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基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计

2012-03-14 16:09
孤身万里游
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  根据海南三亚的日照特征和城市道路照明设计标准[5],本系统选用组件参数如下:LED 路灯1 组(32 W,24 V,1.4 A;LED 1 W 光源;4 组并联,每组8 个串联);太阳能电池板2 块( 每组额定输出电压18 V,工作电流为5.6 A,开路电压为21. 2 V,短路电流为6.1 A,峰值功率为80 W);蓄电池( 12 V,200 Ah;过充电压14.8 V,浮充电压12.3 V,过放电压10.8 V) 。

Buck 主充电电路

  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。

基于 SIC 的太阳能LED路灯控制系统框图

  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。

太阳能光伏电池的输出特性

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