本科生毕业论文（设计）
2014 年 5 月 21日 曲阜师范大学教务处制
题
目
光伏路灯控制器
姓
名
王俊鹏
学号
2010416015
院
系
电气信息与自动化学院
专
业
电气工程及其自动化
指导教师
黄金明
职称
副教授
目 录
摘要 .....................................................................1 关键词 ...................................................................1 Abstract .................................................................1 Key words ................................................................1 1 绪论 ..................................................................1 1.1 光伏路灯控制器的研究背景与意义 ..................................1 1.2 光伏路灯控制器系统的研究现状 ....................................2 1.3 本文研究的主要内容和结构 ........................................2 2 光伏发电系统理论基础 ..................................................2 2.1 光伏发电系统 ....................................................2 2.1.1 太阳能电池的物理基础 ......................................2 2.1.2 光伏电池的基本特性 ........................................3 2.2 贮能装置 ........................................................3 2.2.1 铅酸蓄电池的工作原理 ......................................3 3 光伏发电系统的控制方法 ................................................4 3.1 蓄电池充电控制方法 ..............................................4 4 控制系统设计 ..........................................................4 4.1 光伏发电系统主电路设计 ..........................................4 4.2 光伏发电LED路灯控制器硬件设计 ..................................5 4.2.1 STC12C5A60S2最小系统 ......................................6 4.2.2 信号采集电路设计 ..........................................6 4.2.3 PWM信号放大电路设计 .......................................7 4.2.4 控制部分辅助电源设计 ......................................8 4.3 LED驱动设计 .....................................................8 4.4 系统软件设计 ....................................................9 4.4.1 主程序设计 ................................................9 4.4.2 充放电程序设计 ...........................................10 4.4.3 光伏发电接入口软件设计 ...................................10 4.4.4 LED照明管理程序设计 ......................................11 5 总结与展望 ...........................................................12 致谢 ....................................................................12 参考文献 ................................................................12 附录一 ..................................................................12
