摘要：为实现太阳能路灯的智能开关控制、自动充放电、节能调光以及保护蓄电池等功能，设计了电源供电模块、AD采集模块、充放电控制模块、串口通信模块4个系统模块，并将系统设计成负系统，以保证系统稳定可靠的工作。
关键词：太阳能路灯；智能开关控制；自动充放电；节能调光；蓄电池保护
中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：16749944（2014）02026104
1引言
随着现代科学技术及经济的迅猛发展，各国对煤、石油、天然气等不可再生能源的开采也到达了顶峰，随之而来的能源缺乏、环境污染等问题成为了人类在21世纪面临的重大问题。因此，人类开始注重开发可再生且污染小的能源，其中太阳能以其应用广泛、应用领域众多等受到关注。太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注。
近年来，太阳能路灯作为技术和艺术相结合的太阳能照明系统，已开始在美国、法国、日本等发达国家很多地区得到广泛应用，在我国则处于起步阶段。在我国，太阳能路灯的研究方向主要是针对地理形势、气候形式以及环境特点为基础的提高光电转换、优化控制系统、人性化的光控系统等。如今，太阳能路灯的应用已取得了显著的成效，在我国的很多地区都得到了应用。但目前国内太阳能路灯普遍存在的问题是功率小（光照度相当于100W以下的白炽灯），在遇到连续阴雨时，只能工作5d左右，且在大面积使用时，其启动的时差高达十多分钟，从而严重影响了阳光电灯的推广和应用。
因此，在我们大部分的城市路灯仍采用的是市电供应，浪费大量的能源，特别是在能源日益紧张的今天，采用太阳能路灯就显得十分重要。在太阳能路灯系统中，路灯控制器是整个系统的中控部分，它负责准确地控制电池的充放电，放电电池的开启和关闭，智能地调节路灯的亮度，所以设计稳定可靠智能的路灯控制器在整个系统中是至关重要的。
本文中太阳能路灯系统主要是通过单片机来完成控制和实现，单片机实现了对太阳能路灯系统的智能控制。太阳能电池板利用光伏效应将光能转换成电能，电流流经控制器，控制器采用单片机ATmega8来实现电流充放电的控制，通过处理器（ATmega8）发送指令对蓄电池充电且蓄电池给LED供电。
2太阳能路灯设计原理
太阳能路灯的系统设计原理如图1所示，太阳能电池板在太阳能光的照射下，其内部PN结会形成新的电子空穴对，在一个回路里就能产生直流电流，这个直流电流流入控制器，同时控制器发出指令对蓄电池进行充电，即蓄电池在白天的时候会接受充电，而在晚上则会提供能量给LED；LED的工作是通过控制器进行的，控制器在保证LED恒流工作的同时，也会监测LED的状态及控制工作时间长短；蓄电池的充电完全只是通过太阳能来实现的，以确保最大限度使用太阳能。
3太阳能路灯硬件电路设计
3.1电源供电模块
根据设计要求将采集的太阳能转化为电能后存储于蓄电池，将蓄电池的电压经稳压后输出稳定的+5V直流电源，所以，需要将宽泛的电压转换成12V电压，再将12V电压转换成5V的电压。
因此，本文选择LM2596开关电压调节器，该调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性，且固定输出5V，绘制电源模块电路如图2所示。
3.2AD采集模块
ATmega8有1个十位的逐次逼近型ADC。ADC与1个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口C的8路单端输入电压进行采集，ADC包括1个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。
3.3串口通信模块
由于串口RS232电平是-10V～+10V，MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包括2驱动器、2接收器和1个电压发生器，该器件每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换为5TTL/CMOS电平，每一个发送器将TTL/CMOS电平转换为TIA/EIA-232-F电平。
TLP521光电耦合器：TLP521是可控制的光电耦合器件，其广泛用于电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，增加安全性，减小电路干扰。主要有两方面的作用：一方面，光电耦合器可以起到隔离两个系统的地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响；另一方面，光电耦合器的发光二级管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式，由于电流环路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因此提高了通信系统的抗干扰能力（图3）。
3.4充放电控制模块
自动充放电，当阳光充足，光伏组件电压大于蓄电池电压时，单片机对蓄电池充电；当夜晚来临并且蓄电池电压足够时侯接通放电回路，蓄电池对LED灯供电。
利用单片机来控制太阳能电池板对蓄电池充电以及蓄电池对负载的供电，对蓄电池起到保护作用，防止其过冲和过放，以及内部短路保护。
蓄电池保护（蓄电池为12V）：当蓄电池电压低（低于10.6V）时，会自动关闭路灯，防止过放，以保护电池。当电池充满（14.4V）时，会停止其他充电状态，而进入涓流充电状态，以防止过冲。
该电路所能实现的是当蓄电池电压低（低于10.6V）时，Q1导通，对蓄电池进行充电；当蓄电池和太阳能板电压相等时，Q1不能被导通，因此蓄电池停止充电，实现了所需的防止过冲（图4）。
3.5继电器控制灯
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由7个硅NPN复合晶体管组成。该电路有如下特点：ULN2003的每一对达林顿都串连一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003是大电流驱动阵列，可用于单片机、智能仪表等控制电路中，可直接驱动继电器等负载（图5）。
3.6充电PWM控制
目前有多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，本文设计采用的是PWM调光技术对LED路灯进行调光的脉冲PWM法。它是把每一脉冲宽度相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电流的目的，从而可以使PWM调光技术对LED路灯进行调光，可以和各种可调光恒流匹配工作（图6）。
3.7复位源
3.7.1上电复位
上电复位（POR）脉冲由芯片内部的电源检测电路产生。当Vcc低于上电复位VPOT时，MCU复位。上电复位电路既用于上电触发复位启动，也用于掉电复位启动。当系统上电时，上电复位POR电路使MCU处于复位状态，复位状态的保持时间为：Vcc上升到VPOT的时间+启动延时时间。当系统电源电压Vcc下跌，低于VPOT时，无需经过任何延时，MCU立即进入复位状态。
3.7.2外部复位
