STM32MCU的太陽能街燈設(shè)計

　　隨著化石類能源的日益減少，以及溫室氣體的過度排放導(dǎo)致全球變暖問題越來越受到重視，人們一方面在積極開發(fā)各類可再生新能源，另一方面也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽能 作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表;而在照明領(lǐng)域，壽命長、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化的LED 固態(tài)照明也已被公認(rèn)為世界一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。太陽能 -LED 街燈同時整合了這兩者的優(yōu)勢，利用清潔能源以及高效率的LED 實現(xiàn)綠色照明。

　　本文介紹的太陽能 -LED 街燈方案，能自動檢測環(huán)境光以控制路燈的工作狀態(tài)，最大功率點追蹤（MPPT）保證最大太陽能 電池板效率，恒電流控制LED ，并帶有蓄電池狀態(tài)輸出以及用戶可設(shè)定LED 工作時間等功能。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)原理

　　目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結(jié)構(gòu)，其中高壓鈉燈的電子驅(qū)動部分需要把市電從交流轉(zhuǎn)化為直流，再逆變到交流來驅(qū)動，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低;而且由于使用的是市電，需要鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線。太陽能 -LED 街燈則不具備以上的問題，由于太陽能 電池板輸出的是直流電能，而LED 也是直流驅(qū)動光源，兩者的結(jié)合更能提高整個系統(tǒng)的效率;太陽能 的使用也免去了鋪設(shè)電纜及其相關(guān)工程的費用。

　　隨著化石類能源的日益減少，以及溫室氣體的過度排放導(dǎo)致全球變暖問題越來越受到重視，人們一方面在積極開發(fā)各類可再生新能源，另一方面也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽能 作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表;而在照明領(lǐng)域，壽命長、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化的LED 固態(tài)照明也已被公認(rèn)為世界一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。太陽能 -LED 街燈同時整合了這兩者的優(yōu)勢，利用清潔能源以及高效率的LED 實現(xiàn)綠色照明。

　　本文介紹的太陽能 -LED 街燈方案，能自動檢測環(huán)境光以控制路燈的工作狀態(tài)，最大功率點追蹤（MPPT）保證最大太陽能 電池板效率，恒電流控制LED ，并帶有蓄電池狀態(tài)輸出以及用戶可設(shè)定LED 工作時間等功能。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)原理

　　目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結(jié)構(gòu)，其中高壓鈉燈的電子驅(qū)動部分需要把市電從交流轉(zhuǎn)化為直流，再逆變到交流來驅(qū)動，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低;而且由于使用的是市電，需要鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線。太陽能 -LED 街燈則不具備以上的問題，由于太陽能 電池板輸出的是直流電能，而LED 也是直流驅(qū)動光源，兩者的結(jié)合更能提高整個系統(tǒng)的效率;太陽能 的使用也免去了鋪設(shè)電纜及其相關(guān)工程的費用。

　　圖1是一個太陽能 -LED 街燈的結(jié)構(gòu)示意圖。太陽能 電池板在太陽光的照射下，其內(nèi)部PN結(jié)會形成新的電子空穴對，在一個回路里就能產(chǎn)生直流電流;這個電流流入控制器，會以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時候會接受充電，而在晚上則會提供能量給LED 。LED 的工作是通過控制器進行的，控制器在保證LED 恒流工作的同時，也會監(jiān)測LED 的狀態(tài)以及控制工作時間長短。連續(xù)陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會發(fā)出控制信號來啟動外部的市電供電系統(tǒng)（不包含在控制器中），保證LED 的正常工作。外部的市電供電系統(tǒng)只是作為后備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會被使用。蓄電池的充電完全只是通過太陽能 來實現(xiàn)的，以確保最大限度使用太陽能 。

　　太陽能 電池板進來后會首先經(jīng)過一個開關(guān)MOS管KCHG連接到直流/直流變換器（蓄電池充電電路），此變換器的輸出連接到蓄電池兩端（實際電路里會先通過一個保險絲再連到蓄電池上）。加上KCHG有兩個作用：一是防止太陽能 電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電流;二是當(dāng)太陽能 電池板極性接反時起到保護電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)，拓撲結(jié)構(gòu)的選擇不僅得考慮太陽能 電池板最大功率點電壓和蓄電池最大電壓，而且同時得兼顧效率和成本。蓄電池和LED 之間也是通過一個直流/直流變換器（LED 驅(qū)動電路），對LED 要采用恒流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動范圍以及LED 的工作電壓范圍，設(shè)計電路中采用反激式拓撲結(jié)構(gòu)來保證恒流輸出。反激式拓撲的效率一般沒有簡單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統(tǒng)的效率，可以通過優(yōu)化蓄電池電壓與LED 電壓的關(guān)系來采用升壓或者降壓電路，提升效率并可能進一步減低成本。

