商丘工學院信息與電子工程學院 王彩峰 高善坤

基于單片機的太陽能LED智能路燈照明系統(tǒng)

商丘工學院信息與電子工程學院 王彩峰 高善坤

本論文在介紹LED和太陽能優(yōu)點的基礎上，提出一種以ATmega128單片機為主控制器的太陽能LED路燈智能照明系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，單片機與模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)據(jù)采樣模塊，采集蓄電池的電壓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)蓄電池的過充和過放保護；通過光敏元件感知環(huán)境亮度，實現(xiàn)LED路燈的自動開啟和關閉；GSM模塊可以把相關數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保，對于太陽能利用和遠程路燈監(jiān)控有很大幫助，在光伏發(fā)電應用領域具有重要意義。

ATmega128單片機；太陽能LED；GSM

1 引言

隨著地球資源的日益貧乏，太陽能以其安全、環(huán)保、取之不盡、用之不竭等特點成為新能源中最理想的可再生資源，在許多領域得到了廣泛的發(fā)展和應用，尤其是光伏發(fā)電領域已發(fā)展成為成熟的朝陽產(chǎn)業(yè)。本文將節(jié)能型照明光源LED路燈和太陽能發(fā)電相結(jié)合，設計了一種基于單片機的太陽能LED路控制器，利用太陽能對蓄電池充電，然后用于LED照明，并且具有過充電、過放電保護功能，可根據(jù)光照度自動啟動和關閉LED燈、通過GSM模塊及時反饋路燈基本狀況等智能功能的路燈照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計方案

太陽能路燈利用太陽能電池的光伏效應，白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電，晚上蓄電池給LED路燈供電照明使用，系統(tǒng)由六個模塊組成，如圖1，分別為主控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、充放電模塊、光控模塊和GSM模塊組成。系統(tǒng)采用ATmega128單片機模塊為核心，智能控制模塊根據(jù)環(huán)境光線強度的變化控制路燈的開關，達到智能照明目的。電源切換模式可以備用蓄電池模塊為系統(tǒng)供電，以保證照明系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 主控制器模塊

用于負責數(shù)據(jù)的采集和外圍部件的控制。當光控模塊的光敏電阻檢測到光線亮度小于設定的值時，單片機控制LED燈打開，通過單片機內(nèi)置AD模塊采集蓄電池兩端的電壓數(shù)據(jù)，如果電池電壓過低，設定蓄電池處于過放狀態(tài)，單片機就會控制GSM模塊給遠程監(jiān)控中心發(fā)送消息，工作人員可以遠程操控路燈電源供應方式，以保證路燈正常工作。

3.2 充放電模塊及控制策略

本文的電源來自于太陽電池板，把照射到太陽能電池板上的太陽光，利用光伏效應直接將光能轉(zhuǎn)換成直流電能輸出。單片機通過對蓄電池兩端電壓大小、放電電流、環(huán)境溫度等涉及到蓄電池容量的參數(shù)進行實時監(jiān)測，當監(jiān)測到蓄電池電壓較小時，MOS管全通，此時系統(tǒng)處于快充階段；當電壓大于一定值時，開始調(diào)節(jié)占空比控制輸出狀態(tài)，系統(tǒng)進入PWM慢充階段；當蓄電池高于額定電壓，認為蓄電池處于過充狀態(tài)，過充指示燈亮，單片機控制MOS管斷開充電電路，達到過充保護的目的。

同時，單片機實時監(jiān)測各蓄電池的端電壓，若蓄電池的電壓低于設定過放電壓時， MOS管工作斷開，過放指示燈亮，蓄電池停止向負載供電，達到過放保護功能。同時，單片機控制備用蓄電池模塊繼續(xù)給LED路燈功能，滿足照明需求。

