太陽能已被公認(rèn)為未來解決能源危機(jī)的最有效能源，LED燈是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能照明產(chǎn)品，因此，太陽能LED路燈屬于當(dāng)今社會大力提倡利用的綠色能源產(chǎn)品。太陽能LED路燈系統(tǒng)的核心是控制器。目前市場上的控制器普遍存在對太陽能利用率不高、通用性差、壽命短、對蓄電池?fù)p害嚴(yán)重等問題。為此，我們設(shè)計(jì)了一款能有效解決上述問題的基于STC15F2K61S2單片機(jī)的太陽能LED路燈控制器。圖1為太陽能LED路燈系統(tǒng)的實(shí)物圖。

　　該控制器以STC15F2K61S2單片機(jī)為控制核心，將太陽能發(fā)電部分與LED恒流驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，提高系統(tǒng)可靠性;采用同步Buck結(jié)構(gòu)將太陽能電池組件的最大功率點(diǎn)跟蹤與蓄電池的多階段充電法有機(jī)結(jié)合起來，提高系統(tǒng)對太陽能的利用率，延長蓄電池壽命;采用無電解電容的DC/DC電路提高恒流源電路的壽命;以LT3755為LED恒流源驅(qū)動(dòng)芯片，采取雙PWM方式將LED的模擬調(diào)光與數(shù)字調(diào)光有機(jī)結(jié)合起來，使并聯(lián)LED數(shù)目可以提前設(shè)定，亮度可以分時(shí)段調(diào)整，增強(qiáng)控制器的通用性，有效延緩LED的光衰。該控制器同時(shí)具備蓄電池過充、過放保護(hù)，負(fù)載短路保護(hù)，防雷保護(hù)等多種保護(hù)功能。

　　使用時(shí)，應(yīng)按以下步驟操作：

　　1、導(dǎo)線的準(zhǔn)備：先按照不大于4A/mm2的電流密度選擇銅導(dǎo)線截面積，然后確定導(dǎo)線長度，再將控制器一側(cè)的接線頭剝?nèi)?mm的絕緣，保證安裝位置的情況下，盡可能減少連線長度，以減少電損耗。

　　2、系統(tǒng)接線順序：系統(tǒng)上電順序?yàn)椋盒铍姵?電池板-LED負(fù)載，如果連接正確且有陽光，蓄電池和太陽能板指示燈會亮，否則應(yīng)檢查接線是否正確。系統(tǒng)拆卸順序?yàn)椋贺?fù)載-電池板-蓄電池。

　　3、設(shè)定工作模式：按下開關(guān)設(shè)置按鈕持續(xù)3s以上，LED數(shù)碼管開始閃爍，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)節(jié)模式，松開按鈕，每按一次按鍵，數(shù)碼管會換一個(gè)數(shù)字，當(dāng)數(shù)碼管顯示的數(shù)字對上用戶從表中所選模式對應(yīng)的數(shù)字時(shí)(具體表格如設(shè)計(jì)說明中的表1所示)，松開按鈕，等數(shù)碼管數(shù)字不閃爍即完成本次設(shè)置。

　　4、電流參數(shù)設(shè)置：當(dāng)數(shù)碼管顯示“8﹒”并閃爍時(shí)，再次按下按鈕3s以上，進(jìn)入電流調(diào)節(jié)模式，此時(shí)3個(gè)LED指示燈和數(shù)碼管將同時(shí)閃爍，按下按鈕即可根據(jù)負(fù)載所并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)對照表格調(diào)節(jié)所需電流(具體表格如設(shè)計(jì)說明中的表2所示)，當(dāng)調(diào)節(jié)到設(shè)定值后，按下按鈕3s以上才能保存參數(shù)回到手動(dòng)模式。