光伏路灯控制器
电气工程及其自动化专业学生 王俊鹏
指导老师 黄金明
摘要：本文设计了一种以STC12C5A60S2单片机为主控芯片的光伏路灯控制器。设计中使用了单片机自带的A/D转换器进行电压、电流数据的采集；使用了两路PWM来控制MOSFET的导通，实现了太阳能电池板输出和蓄电池充电的控制；采用对I/O引脚高低电平的控制，来控制光耦器，从而控制蓄电池放电；采用了恒流来驱动LED照明；利用的分段式充电策略，优化了蓄电池充电，延长了蓄电池使用寿命；同时，利用太阳能电池板自身作为光控元件，提高了灵敏度。 关键词：单片机
LED路灯 控制器
Solar street lamps controller Student majoring in Electrical Engineering and Automation
Wang Junpeng
Tutor
Huang Jinming Abstract : This paage designs a solar LED street light controller based on STC12C5A60S2 .In the design , A/D converters of MCU are used to collect voltage and current ; two PWM waves are used to control the conduction of MOSFET , achieving the output of solar panels control and battery charging control ; optical coupler is controlled by controlling high and low level of I/O pin so as to control the battery discharge ; constant current is used to drive LED lighting ; the method of segmented charge is used to control battery charging , optimizing the battery charging , prolonging the service life of the battery ; meanwhile , the solar panels are used for light-dependent control element to improve the sensitivity .Key words : MCU ;LED street lamp ;Controller 1 绪论
1.1 光伏路灯控制器的研究背景与意义
21世纪能源研究的热点问题是新能源技术。太阳能作为一种巨大的可再生能源，每天有着相当于数万亿桶石油燃烧的辐射能量到达地球表面[1]。丰富、广阔的太阳能资源被开发和利用，将会减少对不可再生能源的使用，减少对煤炭、石油等化石能源使用带来的污染，保护了生态环境，有利于生态环境走可持续发展的道路。可以说未来的能源结构基础离不开太阳能。太阳能将会成为主要的能源之一，它的应用前景也必将非常广泛。因此，对太阳能的开发和利用是利国利民的大事，有着重大意义。
路灯是日常生活中必不可少的公共设施，随着经济的发展，居民生活水平和质量的提高，路灯能耗增长的问题也随之而来。研究路灯低能耗问题也将成为一个重要的课题。LED照明技术的日渐成熟推动了照明行业的发展，LED作为照明设备的光源也被越来越多的选用。相比于日光灯，白炽灯等光源，LED具有工作电压低，能耗非常低，光效高，使用寿命长等优点[2]。因此，LED照明也会被广泛得推广和应用。
本文在研究光伏发电技术和LED照明技术的基础上[3]，设计一种光伏路灯控制器。
其中，太阳能发电系统为路灯供电，LED作为照明光源，将二者结合既节约了能源，又降低了能耗。这一设计用于校园、小区生活路灯中，很有现实意义。 1.2 光伏路灯控制器系统的研究现状