　　整個控制器的控制是通過一個MCU 來實現(xiàn)，MCU 的主要工作包括以下幾點：一是采用MPPT算法來優(yōu)化太陽能 電池板工作效率;二是針對蓄電池不同狀態(tài)采用合適的充電模式;三是保證LED 驅(qū)動電路的恒流輸出;四是判斷白天黑夜并以此來切換蓄電池充電和放電模式;最后就是提供監(jiān)控保護、溫度監(jiān)測、狀態(tài)輸出和用戶控制輸入檢測（DIP1~4）等功能。MCU 的選擇最主要是滿足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實際電路中MCU 外圍設(shè)備的使用情況，考慮到以后擴展的需要，主控芯片使用ST M32F101RXT6 （意法半導(dǎo)體最新款ST M32系列MCU ，采用Cortex-M3內(nèi)核）。

　　表1： MCU 外設(shè)分配。

　　控制器輔助電源直接從蓄電池變換而來，蓄電池輸入通過線性電源（L78L12）得到12V，供給邏輯電路和PWM開關(guān)信號放大;3.3V通過12V接開關(guān)電源（L5970D）而來，主要給MCU 和周邊電路供電，之所以用開關(guān)電源是為了提高轉(zhuǎn)換效率（減少蓄電池耗電）以及在以后擴展系統(tǒng)時可以提供足夠負載，當(dāng)然，為了減少成本，完全可以用線性電源來實現(xiàn)。

　　控制器主要功能

　　控制器的主要功能包括兩個方面：蓄電池充電以及蓄電池給LED 供電。

　　1.蓄電池充電

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境光充足，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態(tài)， 而后者則代表蓄電池充電的最高限制電壓，這些參數(shù)應(yīng)該從蓄電池產(chǎn)品手冊上可以查到。在設(shè)計電路中針對12V蓄電池，分別設(shè)置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V（皆為在室溫條件下的電壓值，軟件中這兩個值增加了相應(yīng)的溫度補償），具體充電模式如表2所示。

　　控制器主要功能

　　控制器的主要功能包括兩個方面：蓄電池充電以及蓄電池給LED 供電。

　　1.蓄電池充電

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境光充足，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態(tài)， 而后者則代表蓄電池充電的最高限制電壓，這些參數(shù)應(yīng)該從蓄電池產(chǎn)品手冊上可以查到。在設(shè)計電路中針對12V蓄電池，分別設(shè)置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V（皆為在室溫條件下的電壓值，軟件中這兩個值增加了相應(yīng)的溫度補償），具體充電模式如表2所示。

　　表2： 蓄電池充電模式

　　從表2中可以看到涓流充電模式和恒流充電模式會用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實現(xiàn)，業(yè)界有不少的論文對此進行了探討，總的來說各有優(yōu)劣，設(shè)計電路中采用相對簡單的擾動觀察法來實現(xiàn)（Perturbance and Observation）。這個控制方法的基本思想是通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號PWMCHG占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，以此來決定下一步是增大還是減少占空比。由于太陽能 板的輸出變化相對比較緩慢，而且是單極點，所以這種方式還是能收到比較好的效果。

　　2.蓄電池放電

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測到周圍環(huán)境光線不足時，就會進入蓄電池給LED 供電模式。LED 電流通過高位電流檢測芯片（TSC101AILT）采樣送回MCU ，由MCU 通過調(diào)整開關(guān)信號PWMDRV占空比來獲得恒定輸出電流。為了達到節(jié)能的目的，LED 的恒定電流值會根據(jù)系統(tǒng)檢測的環(huán)境光強度來調(diào)整：當(dāng)環(huán)境光由亮變暗時，系統(tǒng)的輸出電流也會相應(yīng)從小到大;當(dāng)環(huán)境光完全暗下來時，系統(tǒng)的輸出電流也達到預(yù)設(shè)的最大值。除了由環(huán)境光控制LED 的輸出，用戶還可以通過設(shè)定開關(guān)DIPl~4的狀態(tài)來開啟時間控制功能， 系統(tǒng)會根據(jù)DIP1~4的設(shè)定組合來控制LED 從亮5分鐘到12小時不等。

　　此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計電路添加了針對太陽能 電池板、蓄電池和LED 等一系列軟硬件的保護功能。而基于此系統(tǒng)平臺，還可以從添加智能發(fā)光二極管工作模式、增加通訊模塊和采用風(fēng)光互補系統(tǒng)三方面進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

　　本文結(jié)論

　　太陽能 -LED 路燈不僅能利用清潔免費的太陽能 以及高效環(huán)保的LED 給道路帶來照明，而且同時可以減少溫室氣體排放，實現(xiàn)綠色照明的目的。本街燈系統(tǒng)已經(jīng)在意法半導(dǎo)體大樓入口處成功實施，所有街燈系統(tǒng)都已運行半年，工作情況正常。隨著太陽能 板的價格進一步降低和LED 性價比的提高，相信這個系統(tǒng)會得到越來越廣泛的應(yīng)用。