智能LED太阳能路灯控制器的设计分析

太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的绿色、清洁能源，正迅速得到广泛应用。LED具有体积小、坚固耐用、耗电量低、使用奉命长、环保、光色性能好等特点。太阳能电池输出的是直流电，而LED也是直流驱动光源，两者易于匹配，可获得很高的利用率，又降低成本，所以LED太阳能路灯越来越受到人们的重视。

由于太阳能受天气因素的制约比较大，太阳光照射分布密度小，受光时间、强度大小具有随机性间歇性，要保证太阳能电池输出电压的稳定，就需要用蓄电池来储存电能，在白天有阳光时对蓄电池充电，晚上蓄电池给负载放电。若考虑连续阴雨天气，对蓄电池容量要求就更大，太阳能电池组容量就越大，成本也就越高。太阳能LED路灯照明系统采用市电互补方式可较好地解决这个矛盾，对推广太阳能LED路灯的应用有着现实和经济意义。

1、市电互补LED太阳能路灯系统的组成

所谓市电互补LED太阳能路灯系统，就是以太阳能电池发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅的LED路灯照明系统，采用此系统，光伏电池组和蓄电池容量可以设计得小一些，基本上是当天白天有阳光，当天就用太阳能发电同时给蓄电池充电，到天黑时蓄电池放电把负载LED点亮。在我国大部分地区，全年基本上都有2/3以上的晴好天气，这样该系统全年就有2/3以上的时间用太阳能照亮路灯，剩余时间用市电补充能量，既减小了太阳能光伏照明系统的一次性投资，又有着显著的节能减排效果，是太阳能LED路灯照明在现阶段推广和普及的有效方法。

LED太阳能路灯系统如图1所示，由太阳能电池、路灯控制器、蓄电池、市电供电、开关电源和LED路灯等五部分组成。其中，路灯控制器是整个系统的控制核心，用于对蓄电池的充放电控制、LED路灯的亮灭控制、市电供电的自动切换控制及相关保护控制等;太阳能电池用于把太阳能转换成电能，并且路灯控制器通过采集太阳能电池电压的大小来判断是白天还是黑夜;蓄电池是整个系统的储能设备，白天时太阳能电池给蓄电池充电，晚上或阴雨天时LED路灯由蓄电池来供电，并且路灯控制器可以采集蓄电池电压，当蓄电池供电不足时切换至市电供电。

图1 市电互补LED太阳能路灯系统

2、路灯控制器硬件设计

太阳能路灯控制器的硬件框图如图2所示，它主要由电源输入、数据采集显示控制、ARM处理器、输出部分组成。控制器以ARM处理器为核心，通过ARM微处理器对蓄电池电压、太阳能电池电压、环境温度等参数进行采集，ARM运算决策，选择符合蓄电池特性的温度补偿参数，实现高准确控制，同时，采用智能高效的PWM模糊充电方式对蓄电池进行充电，保证蓄电池工作在最佳状态。控制器带有按键、显示电路，可以方便地设置运行模式和运行参数，同时显示电路也可直观地显示当前的运行状态。

图2 太阳能路灯控制器的硬件框图

2.1 电源输入部分

电源输入部分包括对市电输入、蓄电池输入、太阳能电池输入起保护作用的反接保护电路和充放电及供电切换电路。充放电及供电切换电路实现市电供电和蓄电池供电的切换，以及实现太阳能电池对蓄电池的充电控制、蓄电池的放电控制，同时，向输出部分的MOSFET稳压及短路保护电路提供电源。

2.2 数据采集显示控制部分

数据采集显示控制部分包括控制按键、LED显示电路，电压电流采集、温度采集，感光采集和均衡电路。控制按键包括测试按键、菜单选择键和参数选择键。测试按键可使控制器进入测试状态;菜单选择键用来选择工作模式，每按一下菜单选择按键，模式值将会变换一次，同时也会显示该模式下的对应参数，此时，按下参数选择按键则可设置该模式下的运行参数;系统的运行模式和参数等重要数据均保存在芯片内部，掉电后不丢失，使调节更加方便，系统工作更可靠。LED显示电路包括5个发光二极管的状态显示和2个数码管的运行参数显示，5个LED发光二极管用来显示太阳能电池、蓄电池、市电、负载1、负载2的工作状态，2个数码管在进行参数设置时分别显示模式和该模式下的参数，在没有进行参数设置时显示温度。电压采集、电流采集、温度采集、感光采集分别完成对蓄电池和太阳能电池电压、放电电流、温度状态、光照情况的采集，并将这些信号供ARM处理器运算处理，电压电流采集电路受ARM处理器的控制，从而控制均衡电路是否工作。