目前，光伏充电控制器可分为以下几种类型：并联型光伏控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智能型光伏控制器、最大功率跟踪控制器[4]。其中，最大功率跟踪控制器，能判断系统在运行时的输出功率是否达到最大值，而且，还能随时调整太阳能电池始终运行在最大功率点处，控制性能高。控制器控制负载采用的方式有光控、光控加时控、PWM调节负载、实时时钟四季变换等。控制器的芯片有DSP、ARM、单片机等。相比而言，单片机芯片成本低，学校和小区路灯环境对光伏系统要求相对低，从经济简单的角度，选用单片机控制，采用光控比较实用。
获取最大功率的控制方法主要有恒定电压法、短路电流比例系数、扰动控制法、电导增量法等。虽然扰动控制法和电导增量法精度相对高，但是，考虑到在小型光伏系统中功率不是太大，恒定电压法简单、易于实现。 1.3 本文研究的主要内容和结构
基于光伏发电理论和LED照明技术，本文设计一种光伏路灯控制器系统。硬件方面，
[5-7]以单片机STC12C5A60S2作为主控芯片，硬件电路设计包括电压、电流的信号采集电路，PWM信号的放大电路，控制系统的控制电源设计电路，LED恒流驱动电路。在控制方法方面，对太阳能电池采用恒定电压法的最大功率追踪；对蓄电池采用分段式充电的方法；对负载采用太阳能电池输出电压作为控制信号的光控方式；对蓄电池过放电采用I/O引脚控制光耦合器实现继电器动作，切除负载。
论文的结构: 第一章介绍设计研究的背景和意义，对光伏路灯控制器的研究现状作了叙述，对论文的组织结构作介绍。
第二章介绍光伏发电的理论基础，对太阳能光伏发电的工作原理以及铅酸蓄电池的工作的基本原理分别进行了介绍。
第三章介绍研究设计中蓄电池充电的控制方法。 第四章是设计的核心，对光伏路灯控制的硬件和软件进行设计，硬件电路包括电压、电流信号的采集，PWM信号放大，控制芯片电源等部分。
第五章对本文设计进行总结和展望。
2 光伏发电系统理论基础
2.1 光伏发电系统
光伏发电系统是用来将吸收的太阳光光能转换成电能。它主要由太阳能电池方阵、充放电控制器、蓄电池、负载等设备组成。光伏发电系统的结构框图用图2-1来描述。
太阳能电池方阵控制器蓄电池LED照明
图2-1 光伏发电系统结构框图
其中，太阳能电池方阵选用156多晶100W一块（开路电压为21V左右），蓄电池选用12V60Ah的铅酸蓄电池两组，LED照明灯具选用12V30W的一盏。 2.1.1 太阳能电池的物理基础
光伏电池的物理基础是光伏效应[4]。光伏效应是指光照在不均匀半导体或半导体和
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金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转换为电子、光能量转换为电能量的过程；其次，是形成电压的过程。有了电压就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流回路。其原理图可以用图2-2来描述。
图 2-2 光伏效应原理图
2.1.2 光伏电池的基本特性
太阳能电池其实就是一个大面积的平面二极管[4]，其工作的等效电路可以用图2-3中的模型来描述。图中把光照下的PN结看做一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光生电流IL，RL为外负载，通过PN结电流ID用二极管表示。
图2-3 太阳能电池等效原理图
太阳能电池组件的性能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率。其中，光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数[4]。 2.2 贮能装置
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以，一般需要配置储能装置（蓄电池系统）才能工作。而光伏发电产生的电能最适合的贮能方式是将电能转换为化学能，需要时将化学能转换为电能。
目前，主要的贮能装置有如下几种:铅一酸（Pb-acid）、镍一隔（Ni-Cd)、镍一金属氢化物(Ni-MH)、锂一离子（Li-ion）、锂一聚合物（Li-poly）和锌一空气、超级电容器、高能镍碳超级电容[4]。
当前由于铅酸蓄电池具有技术成熟，价格低廉，性价比较高等优点，因此得到了广泛的应用。本文在设计光伏路灯控制系统时，采用的储能装置就是铅酸蓄电池。设计中采用12V60Ah的铅酸蓄电池两组并联，在保证充足的容量的同时，双路便于某一蓄电池出现故障时线路的正常运行。 2.2.1 铅酸蓄电池的工作原理
在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参与化学反应。铅酸蓄电池充放电化学反应的原理方程式如下：
正极：（2.1） PbO2HSO43H2ePbSO42H2O
负极：PbHSO42ePbSO
