商丘工学院信息与电子工程学院 王彩峰 高善坤

基于单片机的太阳能LED智能路灯照明系统

商丘工学院信息与电子工程学院 王彩峰 高善坤

本论文在介绍LED和太阳能优点的基础上，提出一种以ATmega128单片机为主控制器的太阳能LED路灯智能照明系统。在该系统中，单片机与模数转换器构成数据采样模块，采集蓄电池的电压数据，实现蓄电池的过充和过放保护；通过光敏元件感知环境亮度，实现LED路灯的自动开启和关闭；GSM模块可以把相关数据传送给监控端，实现远程监控和管理。该系统性能稳定、节能、环保，对于太阳能利用和远程路灯监控有很大帮助，在光伏发电应用领域具有重要意义。

ATmega128单片机；太阳能LED；GSM

1 引言

随着地球资源的日益贫乏，太阳能以其安全、环保、取之不尽、用之不竭等特点成为新能源中最理想的可再生资源，在许多领域得到了广泛的发展和应用，尤其是光伏发电领域已发展成为成熟的朝阳产业。本文将节能型照明光源LED路灯和太阳能发电相结合，设计了一种基于单片机的太阳能LED路控制器，利用太阳能对蓄电池充电，然后用于LED照明，并且具有过充电、过放电保护功能，可根据光照度自动启动和关闭LED灯、通过GSM模块及时反馈路灯基本状况等智能功能的路灯照明系统。

2 系统总体设计方案

太阳能路灯利用太阳能电池的光伏效应，白天将太阳能转化为电能给蓄电池充电，晚上蓄电池给LED路灯供电照明使用，系统由六个模块组成，如图1，分别为主控制器模块、数据采集模块、充放电模块、光控模块和GSM模块组成。系统采用ATmega128单片机模块为核心，智能控制模块根据环境光线强度的变化控制路灯的开关，达到智能照明目的。电源切换模式可以备用蓄电池模块为系统供电，以保证照明系统正常运行，系统总体设计框图如图1。

图1 系统总体设计框图

3 系统硬件设计

3.1 主控制器模块

用于负责数据的采集和外围部件的控制。当光控模块的光敏电阻检测到光线亮度小于设定的值时，单片机控制LED灯打开，通过单片机内置AD模块采集蓄电池两端的电压数据，如果电池电压过低，设定蓄电池处于过放状态，单片机就会控制GSM模块给远程监控中心发送消息，工作人员可以远程操控路灯电源供应方式，以保证路灯正常工作。

3.2 充放电模块及控制策略

本文的电源来自于太阳电池板，把照射到太阳能电池板上的太阳光，利用光伏效应直接将光能转换成直流电能输出。单片机通过对蓄电池两端电压大小、放电电流、环境温度等涉及到蓄电池容量的参数进行实时监测，当监测到蓄电池电压较小时，MOS管全通，此时系统处于快充阶段；当电压大于一定值时，开始调节占空比控制输出状态，系统进入PWM慢充阶段；当蓄电池高于额定电压，认为蓄电池处于过充状态，过充指示灯亮，单片机控制MOS管断开充电电路，达到过充保护的目的。

同时，单片机实时监测各蓄电池的端电压，若蓄电池的电压低于设定过放电压时， MOS管工作断开，过放指示灯亮，蓄电池停止向负载供电，达到过放保护功能。同时，单片机控制备用蓄电池模块继续给LED路灯功能，满足照明需求。

3.3 LED路灯驱动模块

LED的光通量和其正向电流成正比的关系，因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度。LED驱动电路有恒流源驱动和恒压源驱动[2]。恒压源输出的是固定电压，而输出电流随着负载的变化而变化；恒流源驱动输出的是恒定电流，输出电压随着负载的变化而变化。常用LED恒流驱动方式有电阻限流、线性调节器和开关电源等[3]。其中开关电源方式一般能有90%以上的转换效率，是能量转换效率最高的电路。考虑设计要求以及性价比等因素，本文的智能控制系统采用LED开关电源方式的恒流驱动，保证LED亮度的稳定性和较高的能量转换效率。

3.4 GSM模块

GSM模块是一个电子集成器件，包括GSM射频、基带频率处理芯片、功率放大器件和存储器等，具有打电话、发短信和上网等功能。目前的照明系统一般不具有通信功能，工作人员对于故障检测和后期的维护非常不方便，添加GSM模块后，该智能路灯系统在控制器的控制下，将检测到的故障信息通过该模块发送给工作人员，能够保证系统的正常运行。GSM通信模块与单片机采用串口通讯，波特率9600MHZ，使用AT指令来完成单片机与GSM模块之间的字符传输[4]。

4 系统软件设计

软件主要设计来协助完成硬件电流控制器的控制策略，是整个控制系统的灵魂，在系统硬件结构一定的情况下，系统的智能性几乎完全靠软件来实现。太阳能路灯的充放电控制系统采用基于单片机的嵌入式系统这种结构，采用模块化设计，各功能模块分别编写并调试，之后进行连接整合。本系统主要完成太阳能电池和蓄电池的电压检测，LED路灯的运行状态检测等，完成这些信息采集后，控制器对信息进行处理，进而判断输出控制信号完成对蓄电池的充电或放电控制，以及LED路灯的PWM调光和开关控制等。系统的主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程图

5 总结

本文详细介绍了基于单片机控制的太阳能LED智能路灯照明系统的设计方案及软硬件实现过程。并着重介绍了主控制器模块、充放电模块及控制策略、LED路灯驱动模块、GSM模块等的功能和实现过程。该系统能够可靠地对城市路灯进行有效的数据采集、自动判断，能够对蓄电池进行合理的充放电管理，同时能够便捷地接收远程命令进而控制蓄电池切换，达到节能要求。该方案对于太阳能利用以及远程路灯控制有很大的帮助，应用前景广阔。

[1]王亚南,黄鹤松,刘华东,等.基于AVR的的智能太阳能路灯控制器的设计[J].技术与产品太阳能,2011(13):31-41.

[2]谷峰.太阳能LED路灯照明系统中控制器和驱动器的设计[D].西安电子科技大学硕士论文,2013,2.

[3]孙少杰.太阳能LED路灯驱动电路设计[J].电子世界,2016(13):129-130.

[4]王明新.基于SIM900A的GSM远程监控系统设计[J].电脑知识与技术,2014,10(5):3500:3503.

河南省科技攻关项目“基于光伏发电的智能照明在绿色城市发展中的应用研究（项目编号：162102210361）”。

王彩峰（1980—），女，河南商丘人，硕士研究生，商丘工学院信息与电子工程学院讲师，研究方向：通信及嵌入式系统控制。

高善坤（1970—），男，河南商丘人，商丘工学院信息与电子工程学院工程师，研究方向：电子信息。