基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计[2]

　　2 硬件设计

　　虽然太阳能LED 路灯控制器在整个系统中是价值最小的部份，但是它却是整个系统的核心控制部分。一个设计先进的控制器，除了完成最基本的充放电控制功能外，还能控制太阳能电池方阵尽可能吸收太阳能，提高效率; 能防止蓄电池过充电及深度放电，延长蓄电池的使用寿命; 能根据环境，调节LED 光源的亮度，特别是在后半夜还能实现半功率点亮负载，从而尽可能节能等. 由于光伏电池板的输出电力有很大的不确定因素、蓄电池的充放电特性非线性，另外两者受环境影响较大，因此设计一个性能良好的充电放电控制器对系统性能有很大影响. 本文是对控制器设计的一个有益的探索.

　　本文设计的控制器是采用STC12C5410AD 单片机作为主控器件，该器件内置4 路PWM 通道，8路10 位ADC 通道，工作频率高达35 MHz，指令兼容51 单片机但速度快8 ～ 12 倍，非常适合本设计要求. 由于两组太阳能电池采用串联连接，输出电压为36 V，蓄电池电压为12 V，LED 路灯工作电压为24 V，因此充电电路采用DC /DC 降压变换电路( Buck) ，放电电路采用DC /DC 升压变换电路( Boost) ，通过软件实现充放电的控制策略，从而最终达到提高效率、节能的目的( 如图2 所示) . 本文重点论述充放电电路及其控制策略。

　　2. 1 充电电路及控制策略

　　充电电路由电感L1、功率MOSFET 管T1和续流二极管D2构成降压型Buck 电路，如图3 所示. 通过改变加在MOSFET 控制栅极的脉冲宽度( 脉冲宽度调制Pulse Width Modulation，PWM) 就可以改变太阳能电池板的输出电压. 通过检测太阳能电池板的输出电压和电流、蓄电池的电压和电流，判断蓄电池的电荷状态，选择合适的充电方式为蓄电池优化充电. 当蓄电池电压超过一定电压后，关断T1，防止蓄电池过充电. 当系统检测到环境光线充足，控制器就会进入充电模式.

　　然而，充电的效率与充电电源( 太阳能电池) 、负载( 蓄电池) 以及环境的特性是紧密相关的. 太阳能电池的输出功率是日照强度和周围环境温度的非线性函数[1]，如图4 所示.也就是说，当日照强度增强时，最大输出功率相应增大; 当温度增加时，输出功率降低; 但一定条件下，总存在一个最大输出功率点. 当忽略温度效应时，不同光照条件的输出特性与负载曲线L 的交点A，B，C，D，E( 工作点) 显然不都是最大功率点，若采用直接匹配必然带来输出功率的损失。