中心議題：

• 太陽能與LED結合是街燈發展的必然趨勢
• 太陽能-LED街燈方案的係統結構與實現的原理
• MCU STM32的核心控製作用

解決方案：

• MPPT算法來優化工作效率，采用不同模式給蓄電池充電
• 自動判斷白天、黑夜並以此控製蓄電池的充電和LED的恒流照明
• 同時還提供監控保護、溫度監測
  、狀態輸出等功能

suizhehuashileinengyuanderiyijianshao，yijiwenshiqitideguodupaifangdaozhiquanqiubiannuanwentiyuelaiyueshoudaozhongshi，renmenyifangmianzaijijikaifageleikezaishengxinnengyuan

，lingyifangmianyezaichangdaojienengjianpaidelvsehuanbaojishu。taiyangnengzuoweiquzhibujin、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表；而在照明領域，壽命長
、節能、安全
、綠色環保、色彩豐富、微型化的LED固態照明也已被公認為世界一種節能環保的重要途徑。太陽能-LED街燈同時整合了這兩者的優勢，利用清潔能源以及高效率的LED實現綠色照明。
 
本文介紹的太陽能-LED街燈方案
，能自動檢測環境光以控製路燈的工作狀態，最大功率點追蹤(MPPT)保證最大太陽能電池板效率，恒電流控製LED，並帶有蓄電池狀態輸出以及用戶可設定LED工作時間等功能。

係統結構與實現原理
目(mu)前(qian)街(jie)燈(deng)普(pu)遍(bian)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)市(shi)電(dian)供(gong)電(dian)的(de)高(gao)壓(ya)鈉(na)燈(deng)結(jie)構(gou)，其(qi)中(zhong)高(gao)壓(ya)鈉(na)燈(deng)的(de)電(dian)子(zi)驅(qu)動(dong)部(bu)分(fen)需(xu)要(yao)把(ba)市(shi)電(dian)從(cong)交(jiao)流(liu)轉(zhuan)化(hua)為(wei)直(zhi)流(liu)
，再(zai)逆(ni)變(bian)到(dao)交(jiao)流(liu)來(lai)驅(qu)動(dong)，導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)
；而且由於使用的是市電，需要鋪設複雜、昂貴的管線。太陽能-LED街燈則不具備以上的問題，由於太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅動光源
，兩者的結合更能提高整個係統的效率；太陽能的使用也免去了鋪設電纜及其相關工程的費用。
　 
       

太陽能電池板在太陽光的照射下
，其內部PN結會形成新的電子空穴對，在一個回路裏就能產生直流電流
；這個電流流入控製器
，會以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時候會接受充電
，而在晚上則會提供能量給LED。LED的工作是通過控製器進行的
，控製器在保證LED恒流工作的同時，也會監測LED的狀態以及控製工作時間長短。連續陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下
，控製器會發出控製信號來啟動外部的市電供電係統（不包含在控製器中），保證LED的de正zheng常chang工gong作zuo。外wai部bu的de市shi電dian供gong電dian係xi統tong隻zhi是shi作zuo為wei後hou備bei能neng源yuan，隻zhi有you在zai蓄xu電dian池chi電dian能neng不bu足zu的de情qing況kuang下xia才cai會hui被bei使shi用yong。蓄xu電dian池chi的de充chong電dian完wan全quan隻zhi是shi通tong過guo太tai陽yang能neng來lai實shi現xian的de，以yi確que保bao最zui大da限xian度du使shi用yong太tai陽yang能neng。

太陽能電池板進來後會首先經過一個開關MOS管KCHG連接到直流/直流變換器（蓄電池充電電路）

，此變換器的輸出連接到蓄電池兩端（實際電路裏會先通過一個保險絲再連到蓄電池上）。加上KCHG有兩個作用：一是防止太陽能電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電流
；二是當太陽能電池板極性接反時起到保護電路的作用。直流/直(zhi)流(liu)變(bian)換(huan)器(qi)采(cai)用(yong)降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)的(de)選(xuan)擇(ze)不(bu)僅(jin)得(de)考(kao)慮(lv)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)電(dian)壓(ya)和(he)蓄(xu)電(dian)池(chi)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)，而(er)且(qie)同(tong)時(shi)得(de)兼(jian)顧(gu)效(xiao)率(lv)和(he)成(cheng)本(ben)。蓄(xu)電(dian)池(chi)和(he)LED之間也是通過一個直流/直流變換器（LED驅動電路），對LED要采用恒流控製方式
，考慮到蓄電池電壓的波動範圍以及LEDdegongzuodianyafanwei
，shejidianluzhongcaiyongfanjishituopujiegoulaibaozhenghengliushuchu。fanjishituopudexiaolvyibanmeiyoujiandandeshengyahuozhejiangyadianlugao
，ruguoyaotishengxitongdexiaolv

