2001，23（4）：35-39.

[2] 刘永玺.功率型白光LED的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究[D].厦门：厦门大学.2008，2-5.

[3] Cullen R.A.http：///uploads/pdf/BSE_What_is_MPPT.pdf.