小型智慧太阳能路灯控制系统设计与策略研究

　　苏宏锋，张 强，唐国强（四川交通职业技术学院，成都 611130）

　　摘 要：针对传统太阳能路灯存在功能单一、太阳能利用率低与照明灯光控制不合理的问题，设计了一种小型智慧太阳能路灯控制系统。试验结果表明，该系统能够自适应跟踪太阳位置，使太阳能帆板获取最大光照强度，并能显示蓄电池电量存储信息。为更加合理使用电能，构建了一种基于太阳能路灯点亮优先、自适应调整灯光亮度与点亮时长的模糊控制策略。

　　关键词：灯光控制；智慧太阳能；自适应跟踪；模糊控制

　　*基金项目：四川交通职业技术学院院级项目（2018-JG-06）；2018年四川省“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖项目。

　　0 引言

　　根据国家住房与城乡建设部规划，“十三五”期间国家对智慧城市的投资总规模将逾5 000亿元 ^[1] ，以低碳、绿色、节能、环保为核心的城市智慧照明凭借智能控制、个性化与应用前景广泛等优势逐步取代传统照明，成为城市照明行业新的增长点。当前城市道路路灯在夜晚处于常亮或错时关闭状态，太阳能路灯存在功能单一，蓄电池供电输出没有考虑道路人流量、车流量和蓄电池剩余量等问题。太阳能帆板由于太阳光线位置 ^[2]的变动或障碍物遮挡，无法获得足够光照，蓄电池电能使用不合理。文献^[3]针对光照强度和环境温度的影响引起光伏系统输出功率不稳定问题，提出一种基于神经网络反推控制在光伏系统最大功率点跟踪应用技术，使太阳能电池输出功率最大化，该方法在连续阴雨天气情况下光伏系统如何高效供电问题没有做深入研究。文献^[4]分析研究了一种不均匀光照条件下太阳能电池串联电路特性，提出全局动态功率点动态区间，该方法考虑了天气变化因素对发光伏系统输出功率的影响，但蓄电池功率输出未考虑道路的车流量与人流量的变化。文献^[5]设计了一种双轴太阳跟踪控制系统，使太阳能聚光器受光面始终垂直于太阳入射光线，提高太阳能利用率，但在如何节能供电方面没有做进一步研究。太阳能路灯发电量取决于天气状况，当出现连续阴雨天气时，蓄电池储存的电量被迅速消耗，路灯的亮灯率大大降低。因此，本文研究一种小型智慧太阳能路灯控制系统及控制策略，实现太阳能路灯节能供电。

　　1 系统总体设计

　　小型智慧太阳能路灯控制系统架构如图1所示，本系统选用STC15单片机作为核心控制器，由光照检测传感器、步进电机、电源电路、信号预处理电路、LCD1602显示模块等部分组成。通过光电跟踪模块自动跟踪太阳，使太阳能帆板获得最大光照。将气象中心检测的气温、湿度、云量、风度构建太阳能发电量预测模型预测未来一周太阳能发电量，以及道路人流量和车流量、蓄电池剩余电量等作为模糊控制器的输入，获取太阳能模糊控制策略 ^[6] ，自适应调节灯光亮度、点亮时长、实现节能供电。系统还能通过故障传感器，将故障自动分类与自诊断功能，并及时向路灯管理中心传输故障信息。

　　2 系统硬件设计

　　系 统 采 用 宏 晶 科 技 的STC15F2K60S2处理器为主控平台，将光敏传感器采集的光信号进行AD转化，判断当前太阳光线与太阳能帆板位置关系，从而控制步进电机转动方向，使太阳能帆板最大化吸收太阳光线照射，LCD1602实时显示充电时间以及充电电量百分比。

　　STC15F2K60S2是一款STC增强型51单片机，有2 kB容量SRAM，60 kB片内Flash（闪存），内部集成8通道10位AD转换器 ^[7] ，双串行口，ISP(在系统可编程)/IAP(在内部集成RC振荡器，无需外接晶振和外部复位电路，大大减少了PCB板尺寸，指令处理速度是传统STC89C51单片机的8～12倍。STC15F2K60S2单片机具有丰富的I/O端口、定时器和2路PWM通道资源，非常适合测控系统。

　　2.1太阳光线采集电路

　　将长方形太阳能帆板的东西南北4个方向上安装型号为5506光敏电阻，对采集的光线信号值进行AD转化，判断当前太阳与太阳能板位置关系。太阳光线采集电路如图2所示，由于AD转换后得到的是电压信号，需通过一个固定电阻与光敏电阻分压。当光照变化时，光敏电阻R1～R4电阻值发生改变，根据串联分压的原理，此时通过AD转换获取光敏电阻上的电压值及光照强度。设计了C8～C11等4个滤波电容，目的是使AD转换后的信号更加的精准。

　　2.2 太阳能转换稳压电路

　　由于太阳能板转换后的电压信号纹波较大,设计了如图3所示的太阳能转换稳压电路。采用美国德州仪器（TI公司）和摩托罗拉公司（注：现在为恩智浦半导体公司）生产的2.5V～36V可调式精密并联稳压器TL431来设计太阳能转换稳压电路。TL431的内部含有一个2.5V的基准电压V _REF ^[8] ，当在REF端引入输出反馈时，器件通过从内部二极管的阴极到阳极宽范围的分流，控制输出电压V_out的计算公式：

