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摘要：笔者主要从智能控制系统设计流程，以及控制器硬件及软件系统设计等方面概述了本文主题，旨在与同行共同探讨学习。
关键词：LED；太阳能路灯；智能控制系统；设计
现如今，随着世界能源形势紧缺形势的愈演愈烈，各国在都在努力寻找一种新型能源或可再生能源来取代传统能源，同时人们在节能技术、节能材料和节能降耗管理方面也不遗余力，开展了很多的研究和开发工作。太阳能作为给予我们的无偿馈赠，是一种巨大的可再生绿色能源，实验数据表明每天辐射到地球表面的能量相当于 2.5 亿万桶石油燃烧所产生热能，可以说有效的开发利用太阳能是未来人类应对能源危机的有效途径之一。而大功率 LED 器件技术的发展，在节能技术和材料上为应对能源短缺铺就了另一条途径，由于 LED 器件的光谱都集中与可见光频段，因而具有发光效率高、亮度高的优点。那么如果在路灯照明上能够使太阳能和 LED 有机结合，必然会发挥出更大的节能效果。
一、智能控制系统运行原理
于STC 12单片机的太阳能LED 路灯控制系统原理图如图1所示。系统主要由太阳能光伏板、太阳能电流电压采集、Buck充电电路、铅酸蓄电池、Boost放电电路、蓄电池电压采集、放电电路电流采集、LED 路灯及STC 12单片机等部分组成。通过采集太阳能光伏板的电压来判定充电和分段式恒流负载输出。当检测到太阳能板电压高于蓄电池电压一定值时开始M PPT充电模式，这时STC 单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点，通过PW M 信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点，充电同时实时监测蓄电池电压防止过充电；当检测到太阳能板电压低于一定值时，停止充电进入分段式恒流负载输出控制模式，此时主要根据不同的太阳能板电压值，通过Boost放电电路控制PW M 信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。
图1 太阳能LED 路灯控制系统原理图
二、智能控制系统设计流程
1.系统结构设计
正常光照情况下，太阳能路灯电池组件可以自动将太阳光的能量收集起来，将光能转化为电能，并自动存储进蓄电池内部。在无光照情况下，太阳能路灯系统会自动发出放电指令，帮助蓄电池实现放电功能，让路灯照明。
2.系统部件功能
太阳能路灯智能控制系统发热基本组成部分包括：灯杆、蓄电池、LED 灯头、控制器、太阳电池组件和支架等。在工作时对太阳能电池板和组件有着极高的要求，在保证工作效率的同时还要能承担整个系统的核心功能，其成本和性价比相较于其他组件来说都比较高。电池
板和组件：（1）太阳能电池板最主要的作用就是将太阳散发出的光能转化为电能，同时将其存储进蓄电池里，以便为以后的系统运行提供能源；（2）智能系统的抗风设计是一个重要环节。抗风系统组件通过蓄电池来为 LED 灯提供所需能源；（3）太阳能控制器的作用是保护蓄电池，一旦蓄电池出现过度充放电现象控制器就会自动启动，避免蓄电池遭到损坏；（4）蓄电池的作用是存储电能，以备不时之需。
三、控制器硬件及软件系统设计
1.充电管理系统
在白天，太阳能 LED 路灯控制器会自动关闭供电系统而转入充电模式，并且在每次充电之初控制其会首先监测蓄电池电压，并以电压高低来决定充电模式，主要的充电模式有快速充电、恒压充电两种。
（1）充电管理系统的组成及功能
图2 蓄电池充电管理系统框图
在充电管理系统中加入了 DC-AC-DC 变换模块，通过这个变换模块 DC-AC 变换将太阳能电池板输出的直流电能首先转化为交流电，并且该变换过程实现了由单片机的脉冲信号的控制，并且脉冲的持续时间可以进行调整。AC-DC 变换环节采用整流桥电路，鉴于单片机控制器的脉冲频率值很高，在整流桥上使用的二极管应该采用快速恢复二极管，整流后的电压就可以直接连接到蓄电池的电极上，同时单片机对蓄电池的电压、电流进行实时监测，以防其过充电，以及电流过大或过小对电池造成损坏或影响充电效率。
（2）充电原理及模式
