1.引言

隨著能源危機(jī)的日益加重，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到人們的重視。太陽能草坪燈以無須架設(shè)電纜、安裝方便、美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的重視。但是現(xiàn)有的太陽能控制系統(tǒng)成本高，效率低，嚴(yán)重的制約了太陽能在節(jié)能燈方面的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一款新型太陽能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32芯片對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，防止過充、過放，根據(jù)光照情況及時(shí)開關(guān)燈。該控制器在實(shí)現(xiàn)了多樣化的道路照明同時(shí)獲得了最佳的節(jié)能效果。

2.太陽能草坪燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示：太陽能草坪燈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小型獨(dú)立光伏系統(tǒng)，主要有太陽能電池板、蓄電池、控制電路、照明電路等組成。其中控制系統(tǒng)STM32是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和控制工作，它的性能好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。

3.硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 STM32芯片簡介

STM32F103系列是以ARMv7構(gòu)架的嵌入式處理器，它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片。它最高工作頻率可達(dá)到72MHZ，具有512K字節(jié)的閃存和64K的SRAM。STM32的12位ADC為逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各通道有單次、連續(xù)或掃描模式，轉(zhuǎn)換的結(jié)果以左對(duì)齊或右對(duì)齊存儲(chǔ)寄存器中。芯片內(nèi)嵌2個(gè)12位的ADC，通道采樣時(shí)間可編程，最快可達(dá)到1μs，每個(gè)ADC具有16個(gè)外部通道，具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 控制電路

蓄電池是獨(dú)立光伏系統(tǒng)必不可少電能存儲(chǔ)器件，其放電深度和過充電程度都會(huì)影響蓄電池的壽命。蓄電池的放電深度隨天氣狀況和季節(jié)的變化而變化。在天氣晴朗或夏天時(shí)放電深度小，在天氣陰沉或冬天放電深度大。為了提高蓄電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)對(duì)蓄電池充放電過程中的電壓，當(dāng)蓄電池充、放電到一定程度時(shí)，應(yīng)停止對(duì)其充、放電。根據(jù)光敏電阻采集到的數(shù)據(jù)可以判定光照強(qiáng)度，從而可以控制開關(guān)段電路。數(shù)據(jù)采集控制如圖2所示。

3.2.1 電壓檢測電路

在一種草坪燈的應(yīng)用中選擇了12V，4.5AH免維護(hù)蓄電池，蓄電池的正常應(yīng)用10.8V~14.4V。設(shè)計(jì)為當(dāng)電壓低于10.8V或者高于14.4V時(shí)，控制電路關(guān)斷蓄電池，防止過放、過充。利用電阻分壓采樣實(shí)時(shí)檢測蓄電池電壓，并經(jīng)過低通濾波電路處理變換后，輸入STM32的ADC通道，由STM32將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電電路控制。

STM32的ADC輸入范圍是0~3.6V，將蓄電池最高電壓定為14.4V，最低10.8V。當(dāng)輸入模擬電壓低于閾值Umin或者高于閾值Umax時(shí)通過調(diào)整PWM脈沖控制三極管導(dǎo)通或關(guān)斷從而控制電路的充放電。

3.2.2 溫度檢測

蓄電池的溫度嚴(yán)重影響著其工作性能和使用壽命，蓄電池溫度測量成為保護(hù)蓄電池的一種重要方法。蓄電池的容量隨著溫度的變化而變化，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償控制。我們把采樣溫度參數(shù)與存儲(chǔ)在STM32中的電壓值進(jìn)行比較，對(duì)蓄電池充、放電電壓進(jìn)行控制，從而保護(hù)蓄電池。

溫度采集模塊應(yīng)用的是美國模擬器件公司生產(chǎn)的AD590，它的測溫范圍是-55℃~+150℃，它的電源電壓范圍是4-30V，可以承受4V正向電壓和20V反向電壓。AD590具有很高的精度，在其測溫范圍內(nèi)它的非線性誤差僅為±0.3℃。它產(chǎn)生的電流與溫度成絕對(duì)正比，溫度每增加1℃，輸出電流增加1μA，具有很好的線形關(guān)系，足以滿足本系統(tǒng)對(duì)溫度檢測的應(yīng)用要求。

3.2.3 光控電路

該控制電路對(duì)數(shù)據(jù)精度要求不嚴(yán)格，我們可以利用光敏電阻在光照和非光照下其阻值的不同來實(shí)現(xiàn)。此電路采用GM5537光敏電阻，該電阻適合靈敏度高、精度要求不高的場合。在A/D轉(zhuǎn)換中我們可以用STM32自帶的ADC轉(zhuǎn)換通道。

根據(jù)光敏電阻在不同的光照強(qiáng)度下的電阻值不同，可以實(shí)現(xiàn)白天光照強(qiáng)時(shí)自動(dòng)熄滅、晚上光照弱時(shí)自動(dòng)打開。為避免受到干擾，開關(guān)電路延時(shí)一分鐘。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖1 草坪燈控制系統(tǒng)

圖2 數(shù)據(jù)采集

圖3 系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)通過AD轉(zhuǎn)換得到蓄電池的電壓、溫度參數(shù)，通過與STM32設(shè)定的閥值比較，當(dāng)大于或者小于閥值時(shí)由芯片產(chǎn)生PWM脈沖來控制三極管的導(dǎo)通，從而控制蓄電池開通、關(guān)斷，防止過充、過放，保護(hù)蓄電池，延長其使用壽命。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：電壓檢測程序，光照檢測程序，溫度檢測程序。

軟件的控制程序主要包括ARM初始化、電壓檢測、光照檢測、溫度檢測、數(shù)據(jù)判斷等組成。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，基于Keil μVision4開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)的流程如圖3所示。

5.結(jié)束語

本文對(duì)太陽能草坪燈控制系統(tǒng)的軟、硬件作了簡單的介紹。太陽能控制系統(tǒng)把電池板、蓄電池以及照明設(shè)備聯(lián)系起來，是太陽能草坪燈中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。它的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和使用。

單片機(jī)根據(jù)采集到的電壓、溫度等參數(shù)發(fā)出控制信號(hào)，可以使充放電電路穩(wěn)定有效的運(yùn)行。本系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)電池的檢測與保護(hù)以及準(zhǔn)確地開關(guān)斷照明電路，能夠很好地節(jié)能環(huán)保。經(jīng)研究分析，該系統(tǒng)能滿足一般日常生活的需求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有很高的推廣使用價(jià)值。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于庭院燈，廣告箱，太陽能攝像頭等。

[1]姚宏,馮衛(wèi)東,邱望標(biāo).太陽能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械,2009(2):22.

[2]張旭,亓學(xué)廣,李世光,等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2010,33(11):91.

[3]張艷紅,張崇魏,呂紹勤,等.新型太陽能控制器的研制[J].節(jié)能,2006(2):31.

[4]曹圓圓.基于STM32的溫度測量系統(tǒng)[J].儀器儀表與分析檢測,2010(1):17.

[5]雷少剛.基于AD590組成的溫度測量電路及應(yīng)用[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2007,25(3):22.

[6]王虎城,周晉軍,皮依標(biāo),等.基于傳感器和單片機(jī)的校園路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技廣場,2011(1):143.