2.3 ARM处理器部分

ARM处理器采用飞利浦公司ARM芯片LPC2134，该芯片是高端的32位实时处理器，在整个系统中处于核心地位。对采集模块采集来的数据进行分析处理，做出相应决策，控制充放电及供电切换电路、电压电流采集电路、MOSFET稳压及短路保护电路和软开关，实现对蓄电池的充放电控制、对控制器的保护控制、对输出负载的通断控制。当太阳能电池不能正常向负载供电时，市电通过控制器上的充放电及供电切换电路、稳压及短路保护电路和软开关，可自动单独给负载供电而非市电直接加到蓄电池上面的接入方式，可减小市电对蓄电池和市电电源造成的损坏，能有效减少市电电源功率配置。整个切换过程实现软切换，不会对负载和蓄电池造成冲击，负载工作不受影响。

2.4 输出部分

输出部分包括MOSFET稳压及短路保护电路和软开关。在ARM处理器的控制下，MOSFET稳压及短路保护电路实现短路保护和稳压输出，软开关实现双路输出独立的通断控制。

3、路灯控制器软件设计

本控制器在完成自检及初始化程序后，读取各种设定的参数，如工作模式、蓄电池类型等，然后进入白天、黑夜判断程序，根据所判断的情况分别进入白天处理程序或黑夜处理程序。白天黑夜的判断可以通过读取太阳能电池两端的电压来判断，也可以通过采集控制器预留的光敏传感器接口信号来判断，根据太阳能电池的电压来判断的白天、黑夜判断程序如图3所示。

图3 白天、黑夜判断程序流程

白天处理程序如图4所示，进入白天处理程序后首先关闭LED路灯并打开测试按键所对应的中断，然后采集太阳能电池的电压U1，蓄电池的电压U2，环境温度T，根据环境温度T及温度补偿系数(铅酸电池-5mV/℃，锂电池-4mV/℃，这一系数也可在程序中调整)计算确定蓄电池浮充点电压Uf，过充保护电压Uhvd，并根据采集到的U1，U2之间的大小关系决定是否执行充电程序，进入充电状态后，又根据U2的大小决定是直充、浮充、还是过充保护。

图4 白天处理程序流程

图5 黑夜处理程序流程

黑夜处理程序如图5所示。进入黑夜处理程序后，首先判断开灯延时时间是否到了，如果没有到，则一直等到开灯延时时间到，开灯延时时间到了，则采集蓄电池的电压U2、环境温度T，根据环境温度T及温度补偿系数计算确定蓄电池过放保护电压Ulvd，并根据采集到的U2决定进入过放保护、切换至市电供电或开启蓄电池放电以开启LED路灯，LED路灯开启后又要判断关灯时间到否，若关灯时间到了，则关闭LED路灯，两路LED路灯可以实现单独控制。

控制器在进行软件程序设计时也可增加两路负载的双时段控制功能，双时段控制是指两路负载的晚上亮灯时间和早晨亮灯时间均可设置，设置为双时段功能后，负载晚上亮灯一段时间后关闭，天亮之前再次亮灯，等到白天时再关闭，并且亮灯时间可调。双时段控制的示意图如图6所示，控制器通过监测光控点可以实现纯光控，也可以实现光控和双时段定时配合控制。光控点是指晚上亮灯时太阳能电池板的电压值，用户可以根据实际环境调整光控开启电压，比如晚上太阳能电池板有其他光线干扰而开不了灯时，可调高此值，滤除杂光干扰，但开灯时间可能提前。光控判断时间指电池板电压达到光控点时需要判断的时间，时间越长滤波效果越好，调小此值可以达到提前开灯的目的，但容易受外界杂光干扰。延时开灯指晚上延时一定时间再开灯，调节此时间，可以达到推迟开灯的目的。

控制器还设有测试功能，测试按键采用中断模式，当有测试按键按下时，进入测试状态中断服务程序。白天时，按下控制器上的测试按键，可以直接打开LED路灯负载，再次按下则关闭负载。打开后没有再按键关闭负载，则1min后自动关闭，方便现场施工测试使用。测试功能的软件流程如图7所示。

图6 双时段控制的示意图

图7 测试功能软件流程

控制器通电工作后可通过按键设置工作模式及相关参数。控制器软件程序设计时增加了蓄电池选择程序，支持密封电池、开口电池、胶体电池、锂电池等蓄电池的使用，使用前，需选择正确的蓄电池类型，通过按压设置在控制电路板上的菜单选择键进入蓄电池类型选择模式，再通过按压设置在控制电路板上的参数选择键选定蓄电池类型，设定完毕后等待30s，参数将自动保存，控制器在运行时将根据设定的蓄电池参数在ARM处理器程序的作用下自动选择匹配的参数运行。当设定的蓄电池为锂电池时，ARM处理器会发出控制信号让均衡电路有效，使锂电池各电芯的容量保持均衡，延长锂电池的使用寿命。

4、结语

本文设计的LED路灯控制器具有蓄电池选择功能，支持多种不同的蓄电池，具备温度补偿功能，可有效地延长蓄电池的使用寿命，并且具有市电互补自动切换功能。该控制器应用于路灯改造，可保持原市电供电线路和灯杆不动，更换LED光源，就构成了市电互补LED太阳能路灯，投资将大大减少，节能效果显著。