STM32MCU的太阳能街灯设计

　　随着化石类能源的日益减少，以及温室气体的过度排放导致全球变暖问题越来越受到重视，人们一方面在积极开发各类可再生新能源，另一方面也在倡导节能减排的绿色环保技术。太阳能 作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，成为众多可再生能源的重要代表;而在照明领域，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的LED 固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径。太阳能 -LED 街灯同时整合了这两者的优势，利用清洁能源以及高效率的LED 实现绿色照明。

　　本文介绍的太阳能 -LED 街灯方案，能自动检测环境光以控制路灯的工作状态，最大功率点追踪（MPPT）保证最大太阳能 电池板效率，恒电流控制LED ，并带有蓄电池状态输出以及用户可设定LED 工作时间等功能。

　　系统结构与实现原理

　　目前街灯普遍使用的是市电供电的高压钠灯结构，其中高压钠灯的电子驱动部分需要把市电从交流转化为直流，再逆变到交流来驱动，导致系统效率较低;而且由于使用的是市电，需要铺设复杂、昂贵的管线。太阳能 -LED 街灯则不具备以上的问题，由于太阳能 电池板输出的是直流电能，而LED 也是直流驱动光源，两者的结合更能提高整个系统的效率;太阳能 的使用也免去了铺设电缆及其相关工程的费用。

　　随着化石类能源的日益减少，以及温室气体的过度排放导致全球变暖问题越来越受到重视，人们一方面在积极开发各类可再生新能源，另一方面也在倡导节能减排的绿色环保技术。太阳能 作为取之不尽、用之不竭的清洁能源，成为众多可再生能源的重要代表;而在照明领域，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的LED 固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径。太阳能 -LED 街灯同时整合了这两者的优势，利用清洁能源以及高效率的LED 实现绿色照明。

　　本文介绍的太阳能 -LED 街灯方案，能自动检测环境光以控制路灯的工作状态，最大功率点追踪（MPPT）保证最大太阳能 电池板效率，恒电流控制LED ，并带有蓄电池状态输出以及用户可设定LED 工作时间等功能。

　　系统结构与实现原理

　　目前街灯普遍使用的是市电供电的高压钠灯结构，其中高压钠灯的电子驱动部分需要把市电从交流转化为直流，再逆变到交流来驱动，导致系统效率较低;而且由于使用的是市电，需要铺设复杂、昂贵的管线。太阳能 -LED 街灯则不具备以上的问题，由于太阳能 电池板输出的是直流电能，而LED 也是直流驱动光源，两者的结合更能提高整个系统的效率;太阳能 的使用也免去了铺设电缆及其相关工程的费用。

　　图1是一个太阳能 -LED 街灯的结构示意图。太阳能 电池板在太阳光的照射下，其内部PN结会形成新的电子空穴对，在一个回路里就能产生直流电流;这个电流流入控制器，会以某种方式给蓄电池充电。蓄电池在白天的时候会接受充电，而在晚上则会提供能量给LED 。LED 的工作是通过控制器进行的，控制器在保证LED 恒流工作的同时，也会监测LED 的状态以及控制工作时间长短。连续阴雨天以及蓄电池电能不足的情况下，控制器会发出控制信号来启动外部的市电供电系统（不包含在控制器中），保证LED 的正常工作。外部的市电供电系统只是作为后备能源，只有在蓄电池电能不足的情况下才会被使用。蓄电池的充电完全只是通过太阳能 来实现的，以确保最大限度使用太阳能 。

　　太阳能 电池板进来后会首先经过一个开关MOS管KCHG连接到直流/直流变换器（蓄电池充电电路），此变换器的输出连接到蓄电池两端（实际电路里会先通过一个保险丝再连到蓄电池上）。加上KCHG有两个作用：一是防止太阳能 电池输出较低时由蓄电池过来的反充电流;二是当太阳能 电池板极性接反时起到保护电路的作用。直流/直流变换器采用降压拓扑结构，拓扑结构的选择不仅得考虑太阳能 电池板最大功率点电压和蓄电池最大电压，而且同时得兼顾效率和成本。蓄电池和LED 之间也是通过一个直流/直流变换器（LED 驱动电路），对LED 要采用恒流控制方式，考虑到蓄电池电压的波动范围以及LED 的工作电压范围，设计电路中采用反激式拓扑结构来保证恒流输出。反激式拓扑的效率一般没有简单的升压或者降压电路高，如果要提升系统的效率，可以通过优化蓄电池电压与LED 电压的关系来采用升压或者降压电路，提升效率并可能进一步减低成本。

