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【摘 要】 当今，是能源中最重要的一种绿色能源，是存在于自然中用之不竭以及取之不尽的天然能源，对生态平衡没有任何影响，其优点是极为丰富、洁净、安全、价廉。目前，LED照明技术日趋成熟，LED将会在照明行业内得到普及，进而引发人类照明史上的第四次革命。太阳能LED路灯不仅能利用清洁免费的太阳能以及高效环保的LED给道路带来照明，而且同时可以减少温室气体排放，实现绿色照明的目的。
【关键词】 太阳能;路灯照明;系统设计
一、太阳能路灯光源的选用
太阳能路灯区别于传统路灯，它采用的是太阳电池作为它的唯一供电源，由于目前技术上的限制，太阳电池组件的成本较高，为降低系统投入成本，就有必要选用较高效的光源。LED作为能将电能转化为可见光的一种半导体发光器件，通过近年来的广泛应用，LED在技术上有了关键突破。LED与传统的路灯光源相比，LED光源的光效较高，近乎为白炽灯的2倍;使用寿命较长，可达到10万小时以上。加之传统的光源不仅功耗大，且大多都是在高压下工作，在升压逆变的环节中不能保证能源的利用率。而LED光源是采用低压直流的供电方式，安全且光源的控制成本较低，让光源的明暗调节和频繁开关成为了可能。
二、太阳能自动路灯照明系统工作原理
太阳能自动路灯照明系统由主电路和控制电路组成。主电路由太阳能电池板、蓄电池自动充电器、免维护蓄电池、LED灯驱动电路和LED照明路灯组成;控制电路由太阳能电池板自动跟踪系统、单片机STC9058控制系统、蓄电池控制电路、按键显示和LED灯两端电压检测电路组成。单片机控制系统通过太阳能电池板自动跟踪系统、太阳能电池板和蓄电池自动充电器组成太阳能电池板自动跟踪单闭环控制系统。其工作原理为：跟踪太阳方位而转动的太阳能电池板将接收到的太阳能转化为电能，通过蓄电池自动充电器给免维护蓄电池充电;单片机控制系统根据检测到充电电流的大小，进行综合分析，通过太阳能电池板自动跟踪系统实现对太阳能电池板的转动控制和闭环控制。免维护蓄电池将电能储存作为LED照明路灯的供电电源，通过LED灯驱动电路，采用恒流方式驱动LED照明路灯，使其点亮。单片机控制系统通过分析检测到的免维护蓄电池的状态和天气情况，综合判断是否需要运行太阳能电池板自动跟踪系统，若需要，则单片机控制系统通过太阳能电池板自动跟踪系统驱动太阳能电池板作相应的转动，以获得最大的充电电流;单片机控制系统通过蓄电池自动充电器实现对免维护蓄电池的三级充电，即涓流充电、恒流充电和恒压浮充。
三、铅酸蓄电池的特征及其应用研究
光伏发电系统的储能装置是蓄电池，其作用是将光伏电池转换出来的电能储存起来以便使用。配套的蓄电池通常在浮充状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。为了与光伏电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且要维护简单。普通铅酸蓄电池在使用过程中，需要经常加水、加酸，还会产生腐蚀性气体，污染环境，所以全密封免维护铅酸蓄电池近年来得到广泛应用。
（一）铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池主要是由正极板、负极板以及电解液组成。正极板上的活性物质为二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状的铅，电解液是硫酸。铅酸蓄电池是电能和化学能相互转换的装置。放电时，在负极进行氧化，同时正极进行还原，正极板上的二氧化铅和负极板上的铅与硫酸反应，产物都是硫酸铅。在铅酸蓄电池充电式，在正极附近的硫酸铅被氧化成二氧化铅回到正极，而负极附近的硫酸铅被还原成金属铅，重新回到负极上。
