基于单片机的太阳能LED路灯控制器设计

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　　0 引言
　　由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。
　　太阳能LED 路灯属于当今社会大力提倡利用的绿色能源产品。太阳能LED 路灯系统的核心是控制器。目前市场上的控制器普遍存在对太阳能利用率不高、通用性差、寿命短、对蓄电池损害严重等问题。为此，本文设计了一款能有效解决上述问题的基于STC15F2K61S2 单片机的太阳能LED 路灯控制器。
　　该控制器以STC15F2K61S2 单片机为控制核心，将太阳能发电部分与LED 恒流驱动电路集成在一起，提高系统可靠性；采用同步Buck 结构将太阳能电池组件的最大功率点跟踪与蓄电池的多阶段充电法有机结合起来，提高系统对太阳能的利用率，延长蓄电池寿命；采用无电解电容的DC/DC 电路提高恒流源电路的寿命；以LT3755 为LED 恒流源驱动芯片，采取双PWM方式将LED 的模拟调光与数字调光有机结合起来，使并联LED数目可以提前设定，亮度可以分时段调整，增强控制器的通用性，有效延缓LED 的光衰。该控制器同时具备蓄电池过充、过放保护，负载短路保护，防雷保护等多种保护功能。
　　1 控制器系统组成与工作原理
　　大功率太阳能LED 路灯系统原理图如图1 所示。系统包括太阳能电池板组件、同步Buck 电路及其驱动、阀控密封式铅酸蓄电池、LED 恒流驱动、LED 路灯和STC15F2K61S2 单片机最小系统等。太阳能电池组件为系统提供能源，单片机通过采集太阳能电池组件的输出电压来判别是白天还是黑夜，当检测到电池组件的电压高于一定值时，进入白天模式，单片机根据所采集的太阳能电池组件的输出电压、充电电流、蓄电池电压和环境温度等信号，控制同步 Buck 电路工作，实现对太阳能电池组件的最大功率点跟踪(MPPT)、蓄电池的分阶段充电；当检测到太阳能电池组件的输出电压小于一定值时，进入黑夜模式，单片机输出两路PWM 控制LED 专用恒流驱动芯片LT3755 驱动LED 路灯工作。

