基于STM32 MCU的太陽能--LED街燈解決方案 - 全文

?????? 隨著化石類能源的日益減少，以及溫室氣體的過度排放導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，導致系統(tǒng)效率較低；而且由于使用的是市電，需要鋪設(shè)復雜、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。

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圖2: 控制器結(jié)構(gòu)方框圖

????? 圖2是控制器的結(jié)構(gòu)方框圖。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STM32F101RXT6 （意法半導體最新款STM32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：當環(huán)境光由亮變暗時，系統(tǒng)的輸出電流也會相應從小到大；當環(huán)境光完全暗下來時，系統(tǒng)的輸出電流也達到預設(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用。