　　太阳能转换稳压电路中的R12和R13对输出电压V _out 的分压引入负反馈，反馈量逐渐增大随着V _out 不断增大，TL431的分流也随着增加，导致输出电压V _out 下降。深度负反馈电路要求输入电压V _in 等于基准电压V _REF时才保持稳定。当R12与R13阻值相同时，输出电压V _out等于5 V。选择电阻时必须保证通过TL431阴极的电流大于1 mA，故R11阻值取20 Ω，C6为后级滤波电容，减少输出电压信号的纹波。

　　2.3 步进电机驱动电路

　　根据光敏电阻随太阳光线强度改变的特性，采用STC15F2K60S2单片机片内置10位高速AD转换的信号来判断当前太阳所在位置，控制步进电机转动使太阳能板最大化的吸收太阳光。为了使太阳能帆板在0～180°范围能都能获取光照，在“水平+垂直”2个方位分别安装型号为28BYJ-48的步进电机，工作电压为5～12 V，工作电流约为60 mA，ULN2803是8路NPN达林顿连接晶体管阵系列，能驱动电流高达500mA、电压50 V的负载，可用于步进电机的驱动。图4为步进电机驱动电路，P4和P5是用于太阳能帆板水平方向与垂直方向转动控制的5线4相步进电机连接接口，ULN2803由于要同时驱动两个步进电机，所以采用12V电压供电。

　　2.4 灯光控制策略

　　将气象中心检测的气温、湿度、云量、风度构建太阳能发电量预测模型获取太阳能发电量，将预测的发电量、道路人流量、车流量以及蓄电池剩余电量等参数作为模糊控制器的输入，构建基于太阳能路灯点亮优先、自适应调整灯光亮度与点亮时长的模糊控制策略。灯光模糊控制策略如图5所示。

　　根据传感器采集的人流量、车流量、环境能见度、蓄电池剩余电量等信息构建模糊控制策略，生成不同等级灯光控制指令，实现灯光不同亮度调节、点亮时长与通断控制，灯光控制模块电路如图6所示。

　　3 系统软件设计

　　太阳能帆板上东、西、南、北方向分别安装一个光敏传感器采集太阳光线，通过A/D转换获取太阳光线的电压信号，判断太阳能帆板与太阳照射 光线的位置关系，控制水平方向与垂直方向步进电机的转向，使太阳能帆板与太阳光线保持垂直。主程序流程如图7所示。

　　4 系统测试

　　4.1 寻光功能测试

　　为验证系统是否能自动跟踪太阳位置，使太阳能帆板保持与太阳照射光线垂直，对太阳能帆板东、西、南、北四个方向进行寻光测试验。当正东方向光敏电阻检测到太阳光照射时，水平方向电机向东转动，直到光敏电阻东西方向电压相等时（即太阳90°照射太阳能板）停止转动；当正西方向有太阳光时，水平方向电机向西转动，直到光敏电阻东西方向电压相等时停止转动，其它方向亦然。试验结果如表1所示，该系统寻光功能正常。

　　4.2 电量测试

　　当太阳能板给12 V锂电池进行充电时，为了更直观的获取充电量信息，将锂电池插入百分比电量显示接口，显示其电量值。通过测试验证，太阳照射到帆板方角度与12 V 3 800 mA锂电池的充电量百分比关系如表2所示，当太阳照射方向与太阳能板呈90°时，太阳能板获取最强光照，蓄电池充电速率处于最大化状态。

　　5 结束语

　　本文以STC15F2K60S2处理器为主控平台，结合传感器模块与电机伺服系统，设计了一种小型智慧太阳能路灯控制系统。该系统实现了太阳能帆板上光线采集，完成太阳照射光线与太阳能帆板位置关系检测，控制两轴步进电机转动使太阳能帆板获取最大光照，试验验证了锂电池的充电量与太阳照射到太阳能帆板角度关系。为达到节能供电的目的，本文提出了一种太阳能路灯点亮优先、自适应调整灯光亮度与点亮时长的模糊控制策略。

　　参考文献

　　[1] 钟齐鸣.“十三五”智慧城市投资总规模将逾5000亿元[EB/OL].(2015-12-19).http://money.163.com/15/1219/06/BB68JC3R00252G50.html.

　　[2] 赵寒涛,吴文凯.折叠式太阳能自动追踪光伏发电装置设计[J].自动化技术与应用,2018(9):136-139.

　　[3] 阳同光,桂卫华.神经网络反推控制在光伏系统最大功率点跟踪中的应用[J].太阳能学报,2016(12):3030-3036.

　　[4] 乐全明,赵健,郭力.不均匀光照条件下太阳能电池串联电路特性分析及GMPPT控制[J].光子学报,2017(6)：06041001-06041012.

　　[5] 赵建华,张婷婷.太阳跟踪控制系统的研究与设计[J].电子测量技术,2016(3):1-3.

　　[6] 徐锋,徐钰.基于电流预测的太阳能MPPT的模糊控制[J].电源技术,2016(6):1059-1062.

　　[7] 胡邓华,冯刚,等.基于STC单片机的数字采控电路设计[J].现代电子技术,2018(8):53-56.

　　[8] 雷三元.基于TL431构成的自激式Buck变换器的分析与测试[J].电子技术,2017(3):1-5.

　　作者简介：

　　苏宏锋（1984—），男，硕士，讲师，研究方向：智能交通控制技术、电子测控技术。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第9期第69页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。