3.3 LED路燈驅(qū)動模塊

LED的光通量和其正向電流成正比的關系，因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED驅(qū)動電路有恒流源驅(qū)動和恒壓源驅(qū)動[2]。恒壓源輸出的是固定電壓，而輸出電流隨著負載的變化而變化；恒流源驅(qū)動輸出的是恒定電流，輸出電壓隨著負載的變化而變化。常用LED恒流驅(qū)動方式有電阻限流、線性調(diào)節(jié)器和開關電源等[3]。其中開關電源方式一般能有90%以上的轉(zhuǎn)換效率，是能量轉(zhuǎn)換效率最高的電路?？紤]設計要求以及性價比等因素，本文的智能控制系統(tǒng)采用LED開關電源方式的恒流驅(qū)動，保證LED亮度的穩(wěn)定性和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。

3.4 GSM模塊

GSM模塊是一個電子集成器件，包括GSM射頻、基帶頻率處理芯片、功率放大器件和存儲器等，具有打電話、發(fā)短信和上網(wǎng)等功能。目前的照明系統(tǒng)一般不具有通信功能，工作人員對于故障檢測和后期的維護非常不方便，添加GSM模塊后，該智能路燈系統(tǒng)在控制器的控制下，將檢測到的故障信息通過該模塊發(fā)送給工作人員，能夠保證系統(tǒng)的正常運行。GSM通信模塊與單片機采用串口通訊，波特率9600MHZ，使用AT指令來完成單片機與GSM模塊之間的字符傳輸[4]。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件主要設計來協(xié)助完成硬件電流控制器的控制策略，是整個控制系統(tǒng)的靈魂，在系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)一定的情況下，系統(tǒng)的智能性幾乎完全靠軟件來實現(xiàn)。太陽能路燈的充放電控制系統(tǒng)采用基于單片機的嵌入式系統(tǒng)這種結(jié)構(gòu)，采用模塊化設計，各功能模塊分別編寫并調(diào)試，之后進行連接整合。本系統(tǒng)主要完成太陽能電池和蓄電池的電壓檢測，LED路燈的運行狀態(tài)檢測等，完成這些信息采集后，控制器對信息進行處理，進而判斷輸出控制信號完成對蓄電池的充電或放電控制，以及LED路燈的PWM調(diào)光和開關控制等。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

5 總結(jié)

本文詳細介紹了基于單片機控制的太陽能LED智能路燈照明系統(tǒng)的設計方案及軟硬件實現(xiàn)過程。并著重介紹了主控制器模塊、充放電模塊及控制策略、LED路燈驅(qū)動模塊、GSM模塊等的功能和實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)能夠可靠地對城市路燈進行有效的數(shù)據(jù)采集、自動判斷，能夠?qū)π铍姵剡M行合理的充放電管理，同時能夠便捷地接收遠程命令進而控制蓄電池切換，達到節(jié)能要求。該方案對于太陽能利用以及遠程路燈控制有很大的幫助，應用前景廣闊。

[1]王亞南,黃鶴松,劉華東,等.基于AVR的的智能太陽能路燈控制器的設計[J].技術(shù)與產(chǎn)品太陽能,2011(13):31-41.

[2]谷峰.太陽能LED路燈照明系統(tǒng)中控制器和驅(qū)動器的設計[D].西安電子科技大學碩士論文,2013,2.

[3]孫少杰.太陽能LED路燈驅(qū)動電路設計[J].電子世界,2016(13):129-130.

[4]王明新.基于SIM900A的GSM遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術(shù),2014,10(5):3500:3503.

河南省科技攻關項目“基于光伏發(fā)電的智能照明在綠色城市發(fā)展中的應用研究（項目編號：162102210361）”。

王彩峰（1980—），女，河南商丘人，碩士研究生，商丘工學院信息與電子工程學院講師，研究方向：通信及嵌入式系統(tǒng)控制。

高善坤（1970—），男，河南商丘人，商丘工學院信息與電子工程學院工程師，研究方向：電子信息。