发布时间：2018/8/27 9:30:21 来源：本站
随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有主要能源火电、水电和核电，都存在枯竭或者是破坏环境的危险。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，唯有太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。
LED路灯作为高效节能的新光源，有着众所周知的优点，太阳能发电与LED路灯恰恰是最理想的组合。太阳能LED路灯以太阳光为能源，白天充电晚上使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。因为相同照度情况下，LED路灯需要的电能较传统灯具需要的电能少的多，这就意味着用相对小面积的太阳能电池板和小容量的蓄电池就能满足照度要求，大大减少了太阳能应用于路灯的成本。二者结合是今后路灯发展的必然趋势。
本文探讨了一种基于ARM的太阳能路灯智能控制系统的设计与实现。
基于ARM的太阳能路灯智能控制系统主要由太阳能电池板、蓄电池、LED 路灯和控制器四大部分组成。如图1所示：
图1 太阳能路灯系统图
白天太阳能电池板接受太阳辐射能并转化为电能输出，经过充电控制电路储存在蓄电池中；晚间当光线照度降低时，控制器使LED路灯点亮，并且根据时间自动改变功率，做到最大程度的节能。
在太阳能路灯系统中，太阳能充放电控制器是整个路灯系统中的核心部件，它的性能在一定程度上决定了整个路灯系统的性能好坏。
目前阶段，LED路灯已经在光效、可靠性和寿命方面取得突破性进展，目前发展太阳能LED路灯关键在于控制系统，如何优化太阳能电池板的面积、实现最优的充电和放电管理、如何保证长期稳定运行，根据亮度、温度、时间等外界条件实现智能功率调节、减少故障率这都是太阳能路灯控制系统研发设计中必须要认真研究的课题。
如图2所示，是控制系统的原理框图。该太阳能路灯智能控制系统选用德州仪器的32位ARM微控制器LM3S9B96为主处理器。
LM3S9B96以ARM Cortex-M3为内核，此处理器有高性能、低成本、管脚数少、以及低功耗等方面的优势，与此同时，它还提供出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。非常适合用于本智能控制系统中。其特点有：
图2 太阳能路灯智能控制系统总图
速度快，80MHz运行速度，性能100 DMIPS；
有高效的处理器内核，系统和存储器；
硬件触发器和快速乘法运算，便于MPPT算法实现；
有更好的性能和电源效率；
集成多种睡眠模式，更低功耗。本处理器常年处在待机检测状态，蓄电池取电，低功耗很重要。
电流信号的采样采用康铜丝电阻，此系列电阻选用高精密合金丝并经过特殊工艺处理，使其阻值低，精度高，温度系数低，具有无电感，高过载能力的特点。广泛用于通讯系统，电子整机，自动化控制的电源等回路作限流，均流或取样检测电路连接等。本设计通过康铜丝电阻采样的电压信号经过集成运放LM358的放大，输入到ARM中，进行数据的处理和控制。如图3所示。
图3 电流采样电路原理图
回路电流在康铜丝电阻上产生的压降输入到集成运算放大器的反向输入端。由于Ui<o，故经过康铜丝电阻的采样和运算放大器的放大，将采样的电流变化转变成电压信号的变化，将其送入ARM进行处理。
太阳能电池板和蓄电池电压采样均采用电阻分压电路进行采样，如图4所示，这里就不详细叙述了。
图4 电压采样电路原理图
MPPT是Maximum Power Point Tracking（最大功率点跟踪）的简称，MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。它主要取决于电池板的工作温度和当时的光照水平。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，除去周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%～30%。
如图5所示，点3为太阳能光伏阵列输出功率最大点，目前太阳能光伏阵列工作在点1，此时减小开关管的占空比，系统采样点2的电压电流信号，如果l点的电压小于2点，点1的功率也小于点2，则太阳能光伏阵列就转移到点2工作。开关管的占空比减小，根据增量电导法，始终寻求最大功率点3进行工作，对太阳能光伏阵列而言就是负载加重，就会使太阳能光伏阵列的输出功率增加。
图5 MPPT技术控制图示
本系统采用利用Boost型DC—DC变换器可以实现最大功率点的跟踪。如图6所示，Boost变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入的电感足够大，则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流，Boost电路非常简单，并且由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。关于Boost电路的更多的参数设置，这里不详细叙述。
图6 MPPT算法实现硬件部分原理框图
最大功率点跟踪(MPPT)的算法有：恒定电压控制法CVT、电导增量法(Incremental conductance，简称IncCond法)、曲线拟合法(Curve．fitting)、神经网络(Neural network)、干扰观测法(Perturbation andobservation，简称P&O法)等。本太阳能路灯智能控制系统MPPT算法采用电导增量法完成。
电导增量法是常用的一种MPPT控制方法，是对扰动观察法的改进。其控制思想与扰动观察法类似，也是利用dP/dv的方向进行最大功率点跟踪控制，只是光伏器件工作在最大功率点时控制有所不同。由最大功率点处的光伏器件特性dP/dV，可推导公式：
图7 主程序流程图
通过光伏阵列P—U曲线可知最大值PM处的斜率为零，所以有
上式即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化率等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。这种跟踪方法的优点是当环境条件发生变化时，能够快速跟踪其变化，并且阵列电压摆动较扰动观察法小；缺点是算法较复杂，硬件的要求特别是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高，其算法程序流程图如图8所示。
图8 电导增量法的示意图
目前，太阳能路灯系统主要由于蓄电池寿命低而导致整个路灯系统可靠性不高。对蓄电池的充放电进行智能控制，防止过充过放，对蓄电池的保护是非常关键的。蓄电池充电控制程序使控制器检测到蓄电池充电或放电超出一定范围时，控制器切断充放电回路，保证电池不被损坏。蓄电池端电压用U0表示；蓄电池额定充电电压用UH表示；蓄电池极限放电电压用UL表示；脉冲占空比用D表示；占空比最大值和最小值分别用DH和DL表示。蓄电池充放电控制流程如图9所示。
图9 蓄电池充放电电控制子程序
除此之外，本控制系统还包括AD采样、数据滤波、定时程序、温度补偿程序等，因为具有一定的通用性，在一般的控制系统里比较常见，因为篇幅有限这里就不一一列举。
本文介绍的这种基于微控制器ARM的太阳能路灯智能控制系统的设计，是一种切实可行的方案。虽然工程实践中还没有大面积的采用，但是通过不断的努力与实践，相信这种智能化的方案一定会被广泛地采纳应用，为新能源的应用提供可靠的技术保障。
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