（二）铅酸蓄电池的充放电方式
（1）恒压充电法
恒压充电法是指在充电过程中保持充电电源的电压恒定，由于充电初期蓄电池的电动势较低，因此充电电流较大，随着蓄电池端电压的升高，电流逐渐减小。恒压充电法控制简单，但充电初期过大的电流容易使极板上部分硫酸铅无法还原，造成蓄电池容量的下降。
（2）恒流充电法
恒流充电法是指在整个充电过程中都采用同样的电流对蓄电池进行充电，这种控制方法简单，但是在蓄电池进入充电后期其所允许的充电电流较弱，如果使用恒流充电，到充电后期，充入的电能对用于电解水，产生氢气和氧气，是铅酸蓄电池容量减少，寿命减短。
（3）阶段充电法
阶段充电法包括二阶段和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒流充電法至预定的电压值再改成恒压充电;三阶段充电法是在充电开始和结束时采用恒流充电法，中间使用恒压充电法。目前市场上的大部分充电器都采用三阶段充电法。但是在刚开始的时候如果采用较大的电流或者较高的电压，很容易造成热失控，损坏蓄电池，因此出现了四阶段充电法。
（4）四阶段充电法
四阶段充电法在开始时采用涓流充电，当达到设定的使能电压时，进行恒流充电，达到某一过压充电电压时进入恒压充电，最后是浮充充电，以弥补蓄电池自放电的容量损失。
四、确定电池板的最佳倾角
通常在独立光伏系统的设计时，太阳电池组件的平面朝向赤道，与地平面是有一定倾角的。在不同的季节里，太阳辐照量是不同的。倾角的不同，使电池板各方阵面受到太阳辐照量的差别也很大，且蓄电池在充电时受到额定容量的限制，在放电时又受放电深度的限制，所以在太阳能LED路灯的优化设计中，需按照实际负载情况和当地气候状况来确定最佳的倾角角度，使电池板各方阵面最大化接受太阳辐照量来降低系统的成本。
太阳能路灯主要分光控和定时两种控制方式。由于定时控制不受外界的影响，按设定的时间开关灯，常出现天黑灯不亮和天亮灯不灭的问题。而光控方式的太阳能路灯在光线暗到一定的程度时自动开灯，亮度超过设定的阈值时自动关灯，可根据光照的强弱情况自行控制LED光源的工作使其最显著的特点，一年四季均可在无人工参与的情况下正常的工作。
五、单片机控制模块 （1）MSP430系列单片机
MSP430系列单片机是TI公司生产的一种16位超低功耗混合信息处理器（Mixed Signal Processor），主要针对实际应用需耍，将模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上。本设计采用MSP430系列中的MSP430F49单片机作为微处理器。MSP430F149单片机具有以下特点：
①超低功耗。电源电压为1.8V-3.6V;待机电流小于1微安;两种不同的时钟系统;五种低功耗模式;中断可任意嵌套;内部模块可关闭。
②含有丰富的外围模块。数模转换模块、模数转换模块、串口、EC通信接口、SPI通信接口、定时模块、硬件乘法器等。
③强大的信息处理能力。16位单片机，采用精简指令集（RISC）结构，但周期指令，可实现FET、DTMF等算法。
④方便高效的开发环境。FLASH型具有片内JTAG接口，整个开发在一个软件集成环境中进行，不需要专有的仿真器和编程器。开发语言有汇编和C语言。
（2）系统中单片机的任务
①根据采集到的信号判断白天和黑夜，白天对蓄电池充电，黑夜打开LED灯。
②在白天时，采集蓄电池电压和电流，判断蓄电池是否需要充电，若需要充电，则检测太阳能电池电压和电流，判断太阳能电池电压是否达到充电要求，如达到要求，则使用MPPT算法开始对蓄电池进行充电。
③在晚上，当黑夜到临，定时器开始计时，当达到定时时间，产生中断，调节LED电流，并关闭两路LED灯。