（2.2） 4H3
总反应：PbO22HSO4Pb2PbSO42H2O （2.3）
以上反应是可逆的，这种可逆反应使蓄电池实现了贮存电能和释放电能的功能。
3 光伏发电系统的控制方法
3.1 蓄电池充电控制方法
恒压、恒流、分段是蓄电池常见的充电控制方式[4]。恒压，即对电池采用恒定的电压充电，它的特点是：在充电刚开始的时候有很大的电流，一段时间之后，电流开始慢慢下降，当电池电压升高后充电电流变得很小，在初始阶段，大电流很可能会损坏蓄电池；恒流，即在充电时一直控制充电电流大小不变；分段，即对整个充电过程采取分段式控制。当蓄电池电压较低时，蓄电池接收电流的能力较强，可以采用较大电流进行充电，电池电压升高时，其接收电流的能力下降，此时应该降低充电电流。
本文在设计时采用光伏发电系统给蓄电池进行分段式充电。 充电环节包括:限电流充电、恒电压充电、涓流三部分。
限电流充电：由于产生的光能的不稳定性，实现恒流的控制较难，因此在设计的时设定一个最大充电电流Imax。
恒电压充电：当充电充到一定程度，蓄电池对电流的接收能力逐渐减弱，此时需控制蓄电池充电电压保持在一个恒定值即可。
涓流:经过恒电压充电后，蓄电池已基本充满，可设定最大过冲电压，进行涓流充电，保持电压较恒定。
4 控制系统设计
4.1 光伏发电系统主电路设计
T1F1光伏接口G1C1D2T2C2D3L1G2D4C3C4D5F2D112VR1继电器D6蓄电池R4光耦合R55VI/OR6光耦合+–继电器5VI/OR2R312V
图4-1 光伏发电系统主电路设计
太阳能电池板转化的电能先通过MOSFET管T1，然后通过防反肖特基二极管D2，
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接着经过DC/DC直流变换电路给蓄电池充电。T1管控制光伏接口，使其输出功率接近最大；为防止蓄电池对太阳能电池板反冲采用了防反肖特基二极管D2， DC/DC电路的核心是buck电路[7]，系统的重点是对buck电路的控制。
蓄电池放电主要是用于控制部分和LED照明部分的供电。为防止蓄电池过度放电而损坏蓄电池，控制LED路灯放电回路上的继电器的通断，设计时使用STC12C5A60S2的一个I/O引脚来控制光耦合器的通断。
整个主电路由单片机芯片STC12C5A60S2来进行控制，系统的工作流程如下: 当蓄电池电压处于正常工作范围内，蓄电池正常对控制器部分和LED路灯供电。当蓄电池的电压处于欠压状态时，用于控制的单片机I/O端口由高电平变为低电平，光耦合器导通，继电器动作切断LED照明部分，当蓄电池电压恢复正常值，继电器再次动作负载回路接通。当蓄电池电压过高处于过压状态时，控制开关管T2断开，光伏电池板停止对蓄电池充电。
下面对buck电路进行详细分析，如图4-2所示：
T1D2T2C2C1D3L1D4C3C4D1G1G2
图4-
2buck电路
上图的buck电路分为两部分。第一部分是用恒电压法实现最大功率的追踪。单片机输出的PWM信号经过放大后，控制着MOSFET管T1的通断，使太阳能电池板的输出电压可调；第二部分是用于蓄电池充电控制。当MOSFET管T2导通时，二极管D4截止，蓄电池开始充电，同时电感储能；当MOXFET管T2断开时，二极管D4导通，此时电感释放储能，给蓄电池充电，此时的电压已变得比较平直，电压的纹波在经过滤波电容C
3、C4滤波之后，也将再一次减小，最后的输出的电压就很稳定了。其中，第一部分和第二部分类似，也是通过改变PWM的占空比来调节的。 4.2 光伏发电LED路灯控制器硬件设计
本设计的核心部分是光伏路灯控制器，主控芯片选用型号为STC12C5A60S2的单片机。整个控制器主要包括了：单片机的最小系统，电压、电流信号采集电路，PWM信号放大电路，控制部分的电源等。其中，电压、电流信号采集电路分别采集光伏电池电压、蓄电池电压、蓄电池充电的电流。控制部分的电源主要是将蓄电池的电能转换成相应等级的电压，以给控制器内芯片的电提供电压。控制器结构框图如图4-3所示：
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太阳能发电G1DC/DC电路G2PWM信号放大电路辅助电源系统STC12C5A60S2LED照明蓄电池充电电流监测蓄电池光伏电池电压监测光伏电池电流监测蓄电池电压监测
图4-3 控制器框图
4.2.1 STC12C5A60S2最小系统
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合，是一款高性价比的单片机。
STC12C5A60S2最小系统由电源、复位、振荡电路和外围扩展组成。最小系统结构图4-4如下：
5VVCCC1C2C3C4GND27μFC5C627μF复位开关R1C711.0592MHZXTAL1XTAL2RSTSTC12C5A60S2