在RESET复位引脚上的一个低电平脉冲将产生外部复位，该低电平的宽度至少为TRST。当RESET引脚上的电平由低变高，达到VRST时，再经过设定的启动延时时间，MCU启动运行（图7）。
3.8晶振电路
ATmega8的XTAL1和XTAL2引脚分别是片内振荡器的反相放大器输入、输出端，可在外部连接一个石英晶体或陶瓷振荡器。熔丝CKOPT用于选择两种不同振荡器的工作方式。当CKOPT被编程时，振荡器的输出为一个满幅的振荡信号。对于系统能够适合在高噪声环境下工作，或需要把XTAL2的时钟信号作为时钟输出驱动时可以采用此种方式。该方式有较宽的工作频率范围。当熔丝位CKOPT未被编程时，振荡器输出一个较小摆幅的振荡信号，此时相应减少了功率消耗。但此种方式的工作频率范围受限，振荡器的输出不能作为外部时钟驱动使用。
外接的陶瓷振荡器在CKOPT未编程时，最大工作频率为8MHz，在CKOPT被编程时，最大工作频率为16MHz。无论外接使用的是石英晶体还是陶瓷振荡器，电容C1和C2的值总是相等的。具体电容值的选择，取决于使用的是石英晶体还是陶瓷振荡器，以及总的引线电容和环境的电磁噪声。
在本部分设计中，电容值的选取是由于在许可范围内，C1，C2值越低越好，C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。而电容C至少要22pF，因此本设计采用22pF。这两个电容的作用是上电时帮助晶振起振，因为晶振正常工作输出为正弦波，有时不加电容起动不起来，加电容后，刚一上电给电容充电，电容放点帮助晶振起振（图8）。
3.9状态指示
此电路用于显示电路所处状态，表示电路处于充放电或过冲过放状态（图9）。
4总结
（1）智能性：采集光强实现智能开关灯，通过光敏电阻采集光强，当光强低时，路灯开启；采集电压值实现自动充放电，白天或蓄电池电不足时，对蓄电池充电，在夜晚蓄电池电量充足时，对LED供电。
（2）人性化：PWM调制充电并具备蓄电池保护，延长蓄电池寿命。PWM调制放电，PWM控制路灯调光，不同的时间段，占空比不同，达到不同程度的节能，根据实际和需求控制路灯的亮度，达到环保和人性化。与时控路灯相比较，不需要通过时间设置，到达时间才可以开启，而且可以根据时间来调整灯的亮度。因此，本设计更彰显出人性化，更适合应用。
（3）稳定性：本设计在串口通信模块增加了隔离电路，增加了继电器火花抑制电路，同时充电控制电路为单向流动，具备防反冲功能。
参考文献：
[1] 侯现伟，房建国.控制器在太阳路灯中的应用 [J].阳光能源，2009，28（3）.
[2] 吕金铭.国内外光伏发展新进展[J].中国建设动态（阳关能源），2007（1）：28～31.
[3] 张明辉.中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J].新能源与新材料，2007（1）：1～6.
[4] D. Tokushima， M.Uchida， S. Kanbei， H. Ishikawa， H.Naitoh.A new mppt control for photovoltaic panels by instantaneous maxmiun power point tracking[J]. CEAI，2006，157（11）：73～80.
[5] 汪友华.太阳能LED路灯照明系统设计[J].电器应用，2009，28（3）.
[6] E.Ian Baring-Gould. Hybind Power Systerm Simulation Software. 12/99.
[7] A. I. Bratcu， I.Munteanu， S. Bacha， and B.Raison.Maxmiun power point tracking of grid-connected photovoltaic arrays by using extremum seeking control[J]. CEAI， 2008，10：3～12.
[8] 徐军，彭咏龙，李亚斌.基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯研究[J].电子质量，2008（10）.
[9] 何朝阳，戴军，吴丽琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电子技术，2006（12）.
[10] 王文祥.基于单片机的太阳能路灯控制系统设计[J].科技信息，2009（28）.
[11] LL Bucciarelli. Photovoltaic Soclar Energry Systems[J]. The Solar Resource SP.769 9/22/04
[12]HUA C， LIN J.A modified tracking algorithm for maximum power tracking of solar array[J].Energy Conversion and Management，2004，45（6）.
[13]Steady-Statemodel of Large-Scale Grid-Connected PhotovoltaiC Power Generation System. Proceedings of ISES Solar World Congress 2007：Solar Energy and Human Settlement[C].2007.
[14] Zhao Jianhua， Wang Aihua，Martin A G. Solar Energy Materials and Solar Cells， 1996， （41/42）.
[15] Haas.Reinhard et al.Socio—econnomic aspects of the Austrian 200KWp phtotvoltaic—rooftop programme [J].solar energy，1999，66（3）：183～191
[16]J.W.Kimball，P.T.Krein.Discrete-time ripple correlation control for discrete-time systems[J].IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst， 2006，42（1）：249～258.
[17]Y. H. Lim and D. Hamill.Simple maximum power point tracker for photovoltaic arrays[J].Electron. Lett，2000，36（11）：99～107.
[18] Y. H. Lim and D. Hamill.Synthesis， simulation and experiment verification of a maximum power point tracker from nonlinear dynamic[J].Proc. IEEE 32nd Annu. Power Electron. Spec. Conf， 2001，1：199～204.