　　整个控制器的控制是通过一个MCU 来实现，MCU 的主要工作包括以下几点：一是采用MPPT算法来优化太阳能 电池板工作效率;二是针对蓄电池不同状态采用合适的充电模式;三是保证LED 驱动电路的恒流输出;四是判断白天黑夜并以此来切换蓄电池充电和放电模式;最后就是提供监控保护、温度监测、状态输出和用户控制输入检测（DIP1~4）等功能。MCU 的选择最主要是满足ADC、GPIO和外部中断的需要，不需要单纯追求速度。表1列出了实际电路中MCU 外围设备的使用情况，考虑到以后扩展的需要，主控芯片使用ST M32F101RXT6 （意法半导体最新款ST M32系列MCU ，采用Cortex-M3内核）。

　　表1： MCU 外设分配。

　　控制器辅助电源直接从蓄电池变换而来，蓄电池输入通过线性电源（L78L12）得到12V，供给逻辑电路和PWM开关信号放大;3.3V通过12V接开关电源（L5970D）而来，主要给MCU 和周边电路供电，之所以用开关电源是为了提高转换效率（减少蓄电池耗电）以及在以后扩展系统时可以提供足够负载，当然，为了减少成本，完全可以用线性电源来实现。

　　控制器主要功能

　　控制器的主要功能包括两个方面：蓄电池充电以及蓄电池给LED 供电。

　　1.蓄电池充电

　　当系统检测到环境光充足，控制器就会进入充电模式。蓄电池充电有两个比较重要的电压值：深度放电电压和浮充充电电压。前者代表在正常使用情况下蓄电池电能被用完的状态， 而后者则代表蓄电池充电的最高限制电压，这些参数应该从蓄电池产品手册上可以查到。在设计电路中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V和浮充充电电压为13.8V（皆为在室温条件下的电压值，软件中这两个值增加了相应的温度补偿），具体充电模式如表2所示。

　　控制器主要功能

　　控制器的主要功能包括两个方面：蓄电池充电以及蓄电池给LED 供电。

　　1.蓄电池充电

　　当系统检测到环境光充足，控制器就会进入充电模式。蓄电池充电有两个比较重要的电压值：深度放电电压和浮充充电电压。前者代表在正常使用情况下蓄电池电能被用完的状态， 而后者则代表蓄电池充电的最高限制电压，这些参数应该从蓄电池产品手册上可以查到。在设计电路中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V和浮充充电电压为13.8V（皆为在室温条件下的电压值，软件中这两个值增加了相应的温度补偿），具体充电模式如表2所示。

　　表2： 蓄电池充电模式

　　从表2中可以看到涓流充电模式和恒流充电模式会用到MPPT算法，MPPT算法有很多种方式可以实现，业界有不少的论文对此进行了探讨，总的来说各有优劣，设计电路中采用相对简单的扰动观察法来实现（Perturbance and ObservaTIon）。这个控制方法的基本思想是通过增大或者减少充电电路开关信号PWMCHG占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，以此来决定下一步是增大还是减少占空比。由于太阳能 板的输出变化相对比较缓慢，而且是单极点，所以这种方式还是能收到比较好的效果。

　　2.蓄电池放电

　　当系统检测到周围环境光线不足时，就会进入蓄电池给LED 供电模式。LED 电流通过高位电流检测芯片（TSC101AILT）采样送回MCU ，由MCU 通过调整开关信号PWMDRV占空比来获得恒定输出电流。为了达到节能的目的，LED 的恒定电流值会根据系统检测的环境光强度来调整：当环境光由亮变暗时，系统的输出电流也会相应从小到大;当环境光完全暗下来时，系统的输出电流也达到预设的最大值。除了由环境光控制LED 的输出，用户还可以通过设定开关DIPl~4的状态来开启时间控制功能， 系统会根据DIP1~4的设定组合来控制LED 从亮5分钟到12小时不等。

　　此外，为了提高系统的可靠性，设计电路添加了针对太阳能 电池板、蓄电池和LED 等一系列软硬件的保护功能。而基于此系统平台，还可以从添加智能发光二极管工作模式、增加通讯模块和采用风光互补系统三方面进一步优化系统性能。

　　本文结论

　　太阳能 -LED 路灯不仅能利用清洁免费的太阳能 以及高效环保的LED 给道路带来照明，而且同时可以减少温室气体排放，实现绿色照明的目的。本街灯系统已经在意法半导体大楼入口处成功实施，所有街灯系统都已运行半年，工作情况正常。随着太阳能 板的价格进一步降低和LED 性价比的提高，相信这个系统会得到越来越广泛的应用。