图4-4 STC12C5A60S2最小系统结构图
最小系统中最重要的是电源的设计，在本设计芯片采用5V供电，为确保电源稳定，需要加入一个5V稳压芯片，在4.2.4控制部分辅助电源设计章节会详细介绍。 4.2.2 信号采集电路设计
信号采集时采用STC单片机自带的高速10位A/D转换器。 采样设计电路分为两部分：电压采集和电流采集。 1)电压信号采集原理:
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5VD1R1输入电压双二极管-+电压跟随器R2R3D2ADCINx
图4-5 电压采集信号原理图
首先，输入电压信号经过电压跟随器进行缓冲，然后，输出电压通过电阻R
2、R3进行分压。由于A/D端口可承受的电压范围为0-5V，本文采用了双二极管来保护A/D端口。如果输入电压高于5V，二极管D1就会导通，输入到A/D端口的电压强制为5V；如果输入的电压低于OV，二极管D2就会导通，输入到A/D端口电压强制为0V。经过保护后的信号，最后送给单片机处理。
2)电流信号采集原理：
被测电流 IR1-+电压跟随器5VD1双二极管R2R3D2ADCINxRm霍尔电流传感器
图4-6 电流信号采集原理图
由于单片机内部读取的采集信号都是电压信号，我们采集的电流也要首先转换成电压信号。因此，图4-6霍尔电流传感器转换的输出电需要流过取样电阻Rm转换成为电压信号。转换成电压信号后，电流采集电路与电压采集电路类似。 4.2.3 PWM信号放大电路设计
主电路中用到四个MOSFET管，它们分别控制着光伏电的接入、主电路中的一个DC/DC变换器、两个光耦器的通断。前两个用STC12C5A60S2提供的两路PWM信号，后两个用I/O引脚控制。
由于STC单片机的I/O直接输出的PWM信号只有5V,而驱动MOSFET管的电压需要12V。因此，输出的PWM信号需要经过放大电路，才能实现驱动MOSFET。信号放大电路图4-7如下:
12V5VNCAnodeCathodeNCTLP250VccVoVoGNDR2R1D1
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图4-7 PWM信号放大电路图
单片机的PWM引脚发出的高电平的电压信号，去驱动光耦合器TLP250，输出最终电压为12V的PWM信号。TLP250的内部结构图4-8所示。
VccAnodeCathodeTr1Tr2VoVoGND
图4-8 TLP250内部结构图
当阳极为高电平时，Tr1导通Tr2截止，TLP250输出高电平12V；当阳极为低电平时，Tr1截止Tr2导通，TLP250输出低电平0V。从而实现了将STC单片机电压信号转换成为能驱动MOSFET的信号。 4.2.4 控制部分辅助电源设计
控制部分的辅助电源是用来为整个控制系统提供电源的。蓄电池提供的电压在12V左右。控制系统中用到的STC单片机需要5V供电，MOSFET通断电压为12V。所以，选择一个可以稳定提供5V和12V电源的装置是关键。
LM7805能够实现5V要求，图4-9是电路设计图。
12V0.33μ1LM7805325V0.33μ
图4-9 LM7805电路设计图
12V电源可由以MC34063芯片为核心的升压模块提供，可以将供给单片机的5V电源升高到12V。图4-10是电路设计图。
R15VVCCCOMPGNDMC34063TCAPIPKIDCISWCISWEC1R2L1D112VR4R3C2C3
图4-10 MC34063升压电路设计图
4.3 LED驱动设计
LED照明通常采用恒流驱动的方式，因为这样可以减少电压波动对驱动电流的影响。本文在设计时，采用了恒流驱动[8-10]芯片PAM2842。该芯片具有较宽的输入电压值可以从5.5V到40V，电压最大输出值可达到40V，功率最大输出可以达到30W;具有三种工作方式，降压方式(Buck)、升压方式(Boost)、升降压方式(Buck/Boost--Sepic)。
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设计过程如图4-11，将电阻R1接入RT引脚来设置PAM2842的工作频率，计算方1012式为:Fsw （4.1）
24(RRT12K)由于设计中接入的R1阻值为130K，所以芯片的工作频率为300KHz。
图4-11 LED驱动电路设计图
通过STC单片机的I/O端口控制EN引脚的电压来控制芯片的工作状态。PAM2842能够输出稳定的电流，输入端电压变化基本不会影响到输出电流，使LED工作的状态相对稳定，达到恒流驱动的目的。 4.4 系统软件设计