　　图1 太阳能LED 路灯系统原理图
　　2 控制器硬件设计
　　太阳能LED 路灯控制器硬件电路包括蓄电池充电电路、LED 恒流驱动电路、电源电路、单片机最小系统电路和温度采集电路等。本文主要论述蓄电池充电电路和LED 恒流驱动电路，其它电路的设计比较简单，在本文不做讲述。
　　2.1 蓄电池充电电路
　　蓄电池传统的充电方式分快充、过充和浮充3 阶段。由于蓄电池的最大可接收电流一般很大，实际应用中太阳能电池无法提供蓄电池最大可接收电流，因而传统的3 阶段充电方式不能有效的适用于太阳能对蓄电池的充电。本文设计采用MPPT 充电、恒压充电和浮充充电方案代替传统的3 阶段充电方式，使系统在提高太阳能利用率的同时，延长了蓄电池寿命。
　　充电电路的具体设计如图2 所示。本文采用MOSFET 管取代二极管，即同步 Buck。MOSFET 管具有极低的导通电阻，可以实现比采用二极管高得多的转换效率，最大限度地减小太阳能的损失，且不会带来严重的散热问题。为使MOSFET 工作于最佳状态，其驱动电路采用IR 公司的IR2101 半桥驱动芯片来驱动两个场效应管工作，通过编程使STC15F2K61S2 从CCP1_3、CCP2_3 输出2 路边沿对齐的50KHz 互补PWM 脉冲驱动同步Buck 工作。
　　太阳能电池组件的电压、电流检测由单片机ADC2、ADC6 模数转换通道完成，用以确定太阳能电池组件的输出功率，蓄电池电压的检测由单片机ADC0 模数转换通道完成，作为蓄电池充放电状态信号。当蓄电池的电压低于13.2V 时，采用扰动观察法实时调整PWM 脉冲宽度，以太阳能电池组件输出最大功率对蓄电池进行快速充电，当蓄电池的电压高于13.2V 而低于13.6V 时，单片机控制Buck 电路退出MPPT 功能，使Buck 电路变成恒压输出，并且以恒压方式对蓄电池进行慢速充电。当蓄电池的电压高于13.6V 时，单片机控制Buck 电路对蓄电池进行浮充充电。
　　图2 充电电路原理图瞬态抑制二极管TVS 为防雷管，太阳能LED 路灯控制系统一直工作在户外，难免会遇到雷击，为此，系统在控制器的每两个接线柱之间接一个瞬态抑制二极管，有效保护控制器免受损坏。
　　2.2 LED 恒流驱动电路
　　不同的场所对LED 路灯的功率要求不同，传统的恒流源电路输出电流只能恒定在某一定值上，输出功率也恒定在某一两个定值上，这一方面导致LED 路灯需要和恒流源一致才能正常工作，另一方面导致LED 路灯需要定制。为此，本文设计了一种新型太阳能LED 路灯控制器，可根据路灯并联数目的多少，预先设定控制器的恒流源输出电流，使控制器具有一定的通用性。
　　大功率LED 恒流驱动电路的设计如图3 所示，其核心器件是美国凌力尔特公司的LED 专用恒流芯片LT3755，该芯片的输入电压范围为4.5 ～ 40V，可通过LED 列的高压侧检测输出电流，输出电压为+2.9 ～ 60V，升压模式下的效率超过94%，使用PWM 调光信号，调光比最大可达3000 ：1，使用CTRL 引脚可进行10 ：1 的模拟调光，具有开路LED 保护、迟滞的可编程欠压闭锁和可编程软起动等功能。
　　图3 LED 恒流驱动电路原理图蓄电池的工作电压一般只有12V，流经LED 的电流又不能太大，为驱动大功率LED 路灯，本设计将LT3755 连接成DC/DC升压电路（BOOST）。DC/DC 升压电路的主拓扑结构由L2、D10、Q4、C16、R21 和R22 等原件组成，电阻R16 用于确定BOOST 电路的开关频率，取值范围为10K ～ 100K，R19 为控制回路的电流检测输入电阻，用于过流保护，一般取值为0.015Ω，R21 和R22 的比值大小确定BOOST 电路输出电压的大小。
　　LED 驱动电流的大小由LT3755 的CTRL 引脚电压和R20 的阻值来共同来确定，该管脚电压在1.2V 以下时，通过对其电压的调整可以实现对流经LED 的电流进行10:1 的调整，达到模拟调光的目的。根据LT3755 的这一特性，将单片机CCP0_3 管脚输出的PWM 进行滤波处理后和LT3755 的CTRL 引脚相连，根据LED 并联数目的多少，通过预先设定PWM 的占空比，达到设定LED 驱动电流的目的。通过对单片机P5.5 管脚输出的PWM 占空比调整，可以控制LED 发光强度和输出功率，达到数字调光的目的。R20 同时为LED 高压侧电流检测电阻，用于LED 短路保护，当LED 短路时，LT3755 关断其PWM 输出，恒流源电路停止工作。
　　3 系统软件设计
　　系统软件流程图如下：
　　　　　4 结束语
　　太阳能LED 路灯照明系统是太阳能开发利用与新一代绿色光源LED 的完美结合。经过多次软硬件的综合调试，控制器是以STC 单片机为核心，以DC/DC 变换电路为硬件基础，以PWM 技术为手段调节输出电压和电流，采用三段式策略来实现蓄电池的充电，其中在快充阶段采用MPPT 算法，极大突显了太阳能LED 路灯系统的环保节能优势及应用前景。
　　
　　

李小路

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