本控制器采用低压定周期脉冲充放电模式，当蓄电池电压水平较低时，采用大电流快速充电模式，使蓄电池电压迅速上升，当电池的极化现象较为严重时控制器则发出控制指令切断充电回路使其进入短暂的停充环节，使电池开始大电流放电，这样蓄电池的计划现象就会迅速得到缓解或消除，如此反复运行则和可以将电池充满，这种充电模式就是所谓的 Reflex 充电法。其原理是在充电时利用瞬间大电流放电脉冲事积聚在正极板周围的气体除去，使氧气在负极板被充分吸收，以此来缓解或消除由于快速充电而产生的极化现象，使电池内部的艳丽、阻抗和温度得到有效的降低，减少能量损失，提高了电池的充电效率。
随着充电过程的推进，充电过程会进入两个可选模式：一是恒压充电模式，这种充电模式情况下充电电流会随着电池的蓄电池端电压的升高而衰减；二是限压变电流间歇充电模式，这种模式下的充电初期为恒电流充电阶段，这时会采用最佳的充电电流值以使其获得最好的充电效果，到充电后期时则进入定压充电阶段，这样可以得到过充电量，将电池恢复至完全充电状态。
图3 白天黑夜识别程序流程图
2. 供电管理系统
在黑天，太能 LED 路灯控制器可以自动进入供电模式，给 LED 等供电，同时对蓄电池的蓄电量进行实时监测，防止过放电给电池造成损害。在蓄电池的检测方式上可以采用恒流放电法，即在对给定的负载供电时，使电流保持不变，当负载变化时，电流也随之改变以适应负载变化。
（1）恒流放电原理
在给负载供电过程中，需要对蓄电池的剩余容量进行实时监测，以便及时充电以防止蓄电池过放电，对蓄电池的检测可以采用电池内阻与容量对应法，简称内阻法，其原理是利用标准检测仪器将蓄电池内阻和容量的对应关系标定出来存入ROM 中，这样当需要知道电池容量时，就可以通过检测电池内阻值，然后通过内阻和容量的对应关系而获得其容量值。这种方法具有一定的局限性，当蓄电池的内阻较大或较小是测量的精度会难以保证。这时候可以采用对蓄电池恒流放电的方式，利用电池电压和容量的对应关系对电池容量进行估算，这种方法叫做恒流放电法，该方法是利用标准的测量设备检测出蓄电池恒流放电时的电压与容量的对应关系，这样检测是通过检测获得的电压值就可以得到电池容量状况，这种方法的准确性较高，但是主要的难点在于要保持蓄电池恒流放电。
（2）供电管理系统的组成及功能
由于 LED 固体光源是直流供电，所以电路设计时不需要再考虑将直流变换为交流，蓄电池供电管理系统如图 3 所示，电池的正极接晶体管集电极，负极接地。系统利用电流电压转换器检测蓄电池的放电电流，然后经过放大电路、跟随器以及A/D 转换电路后，送入到控制器，这时单片机对电池的放电电流是否恒定进行检测，如果其不恒定，则会对输出电压进行调节，输出电压在 D/A 转换之后通过跟随器和反向放大器，实现对晶体管基极电压的控制，从而达到稳定蓄电池放电电流的目的。同时，蓄电池的电压也通过反向放大、跟随器、滤波器之后，由 A/D 转换输入控制器，使控制器可同时监测电压的变化情况。另外，控制器也会对蓄电池的电压和电流进行实时的检测，从而避免蓄电池由于深度放电而使其损坏。
四、控制器软件件系统设计
本系统主要实现的功能有 12V，24V 识别，识别完后进入相应的服务程序；进白天或者黑夜服务程序由蓄电池的电压来判断；若采集五次的电压平均值小于 4V，则进入黑夜服务程序，若大于 4V，则进入白天服务程序；在白天服务程序中实现过放保护功能，根据蓄电池的电压来决定何种占空比的 PWM 波充电功能以及防反充功能；在黑夜服务程序中实现过放保护功能和根据不同季节所需亮灯时间不同来定时，LED 灯的亮度也可以根据需要进行调节。白天黑夜识别程序流程图如图 3 所示。
结语：
太阳能路灯智能控制系统相较于传统的路灯系统来说具有一定的优势，在精确度和实用性等方面能够良好的满足实际需要，误差较小，一切均在规定范围之内。不仅可以实现太阳光的跟踪，同时也能根据实际需要实现各种放电功能，从根本上实现智能化控制，在节省能源的同时提高路灯的使用性能。
参考文献：
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[4]宋国华.太太阳能 LED 路灯系统的设计［D］.北京：北京工业大学，2015，（1）
[5]苏建龙.LED 路灯节能控制系统的设计与应用［J］.中国海洋大学，2015，（4）
论文作者:孙艳
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/8
标签：蓄电池论文; 电压论文; 太阳能论文; 电流论文; 路灯论文; 控制器论文; 电池论文; 《基层建设》2017年第13期论文;