软件系统的功能:检测太阳能电池板电压、蓄电池电压、蓄电池充电电流，控制PWM的输出，控制I/O引脚的高低电平。设计中的编程语言采用C语言，软件编译环境为KEIL V7.07，程序烧写软件STC-ISP.EXE，同时采用protel软件进行仿真调试。 4.4.1 主程序设计
首先介绍系统的主程序，然后对主程序的模块进行介绍。光伏路灯控制器系统的主程序主要包括系统的初始化、最大功率跟踪管理、充放电管理以及LED照明自动控制。详细流程如图4-12：
开始系统初始化模块最大功率跟踪管理充放电管理LED照明控制
图4-12 主程序框图
初始化模块，主要对系统I/O引脚功能设置，对后面将要用到的PWM输出、A/D采集端口也需要进行初始化；最大功率跟踪模块，是对光伏输入电压的控制；充放电管理模块，是控制光伏发电系统对蓄电池的充电；LED照明管理系统通过采集的太阳能电池板的电压来控制。
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4.4.2 充放电程序设计
充放电程序管理检测蓄电池电压N状态判断V蓄V欠压切断负载限流充电限流充电蓄电池恒压充电V恒流
图4-13 充放电程序框图
如图4-13所示，当蓄电池处于欠压状况时应切断LED照明回路，采用限电流充电的工作方式；当蓄电池电压介于欠压值和恒流充电电压值之间时，直接采用限电流方式充电；当蓄电池电压介于恒流电压值和恒压电压值之间时，采用恒定电压充电的方式；当蓄电池电压介于恒压值和过压值之间时，采用涓流的充电方式；一旦高于过压值则退出充电。
部分程序代码：
if(Uget
{guangou=0;pwmU(0X65);}; //继电器动作，负载切除 if(Uget>Uqy && UgetUhl && UgetUhy && Uget
if(Uget>Ugy) {pwmU(0XFF);}; //退出充电
if(Uget>Uqy) guangou=1;//负载重新接通
4.4.3 光伏发电接入口软件设计
光伏电接口采用PWM控制是为了采用恒电压控制法实现最大功率输出，当环境温度比较稳定时，最大功率时的电压变化不大，检测环境温度，调整PWM输出。程序框图如图4-14。
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光伏发电接口管理程序检测当前温度与设定值进行比较输出对应占空比
图4-14 光伏发电接口程序框图
部分程序代码：
if(temp10) pwmU(0X33); if(temp15) pwmU(0X55); if(temp20) pwmU(0X65); 4.4.4 LED照明管理程序设计
传统的光控多采用光敏电阻和集成电路的结合进行控制，由于太阳能电池板本身就具有良好的感光性能，且优于光敏电阻本身，所以，本文采用太阳能电池自身的输出信号作为控制信号来实现光控。程序框图如下4-15：
LED照明程序管理检测接口电压检测接口状态大于给定基准值N接入负载Y切断负载输出
图4-15 LED照明管理程序
部分程序代码：
if(U3
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5 总结与展望
本课题设计了一种基于STC12C5A60S2的光伏路灯控制器。该控制器的功能是实现最大功率的追踪，实现蓄电池分段充电以及LED路灯运行的自动控制。设计中主要解决了以下五方面问题：
一、设计硬件电压、电流采集电路，采集信号送入STC单片机A/D端口；
二、设计信号发大电路，利用单片机自身输出的PWM信号去驱动MOSFET管实现对DC/DC变换器的控制，达到实现最大功率追踪和蓄电池充电控制的目的；
三、以LM7805和MC34063芯片为核心，设计了光伏路灯控制器控制部分的辅助电源；
四、以PAM2842芯片设计LED驱动电路；
五、根据系统功能要求设计了控制器的软件部分。
本设计还处于理论研究层面，对于实践的应用还存在不足。下一步我会在实际应用中，进行一下几方面研究：
一、在光伏发电的最大功率追踪方面寻找更经济实用的方法；
二、除了研究太阳能作为能源，也可以将其和风能结合，形成风光互补的路灯控制器。
三、在光控的基础上加上时钟控制，使控制更加精准。 致谢
值此毕业论文设计完成之际，首先要向我的指导老师黄金明副教授表示感谢，感谢黄老师在整个毕业设计的过程中给予的耐心、细致的指导。从一开始论文题目的选定，老师就从整体思路上给予指导，在查阅文献和搜集资料上提供了不少建议，使我对论文设计的思路有了明确的方向，在论文设计中遇到的问题老师给予耐心的解答，在后期论文修改中老师也提了不少可行的建议。同时，感谢实习单位的宋工，谢谢他在硬件设计上给予的指导。最后，感谢其他在论文设计过程帮助我的人。 参考文献：
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