太陽能已被公認為未來解決能源危機的最有效能源，LED燈是21世紀最具發展潛力的節能照明產品，因此，太陽能LED路燈屬于當今社會大力提倡利用的綠色能源產品。太陽能LED路燈系統的核心是控制器。目前市場上的控制器普遍存在對太陽能利用率不高、通用性差、壽命短、對蓄電池損害嚴重等問題。為此，我們設計了一款能有效解決上述問題的基于STC15F2K61S2單片機的太陽能LED路燈控制器。圖1為太陽能LED路燈系統的實物圖。

　　該控制器以STC15F2K61S2單片機為控制核心，將太陽能發電部分與LED恒流驅動電路集成在一起，提高系統可靠性;采用同步Buck結構將太陽能電池組件的最大功率點跟蹤與蓄電池的多階段充電法有機結合起來，提高系統對太陽能的利用率，延長蓄電池壽命;采用無電解電容的DC/DC電路提高恒流源電路的壽命;以LT3755為LED恒流源驅動芯片，采取雙PWM方式將LED的模擬調光與數字調光有機結合起來，使并聯LED數目可以提前設定，亮度可以分時段調整，增強控制器的通用性，有效延緩LED的光衰。該控制器同時具備蓄電池過充、過放保護，負載短路保護，防雷保護等多種保護功能。

　　使用時，應按以下步驟操作：

　　1、導線的準備：先按照不大于4A/mm2的電流密度選擇銅導線截面積，然后確定導線長度，再將控制器一側的接線頭剝去5mm的絕緣，保證安裝位置的情況下，盡可能減少連線長度，以減少電損耗。

　　2、系統接線順序：系統上電順序為：蓄電池-電池板-LED負載，如果連接正確且有陽光，蓄電池和太陽能板指示燈會亮，否則應檢查接線是否正確。系統拆卸順序為：負載-電池板-蓄電池。

　　3、設定工作模式：按下開關設置按鈕持續3s以上，LED數碼管開始閃爍，系統進入調節模式，松開按鈕，每按一次按鍵，數碼管會換一個數字，當數碼管顯示的數字對上用戶從表中所選模式對應的數字時(具體表格如設計說明中的表1所示)，松開按鈕，等數碼管數字不閃爍即完成本次設置。

　　4、電流參數設置：當數碼管顯示“8﹒”并閃爍時，再次按下按鈕3s以上，進入電流調節模式，此時3個LED指示燈和數碼管將同時閃爍，按下按鈕即可根據負載所并聯LED的串數對照表格調節所需電流(具體表格如設計說明中的表2所示)，當調節到設定值后，按下按鈕3s以上才能保存參數回到手動模式。

　　平臺選型說明

　　STC15F2K61S2單片機開發板

　　設計說明

　　1 控制器系統組成與工作原理

　　大功率太陽能LED路燈系統原理圖如圖2所示。系統包括太陽能電池板組件、電壓、電流和溫度采集模塊、同步Buck及其驅動模塊、閥控密封式鉛酸蓄電池、LED恒流驅動模塊、LED路燈和STC15F2K61S2單片機最小系統模塊(其中太陽能電池板和蓄電池不屬于控制器系統)。太陽能電池組件為系統提供能源，單片機通過采集太陽能電池組件的輸出電壓來判別是白天還是黑夜，當檢測到電池組件的電壓高于一定值時，進入白天模式，單片機根據所采集的太陽能電池組件的輸出電壓、充電電流、蓄電池電壓和環境溫度等信號，控制同步 Buck工作，實現對太陽能電池組件的最大功率點跟蹤(MPPT)、蓄電池的分階段充電;當檢測到太陽能電池組件的輸出電壓小于一定值時，進入黑夜模式，單片機輸出兩路PWM控制LED專用恒流驅動芯片LT3755驅動LED路燈工作，根據LED的并聯串數，一路PWM經過濾波后通過LT3755的模擬調光方式確定恒流源的輸出電流，一路PWM通過LT3755的數字調光方式控制LED工作在全功率或半功率模式。

　　2 控制器硬件設計

　　太陽能LED路燈控制器硬件電路包括STC15F2K61S2單片機最小系統模塊、蓄電池充電電路模塊、LED恒流驅動模塊和其他電路模塊。

　　2.1 充電電路設計

　　根據蓄電池不同的狀態采用快充恒流、過充恒壓和浮充3階段充電方法可提高充電效率，延長蓄電池的使用壽命。由于蓄電池的最大可接收電流一般很大，實際應用中太陽電池無法提供蓄電池最大可接收電流，因而傳統的3階段充電方法不能有效適用于太陽能對蓄電池的充電。為此，本設計采取MPPT充電、恒壓充電和浮充充電方案代替傳統的3階段充電方式，使系統在提高太陽能利用率的同時，延長了蓄電池壽命。

　　充電電路的具體設計如圖3所示。由于傳統Buck電路中續流二極管上的損耗很大，本文中采用MOSFET取代二極管，即同步 Buck。MOSFET具有極低的導通電阻，可以實現比采用續流二極管高得多的轉換效率，最大限度地減小太陽能的損失，且不會帶來嚴重的散熱問題。為使MOSFET工作于最佳狀態，其驅動電路采用IR公司的IR2101半橋驅動芯片來驅動兩個場效應管工作，通過編程使STC15F2K61S2從CCP1_3、CCP2_3輸出2路邊沿對齊的50KHz互補PWM脈沖驅動同步Buck工作。

　　太陽能電池組件的電壓、電流檢測由單片機ADC2、ADC6模數轉換通道完成，用以確定太陽能電池組件的輸出功率，蓄電池電壓的檢測由單片機ADC0模數轉換通道完成，作為蓄電池充放電狀態信號。當蓄電池的電壓低于13.2V時，采用擾動觀察法實時調整PWM脈沖寬度，以太陽能電池組件輸出最大功率對蓄電池進行快速充電，當蓄電池的電壓高于13.2V而低于13.6V時，單片機控制Buck電路退出MPPT功能，使Buck電路變成恒壓輸出，并且以恒壓方式對蓄電池進行慢速充電。當蓄電池的電壓高于13.6V時，單片機控制Buck電路對蓄電池進行浮充(涓流)充電，浮充的目的是補償蓄電池因自放電和系統較小的負載產生的電量消耗，同時維持蓄電池存儲電量的飽滿。

　　瞬態抑制二極管TVS為防雷管，太陽能LED路燈控制系統一直工作在戶外，難免會遇到雷擊，為此，系統在控制器的每兩個接線柱之間接一個瞬態抑制二極管，有效保護智能控制器的元器件免受損壞。

　　2.2 恒流驅動電路設計

　　在不同的應用場所，對LED路燈的功率要求不同，傳統的恒流源電路輸出電流只能恒定工作在某一定值上，輸出功率也恒定在某一兩個定值上，這一方面導致LED路燈需要和恒流源一致才能正常工作，另一方面導致LED路燈控制器需要多次開發，LED路燈也需要定制。為此，本項目設計了一種新型太陽能LED路燈控制器，可以根據路燈LED并聯數目的多少，預先設定控制器的恒流源輸出電流，使控制器具有一定的通用性。