EW430基本应用包括：①创建一个应用程序;②设置项目属性;③编写源程序;④编译和连接程序;⑤下载程序到目标MCU中;⑥运行程序;⑦EW430各命令的使用;⑧在一个工作空间中管理各个项目;⑨DEBUG下载时出错处理;⑩EW430提供的Help文档的使用。
六、太阳能自动路灯照明系统软件设计
太阳能自动路灯照明系统主程序设计的主要思路为：首先对单片机控制系统进行初始化处理，然后通过6位液晶显示器显示系统的基准时间，判断是否有系统按键按下（如时间键、速度键、支路电压键和充电键），若有按键按下，则系统响应按键子程序;若没有按键按下，则判断太阳能电池板是否需要转动，若太阳能电池板需要转动，则系统响应太阳能电池板转动子程序;若太阳能电池板不需要转动，则判断蓄电池是否需要充电，若蓄电池需要充电，则系统响应蓄电池充电子程序;若蓄电池不需要充电，则判断LED灯是否需要亮，若LED灯需要亮，则系统响应LED灯亮子程序;否则重新回到判断是否有系统按键按下，程序依次循环往复。
七、结语
面对人类的可持续发展，能源问题越来越受到全球各个国家的重视，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。目前，太阳能照明系统的造价相对传统照明仍然较高，系统含有各种控制器，价格相应偏高;受技術水平的限制仍然很大，太阳能电池的输出功率仍然很低，蓄电池的使用仍然有提升的空间。相信在不久的将来，随着技术的进步，系统的成本会明显下降，使用寿命明显提升，太阳能LED照明控制系统能应用到生活的各个方面，在未来的能源领域里定会有广阔的发展前景。太阳能路灯也将会成为全国乃至全世界各大城市中的焦点。
参考文献：
[1]谷峰.太阳能LED路灯照明系统中控制器和驱动器的设计[D].西安电子科技大学，2013.
[2]杨国瑞，司良群.太阳能光伏LED路灯照明系统设计[A].重庆市电机工程学会.重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集[C].重庆市电机工程学会：，2010：1.
[3]霍永涛.光伏电能在城市路灯照明中的应用设计[D].太原理工大学，2010.
[4]李雪梅，邱望标，李操.太阳能LED路灯照明系统设计[J].电工技术，2009，03：13-14+16.
【关键词】 太阳能;路灯照明;系统设计
一、太阳能路灯光源的选用
太阳能路灯区别于传统路灯，它采用的是太阳电池作为它的唯一供电源，由于目前技术上的限制，太阳电池组件的成本较高，为降低系统投入成本，就有必要选用较高效的光源。LED作为能将电能转化为可见光的一种半导体发光器件，通过近年来的广泛应用，LED在技术上有了关键突破。LED与传统的路灯光源相比，LED光源的光效较高，近乎为白炽灯的2倍;使用寿命较长，可达到10万小时以上。加之传统的光源不仅功耗大，且大多都是在高压下工作，在升压逆变的环节中不能保证能源的利用率。而LED光源是采用低压直流的供电方式，安全且光源的控制成本较低，让光源的明暗调节和频繁开关成为了可能。
二、太阳能自动路灯照明系统工作原理
太阳能自动路灯照明系统由主电路和控制电路组成。主电路由太阳能电池板、蓄电池自动充电器、免维护蓄电池、LED灯驱动电路和LED照明路灯组成;控制电路由太阳能电池板自动跟踪系统、单片机STC9058控制系统、蓄电池控制电路、按键显示和LED灯两端电压检测电路组成。单片机控制系统通过太阳能电池板自动跟踪系统、太阳能电池板和蓄电池自动充电器组成太阳能电池板自动跟踪单闭环控制系统。其工作原理为：跟踪太阳方位而转动的太阳能电池板将接收到的太阳能转化为电能，通过蓄电池自动充电器给免维护蓄电池充电;单片机控制系统根据检测到充电电流的大小，进行综合分析，通过太阳能电池板自动跟踪系统实现对太阳能电池板的转动控制和闭环控制。免维护蓄电池将电能储存作为LED照明路灯的供电电源，通过LED灯驱动电路，采用恒流方式驱动LED照明路灯，使其点亮。单片机控制系统通过分析检测到的免维护蓄电池的状态和天气情况，综合判断是否需要运行太阳能电池板自动跟踪系统，若需要，则单片机控制系统通过太阳能电池板自动跟踪系统驱动太阳能电池板作相应的转动，以获得最大的充电电流;单片机控制系统通过蓄电池自动充电器实现对免维护蓄电池的三级充电，即涓流充电、恒流充电和恒压浮充。
