姚亮
山东亮锐照明科技有限公司 山东省德州市 253000
摘要：随着太阳能光伏发电技术与LED照明技术的发展，太阳能LED路灯在道路照明中的应用将越来越广泛。太阳能LED路灯系统的设计应依据拟安装地点的地理环境和气象资料，通过高效、科学、合理的计算方法，选择相匹配的设备，以保证太阳能LED路灯安全可靠的运行。太阳能LED路灯系统的设计主要包括LED灯具功率、蓄电池容量和太阳能电池板功率的计算，智能控制器的选择及防雷接地设计。
关键词:道路照明；太阳能路灯；LED；系统设计
引言
太阳能路灯具有节能环保、无需铺设线缆、免维护和高性价比等优点，在城乡道路照明中得到了广泛的应用。太阳能路灯由光伏电池、蓄电池、控制器、LED灯等几个部分组成。控制器性能好坏决定了太阳能路灯的整体性能。本文以AVR单片机ATMEGA8为核心设计了一款智能太阳能路灯控制器，能自动识别并匹配12V和24V两种规格的蓄电池，并根据环境温度优化充放电管理流程，延长蓄电池使用寿命；LED路灯可以设置为定时开关、光照强度自适应开关等工作模式。控制器具有蓄电池过放过充、负载短路保护等功能，从而保证太阳能路灯的可靠运行。
1太阳能LED路灯系统
太阳能LED路灯系统主要由太阳能光伏组件、蓄电池组件、智能控制器、LED灯具和环境传感器等部分组成。工作原理是在智能控制器的控制下，白天通过太阳能光伏组件将太阳能转化为电能，储存在蓄电池里，夜间蓄电池给LED灯具放电，实现道路照明。
2控制器设计原理
控制器主要由单片机系统（包含人机交互）、充放电控制电路、电压取样电路、温度传感器和DC/DC宽电压范围稳压电源组成，完成蓄电池的充电与保护、路灯供电等功能。单片机循环检测光伏电池电压，按照一定的规则判断出白天还是黑夜。在白天的时候，断开LED路灯供电回路，且根据蓄电池的电量和环境温度采取对应的充电方式；在黑夜的时候，开启LED路灯供电回路，同时监控蓄电池电压、环境温度等参数，防止蓄电池过渡放电。
3硬件电路设计
3.1充电回路
光伏电池的伏安特性一般是非线性的，负载阻抗的匹配特性决定了光伏电池的利用效率。由光伏电池B1、压敏电阻RV1、二极管SBD1、MOS开关管T1、蓄电池B2等组成并联充电拓扑结构，可以实现快速、平稳充电。MOS管T1由单片机“充电”引脚控制其导通和截止；导通则蓄电池停止充电；截止则电路给蓄电池充电。当蓄电池电压达到浮充电压值时，单片机控制MOS管T1进入PWM调制状态，有效保护蓄电池，防止过充。在选择开关管T1时，根据光伏电池和负载的功率选择最大导通电流；根据PWM调制的频率选择开关速度。为提高MOS管T1触发的可靠性，单片机PWM控制信号经过光电耦合实现电平转换和模数隔离。压敏电阻RV1起到防雷击浪涌的作用。二极管SBD1为防反充二极管，防止夜晚或者阴雨天条件下蓄电池向光伏电池反向充电，同时也可防止光伏电池反接对控制器造成损坏。SBD1选用具有低导通压降特性的肖特基二极管，能减少发热、提高系统效率。
3.2放电回路
由蓄电池B2、保险丝F1、二极管D2、MOS管T2和路灯L1等组成。当单片机“路灯”控制引脚输出低电平，光耦U2导通输出高电平，触发MOS管T2导通，此时路灯L1点亮；反之，路灯熄灭。蓄电池在充放电过程中出现过载、过流情况时，保险丝F1可迅速熔断，保护电路不被损坏。保险丝F1与二极管D2配合还能起到防蓄电池反接保护的作用。
3.3太阳能路灯太阳能板选择
太阳能电池是利用光伏效应将太阳能直接转换为电能的设备。太阳能电池板主要包括单晶硅和多晶硅。单晶硅太阳能的光电转换效率高达24％，在所有太阳能电池中最高。它使用寿命长，但是生产成本高。虽然单晶硅的价格高昂，本项目中仍然单晶硅太阳能电池板，单块太阳能电池板的额定电压5V，额定电流200mA,额定功率为1000W，两个太阳能电池板串联连接，以使其工作功率更大，并使它们更快地充满电。
3.4音频信号处理电路
当有人在夜间接近太阳能路灯时，控制器收集声音信号。这里使用。由于驻极体话筒结构简单、体积小、性价比高、声电性能好等优点，因此我们选择驻极体传声器作为声信号采集的传感器。当没有声音时，只输出低电压信号。当有声音时，它会输出一个被集成运放放大的电压值。音频信号处理电路通过驻极体话筒将语音信号转换为微弱的mv电信号。电信号经过由集成运放358构成的两级放大电路，然后被放大成伏特的电压信号。该电压信号送给单片机控制器与参考电压进行比较，得到触发照明的电压阈值。当信号电压高于阈值时，确定环境音量达到预设水平以触发照明。
3.5防雷接地
太阳能LED路灯的工作电压一般为12V或24V，属于安全电压，可不做电气保护接地。但为了保证太阳能LED路灯的运行安全，应进行防雷接地设计。防雷接地可用金属灯杆兼作接闪器和引下线，并利用路灯基础钢筋作接地体，接地电阻要求不应大于10Ω。如接地电阻不满足要求应增加人工接地极。在特殊地方，针对大风等恶劣天气还应考虑设置抗风装置，避免意外天气影响太阳能LED路灯的运行质量。
3.6单片机控制电路
单片机电路是太阳能路灯控制器实现智能控制的核心。单片机选用AVR系列ATMEGA8低功耗单片机，内含RC时钟电路、BOD上电复位电路，只需连接电源引脚即可构成最小系统；内部有硬件PWM模块，让蓄电池充电控制程序编写更简单。单片机芯片内部的EEPROM数据掉电存储单元，让用户数据保存更方便；内部有6通道10位A/D转换器，可以方便读取电池电压，及时获取充放电状态。四个LED数码管动态扫描显示与两个轻触按键共同组成了系统的人机交互电路，信息读取直观方便。可以巡回显示光伏电池电压、蓄电池电压、控制器工作状态，也可以菜单式修改控制器各项参数。为了减少蓄电池电能消耗，在无按键操作20秒后，数码管进入休眠熄灭状态；有按键操作后再次点亮显示。
4系统的仿真与调试
在完成硬件设计后，对系统进行仿真。系统设置的初始时间为2020年7月25日星期六18点17分58秒，初始闹钟时间为18点18分，可通过按下rep按钮实现语音播报功能，系统还设有五个按键，利用加入副屏实现对当前时间的校准与闹钟的设置。仿真时将DHT11温湿度调为27℃、75%，与LCD液晶屏显示保持一致。由于Proteus8Professional仿真软件元件库中，没有语音模块，在仿真时，采用示波器代替语音模块，通过观察波形的输出实现语音播报。
结语
太阳能LED路灯将太阳能光伏发电技术与节能LED照明技术有机结合，随着太阳能电池的效率提升和成本的下降，在未来太阳能LED路灯将越来越满足照明需求。通过对实际工程设计验证，本文的计算过程，可高效、科学、合理的满足太阳能LED路灯的设计。
参考文献
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