，keyitongguoyouhuaxudianchidianyayuLED電壓的關係來采用升壓或者降壓電路，提升效率並可能進一步減低成本。[page]

整個控製器的控製是通過一個MCU來實現
，MCU的主要工作包括以下幾點：一是采用MPPT算法來優化太陽能電池板工作效率；二是針對蓄電池不同狀態采用合適的充電模式
；三是保證LED驅動電路的恒流輸出；四是判斷白天黑夜並以此來切換蓄電池充電和放電模式
；最後就是提供監控保護、溫度監測
、狀態輸出和用戶控製輸入檢測（DIP1~4）等功能。MCU的選擇最主要是滿足ADC
、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實際電路中MCU外圍設備的使用情況
，考慮到以後擴展的需要，主控芯片使用STM32F101RXT6 （意法半導體最新款STM32係列MCU，采用Cortex-M3內核）。 
     
                                                                           表1: MCU外設分配。
控製器輔助電源直接從蓄電池變換而來，蓄電池輸入通過線性電源（L78L12）得到12V，供給邏輯電路和PWM開關信號放大；3.3V通過12V接開關電源（L5970D）而來，主要給MCU和周邊電路供電，之所以用開關電源是為了提高轉換效率（減少蓄電池耗電）以及在以後擴展係統時可以提供足夠負載，當然，為了減少成本，完全可以用線性電源來實現。

控製器主要功能

控製器的主要功能包括兩個方麵：蓄電池充電以及蓄電池給LED供電。

蓄電池充電
當係統檢測到環境光充足
，控製器就會進入充電模式。蓄電池充電有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態， 而後者則代表蓄電池充電的最高限製電壓，這些參數應該從蓄電池產品手冊上可以查到。在設計電路中針對12V蓄電池，分別設置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V（皆為在室溫條件下的電壓值

，軟件中這兩個值增加了相應的溫度補償）
，具體充電模式如表2所示。
 

從表2中可以看到涓流充電模式和恒流充電模式會用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實現，業界有不少的論文對此進行了探討，總的來說各有優劣
，設計電路中采用相對簡單的擾動觀察法來實現（Perturbance and Observation）。這個控製方法的基本思想是通過增大或者減少充電電路開關信號PWMCHG占zhan空kong比bi，然ran後hou觀guan察cha輸shu出chu功gong率lv是shi變bian大da還hai是shi變bian小xiao，以yi此ci來lai決jue定ding下xia一yi步bu是shi增zeng大da還hai是shi減jian少shao占zhan空kong比bi。由you於yu太tai陽yang能neng板ban的de輸shu出chu變bian化hua相xiang對dui比bi較jiao緩huan慢man
，而er且qie是shi單dan極ji點dian
，所suo以yi這zhe種zhong方fang式shi還hai是shi能neng收shou到dao比bi較jiao好hao的de效xiao果guo。

蓄電池放電
當檢測到周圍環境光線不足時就會進入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過高位電流檢測芯片（TSC101AILT）采樣送回MCU
，由MCU通過調整開關信號PWMDRV占空比來獲得恒定輸出電流。為了達到節能的目的，LED的恒定電流值會根據係統檢測的環境光強度來調整：當環境光由亮變暗時
，係統的輸出電流也會相應從小到大
；當環境光完全暗下來時，係統的輸出電流也達到最大值。除了由環境光控製LED的輸出,用戶還可以通過設定開關DIPl~4的狀態來開啟時間控製功能, 係統會根據DIP1~4的設定組合來控製LED從亮5分鍾到12小時不等。

此外
，為了提高係統的可靠性

，設計電路添加了針對太陽能電池板、蓄電池和LED等一係列軟硬件的保護功能。而基於此係統平台，還可以從添加智能發光二極管工作模式、增加通訊模塊和采用風光互補係統三方麵進一步優化係統性能。 

結語
太陽能-LED路燈不僅能利用清潔免費的太陽能以及高效環保的LED給gei道dao路lu帶dai來lai照zhao明ming
，而er且qie同tong時shi可ke以yi減jian少shao溫wen室shi氣qi體ti排pai放fang

，實shi現xian綠lv色se照zhao明ming的de目mu的de。本ben街jie燈deng係xi統tong已yi經jing在zai意yi法fa半ban導dao體ti大da樓lou入ru口kou處chu成cheng功gong實shi施shi
，所suo有you街jie燈deng係xi統tong都dou已yi運yun行xing半ban年nian，工gong作zuo情qing況kuang正zheng常chang。隨sui著zhe太tai陽yang能neng板ban的de價jia格ge進jin一yi步bu降jiang低di和heLED性價比的提高，相信這個係統會得到越來越廣泛的應用。