三、铅酸蓄电池的特征及其应用研究
光伏发电系统的储能装置是蓄电池，其作用是将光伏电池转换出来的电能储存起来以便使用。配套的蓄电池通常在浮充状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。为了与光伏电池匹配，要求蓄电池工作寿命长而且要维护简单。普通铅酸蓄电池在使用过程中，需要经常加水、加酸，还会产生腐蚀性气体，污染环境，所以全密封免维护铅酸蓄电池近年来得到广泛应用。
（一）铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池主要是由正极板、负极板以及电解液组成。正极板上的活性物质为二氧化铅，负极板上的活性物质为海绵状的铅，电解液是硫酸。铅酸蓄电池是电能和化学能相互转换的装置。放电时，在负极进行氧化，同时正极进行还原，正极板上的二氧化铅和负极板上的铅与硫酸反应，产物都是硫酸铅。在铅酸蓄电池充电式，在正极附近的硫酸铅被氧化成二氧化铅回到正极，而负极附近的硫酸铅被还原成金属铅，重新回到负极上。
（二）铅酸蓄电池的充放电方式
（1）恒压充电法
恒压充电法是指在充电过程中保持充电电源的电压恒定，由于充电初期蓄电池的电动势较低，因此充电电流较大，随着蓄电池端电压的升高，电流逐渐减小。恒压充电法控制简单，但充电初期过大的电流容易使极板上部分硫酸铅无法还原，造成蓄电池容量的下降。
（2）恒流充电法
恒流充电法是指在整个充电过程中都采用同样的电流对蓄电池进行充电，这种控制方法简单，但是在蓄电池进入充电后期其所允许的充电电流较弱，如果使用恒流充电，到充电后期，充入的电能对用于电解水，产生氢气和氧气，是铅酸蓄电池容量减少，寿命减短。
（3）阶段充电法
阶段充电法包括二阶段和三阶段充电法。二阶段充电法是先用恒流充電法至预定的电压值再改成恒压充电;三阶段充电法是在充电开始和结束时采用恒流充电法，中间使用恒压充电法。目前市场上的大部分充电器都采用三阶段充电法。但是在刚开始的时候如果采用较大的电流或者较高的电压，很容易造成热失控，损坏蓄电池，因此出现了四阶段充电法。
（4）四阶段充电法
四阶段充电法在开始时采用涓流充电，当达到设定的使能电压时，进行恒流充电，达到某一过压充电电压时进入恒压充电，最后是浮充充电，以弥补蓄电池自放电的容量损失。
四、确定电池板的最佳倾角
通常在独立光伏系统的设计时，太阳电池组件的平面朝向赤道，与地平面是有一定倾角的。在不同的季节里，太阳辐照量是不同的。倾角的不同，使电池板各方阵面受到太阳辐照量的差别也很大，且蓄电池在充电时受到额定容量的限制，在放电时又受放电深度的限制，所以在太阳能LED路灯的优化设计中，需按照实际负载情况和当地气候状况来确定最佳的倾角角度，使电池板各方阵面最大化接受太阳辐照量来降低系统的成本。
太阳能路灯主要分光控和定时两种控制方式。由于定时控制不受外界的影响，按设定的时间开关灯，常出现天黑灯不亮和天亮灯不灭的问题。而光控方式的太阳能路灯在光线暗到一定的程度时自动开灯，亮度超过设定的阈值时自动关灯，可根据光照的强弱情况自行控制LED光源的工作使其最显著的特点，一年四季均可在无人工参与的情况下正常的工作。
五、单片机控制模块 （1）MSP430系列单片机
