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摘要:太阳能照明系统在城市照明系统中被广泛应用，但在其中也存在着利用率较低、蓄电池寿命短等问题,本文设计的太阳能LED路灯照明控制系统通过多次测试观察表明，此太阳能照明系统具有效率高，稳定性好的优点。
关键词：LED照明；控制系统；硬件设计；结果分析
1、系统硬件设计
太阳能LED路灯照明控制系统硬件原理如图1所示。太阳能电池和市电的双电源即当太阳能充足时，电源自动切换至太阳能;当太阳能不足特别在连续阴天时，为了保证人们的正常照明需要自动切换至市电。ATMEGA16是照明系统的核心控制芯片，ATMEGA16根据检测到蓄电池的实时电压和电流值的不同，控制PD6口输出占空比不同的PWM波，进而控制IGBT的导通角，保证对蓄电池充电的精确控制;同时，ATMEGA16根据检测到的光敏电阻阻值的变化，控制PD4口输出相应占空比的PWM波，进而控制LED灯的亮度，即光越强时LED越暗，光越弱时LED越亮。LED驱动保证对LED灯进行恒流控制，以保证LED的发光质量和效率。
图1太阳能LED照明控制系统硬件原理图
2、子系统硬件设计
2.1蓄电池充电子系统设计
对于蓄电池组而言，选择适当的充电方法，可以延长蓄电池的使用寿命，而且可以提高充电效率，另外蓄电池组的可靠稳定对整个应用系统的可靠稳定也是至关重要的。这需要准确判断蓄电池组的充电状态从而选取电路的工作状态。控制器使用的充电电路采用了快充，过充，浮充三个阶段的充电方法。
图2中电压和电流取样比较器用来检测蓄电池的充电状态，并且控制充电状态逻辑电路的输入信号。在快充阶段，通过调整充电电路IGBT的驱动占空比，控制太阳能电池的输出电流，并实现太阳能电池的最大功率跟踪;在过冲和浮充阶段，充电电路仍然调整IGBT的驱动占空比控制蓄电池的充电电流，使之不超过蓄电池的最大接受电流。
图2电流电压检测双环路
UC3906具有密封铅酸蓄电池充电所需的全部控制和检测功能。用UC3906制作的充电器，在各种条件下，均能保证电池充足电，并能保证蓄电池的寿命不受影响。当电池电压或温度过低时，充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态。而当芯片内的驱动器无输出时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器开始只能输出很小的充电电流，可以避免因充电电流过大而损坏电池。
2.2LED驱动子系统设计
驱动电路选用美国德州仪器公司生产的TPS61042芯片。该芯片是一种高频控制直流输出的LED驱动器。具体驱动控制电路如图3所示，其中，R11为外部检测电阻。D14为肖特基二极管用于快速整流;C16为输出电容用于调节线性性能，本文选用钽电解电容。ATMEGA16输出的脉冲宽度调制(PWM)信号经光耦隔离后加至控制端(CTRL)用以调节LED亮度。LED电流可以通过电阻R11设置。由于TPS61042内置N沟道500mAMOSFET，因而可有效地限制尖峰脉冲，其转换频率高达lMHz。另外，芯片的CTRL脚控制信号还可以在停机状态下使LED与地断开，从而可有效避免漏电流损耗。
图3LED驱动控制电路
3、系统软件实现
本系统采用WINAVR-20070525开发工具进行系统软件设计。软件使用模块化设计，软件程序采用C语言编写。程序主要有系统初始化，包括各存储单元初始化、外部时钟初始化和温度传感器初始化等、蓄电池充电控制、LED照明控制、最大功率跟踪算法软件实现等。
3.1主程序流程
系统在开始运行后对各部分进行初始化并且开中断，中断包括定时器中断1，2和外部中断1。通过定时器中断1来设定采集参数的时间间隔，定时器中断2用在最大功率跟踪法中，通过设定时间后重新跟踪太阳能电池板最大功率点。初始化运行后，系统对蓄电池的电压和温度采样以此来判定是否对蓄电池进行充电，如果需要充电则进入充电子系统。充电子系统来判定那种充电方式，以及通过对太阳能电池板的监测选择用太阳能电池板充电还是选择市电充电。确定不需要对蓄电池充电或者执行充电子程序过后，通过对光敏电阻采样来判定是否需要点亮LED。系统通过LCD12864显示蓄电池当前电压，充电状态，以及太阳能电池板的电压电流等。
3.2蓄电池充电程序流程图
图4中当判断蓄电池需要充电后，再判定太阳能电池板是否能够给蓄电池充电，如果不能则切换市电对电池板进行充电。当太阳能电池板对蓄电池进行充电时分两种控制方法:①当过充电和浮充电阶段时，不采用最大功率跟踪法，而是根据蓄电池在这两个阶段所需要的充电电压和电流来调节PB1口的PWM输出。②当对蓄电池进行快速充电时，采用最大功率跟踪法。此时通过太阳能电池板的P-V特性，结合最大功率跟踪法来调节PB1口PWM输出，使太阳能电池板输出最大功率。
图4蓄电池充电程序流程图
4、实验结果与分析
本实验所选太阳能电池板型号为上海我能/WNP25，最大输出功率25W，工作电压17.6V，工作电流1.42A，短路电流1.67A;所选铅酸蓄电池型号为12V6Ah，标准电压12V。蓄电池充电试验时间为2011年8月11日，充电时蓄电池电压为11.2V。充电时间为7h。
图5为充电时对蓄电池充电电压以及充电电流的监测。横轴为时间(t)，每个7.5min去一个点。开始系统为快速充电阶段，设定最大充电电流为1.4A，当充电电压达到过充电压时，逐渐减小充电电流直至转入浮充阶段。
图5蓄电池的充电电压和电流随时间变化曲线
图6为太阳能电池板功率输出监测，结合图5可以看出，约在13.00时系统完成蓄电池的快速充电，在10.00～13.00期间内系统通过对太阳能电池板最大功率点的追踪进行蓄电池的快速充电。在这段时间随着光线的增强电池板输出的功率逐渐增强，达到了预期的目标。13.00过后不在追踪太阳能电池板的最大功率点，转入对蓄电池浮充阶段。
图6太阳能电池板的输出功率曲线
5、结语
该系统能够准确地实现对蓄电池能量的智能管理。正确地实现了全天的照明需求。充电电路实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，具有广阔的应用前景。
参考文献:
［1］杨晓光，寇臣锐，汪友华．太阳能LED路灯照明控制系统的设计［J］．电气应用，2009，28(3):28-31．
［2］苏海滨，王光政，王继东．基于模糊逻辑双环控制的光伏发电系统最大功率跟踪算法［J］．电力系统保护与控制，2010，38(21):215-218．