　　平臺選型說明

　　STC15F2K61S2單片機(jī)開發(fā)板

　　設(shè)計(jì)說明

　　1 控制器系統(tǒng)組成與工作原理

　　大功率太陽能LED路燈系統(tǒng)原理圖如圖2所示。系統(tǒng)包括太陽能電池板組件、電壓、電流和溫度采集模塊、同步Buck及其驅(qū)動(dòng)模塊、閥控密封式鉛酸蓄電池、LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊、LED路燈和STC15F2K61S2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊(其中太陽能電池板和蓄電池不屬于控制器系統(tǒng))。太陽能電池組件為系統(tǒng)提供能源，單片機(jī)通過采集太陽能電池組件的輸出電壓來判別是白天還是黑夜，當(dāng)檢測到電池組件的電壓高于一定值時(shí)，進(jìn)入白天模式，單片機(jī)根據(jù)所采集的太陽能電池組件的輸出電壓、充電電流、蓄電池電壓和環(huán)境溫度等信號，控制同步 Buck工作，實(shí)現(xiàn)對太陽能電池組件的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、蓄電池的分階段充電;當(dāng)檢測到太陽能電池組件的輸出電壓小于一定值時(shí)，進(jìn)入黑夜模式，單片機(jī)輸出兩路PWM控制LED專用恒流驅(qū)動(dòng)芯片LT3755驅(qū)動(dòng)LED路燈工作，根據(jù)LED的并聯(lián)串?dāng)?shù)，一路PWM經(jīng)過濾波后通過LT3755的模擬調(diào)光方式確定恒流源的輸出電流，一路PWM通過LT3755的數(shù)字調(diào)光方式控制LED工作在全功率或半功率模式。

　　2 控制器硬件設(shè)計(jì)

　　太陽能LED路燈控制器硬件電路包括STC15F2K61S2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、蓄電池充電電路模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊和其他電路模塊。

　　2.1 充電電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)蓄電池不同的狀態(tài)采用快充恒流、過充恒壓和浮充3階段充電方法可提高充電效率，延長蓄電池的使用壽命。由于蓄電池的最大可接收電流一般很大，實(shí)際應(yīng)用中太陽電池?zé)o法提供蓄電池最大可接收電流，因而傳統(tǒng)的3階段充電方法不能有效適用于太陽能對蓄電池的充電。為此，本設(shè)計(jì)采取MPPT充電、恒壓充電和浮充充電方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3階段充電方式，使系統(tǒng)在提高太陽能利用率的同時(shí)，延長了蓄電池壽命。

　　充電電路的具體設(shè)計(jì)如圖3所示。由于傳統(tǒng)Buck電路中續(xù)流二極管上的損耗很大，本文中采用MOSFET取代二極管，即同步 Buck。MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，可以實(shí)現(xiàn)比采用續(xù)流二極管高得多的轉(zhuǎn)換效率，最大限度地減小太陽能的損失，且不會帶來嚴(yán)重的散熱問題。為使MOSFET工作于最佳狀態(tài)，其驅(qū)動(dòng)電路采用IR公司的IR2101半橋驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)場效應(yīng)管工作，通過編程使STC15F2K61S2從CCP1_3、CCP2_3輸出2路邊沿對齊的50KHz互補(bǔ)PWM脈沖驅(qū)動(dòng)同步Buck工作。

　　太陽能電池組件的電壓、電流檢測由單片機(jī)ADC2、ADC6模數(shù)轉(zhuǎn)換通道完成，用以確定太陽能電池組件的輸出功率，蓄電池電壓的檢測由單片機(jī)ADC0模數(shù)轉(zhuǎn)換通道完成，作為蓄電池充放電狀態(tài)信號。當(dāng)蓄電池的電壓低于13.2V時(shí)，采用擾動(dòng)觀察法實(shí)時(shí)調(diào)整PWM脈沖寬度，以太陽能電池組件輸出最大功率對蓄電池進(jìn)行快速充電，當(dāng)蓄電池的電壓高于13.2V而低于13.6V時(shí)，單片機(jī)控制Buck電路退出MPPT功能，使Buck電路變成恒壓輸出，并且以恒壓方式對蓄電池進(jìn)行慢速充電。當(dāng)蓄電池的電壓高于13.6V時(shí)，單片機(jī)控制Buck電路對蓄電池進(jìn)行浮充(涓流)充電，浮充的目的是補(bǔ)償蓄電池因自放電和系統(tǒng)較小的負(fù)載產(chǎn)生的電量消耗，同時(shí)維持蓄電池存儲電量的飽滿。

　　瞬態(tài)抑制二極管TVS為防雷管，太陽能LED路燈控制系統(tǒng)一直工作在戶外，難免會遇到雷擊，為此，系統(tǒng)在控制器的每兩個(gè)接線柱之間接一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，有效保護(hù)智能控制器的元器件免受損壞。

　　2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　在不同的應(yīng)用場所，對LED路燈的功率要求不同，傳統(tǒng)的恒流源電路輸出電流只能恒定工作在某一定值上，輸出功率也恒定在某一兩個(gè)定值上，這一方面導(dǎo)致LED路燈需要和恒流源一致才能正常工作，另一方面導(dǎo)致LED路燈控制器需要多次開發(fā)，LED路燈也需要定制。為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種新型太陽能LED路燈控制器，可以根據(jù)路燈LED并聯(lián)數(shù)目的多少，預(yù)先設(shè)定控制器的恒流源輸出電流，使控制器具有一定的通用性。