MSP430系列单片机是TI公司生产的一种16位超低功耗混合信息处理器（Mixed Signal Processor），主要针对实际应用需耍，将模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上。本设计采用MSP430系列中的MSP430F49单片机作为微处理器。MSP430F149单片机具有以下特点：
①超低功耗。电源电压为1.8V-3.6V;待机电流小于1微安;两种不同的时钟系统;五种低功耗模式;中断可任意嵌套;内部模块可关闭。
②含有丰富的外围模块。数模转换模块、模数转换模块、串口、EC通信接口、SPI通信接口、定时模块、硬件乘法器等。
③强大的信息处理能力。16位单片机，采用精简指令集（RISC）结构，但周期指令，可实现FET、DTMF等算法。
④方便高效的开发环境。FLASH型具有片内JTAG接口，整个开发在一个软件集成环境中进行，不需要专有的仿真器和编程器。开发语言有汇编和C语言。
（2）系统中单片机的任务
①根据采集到的信号判断白天和黑夜，白天对蓄电池充电，黑夜打开LED灯。
②在白天时，采集蓄电池电压和电流，判断蓄电池是否需要充电，若需要充电，则检测太阳能电池电压和电流，判断太阳能电池电压是否达到充电要求，如达到要求，则使用MPPT算法开始对蓄电池进行充电。
③在晚上，当黑夜到临，定时器开始计时，当达到定时时间，产生中断，调节LED电流，并关闭两路LED灯。
EW430基本应用包括：①创建一个应用程序;②设置项目属性;③编写源程序;④编译和连接程序;⑤下载程序到目标MCU中;⑥运行程序;⑦EW430各命令的使用;⑧在一个工作空间中管理各个项目;⑨DEBUG下载时出错处理;⑩EW430提供的Help文档的使用。
六、太阳能自动路灯照明系统软件设计
太阳能自动路灯照明系统主程序设计的主要思路为：首先对单片机控制系统进行初始化处理，然后通过6位液晶显示器显示系统的基准时间，判断是否有系统按键按下（如时间键、速度键、支路电压键和充电键），若有按键按下，则系统响应按键子程序;若没有按键按下，则判断太阳能电池板是否需要转动，若太阳能电池板需要转动，则系统响应太阳能电池板转动子程序;若太阳能电池板不需要转动，则判断蓄电池是否需要充电，若蓄电池需要充电，则系统响应蓄电池充电子程序;若蓄电池不需要充电，则判断LED灯是否需要亮，若LED灯需要亮，则系统响应LED灯亮子程序;否则重新回到判断是否有系统按键按下，程序依次循环往复。
七、结语
面对人类的可持续发展，能源问题越来越受到全球各个国家的重视，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。目前，太阳能照明系统的造价相对传统照明仍然较高，系统含有各种控制器，价格相应偏高;受技術水平的限制仍然很大，太阳能电池的输出功率仍然很低，蓄电池的使用仍然有提升的空间。相信在不久的将来，随着技术的进步，系统的成本会明显下降，使用寿命明显提升，太阳能LED照明控制系统能应用到生活的各个方面，在未来的能源领域里定会有广阔的发展前景。太阳能路灯也将会成为全国乃至全世界各大城市中的焦点。
参考文献：
[1]谷峰.太阳能LED路灯照明系统中控制器和驱动器的设计[D].西安电子科技大学，2013.
[2]杨国瑞，司良群.太阳能光伏LED路灯照明系统设计[A].重庆市电机工程学会.重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集[C].重庆市电机工程学会：，2010：1.
[3]霍永涛.光伏电能在城市路灯照明中的应用设计[D].太原理工大学，2010.
[4]李雪梅，邱望标，李操.太阳能LED路灯照明系统设计[J].电工技术，2009，03：13-14+16.