基于STM32 MCU的太陽能-LED街燈解決方案 圖

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: 太陽能-LED街燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。

　

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。

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(dǎo)體最新款STM32系列MCU，采用Cortex-M3內(nèi)核）。


表1: MCU外設(shè)分配。