摘要  提出一种基于PIC16F877A为控制核心的太阳能与市电互补LED照明系统。介绍系统的组成和工作原理、系统控制器和直流LED负载，分析了系统的工作状态和程序控制流程。结合现有小区草坪灯、路灯的实际供电情况，提出了太阳能和市电互补照明的设计思想，在实际中具有良好开发和应用前景。

关键词  互补照明  PIC16F877A   控制流程   LED

0引言

太阳能光伏发电作为一种清洁无污染的新型能源，其推广应用发展迅速，将逐步成为人类的基础能源之一。白光LED是继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光源，随着其流明效率的提高，白光LED正逐步向普通照明领域发展。太阳能光伏发电与白光LED照明结合构成的照明系统是一个最优的环保节能照明系统，是今后的一个重要发展方向。从目前小区草坪灯、路灯已经具备市电网络和单一太阳能照明可靠性等方面考虑，将市电作为太阳能电池的备用电源使用，可以同时满足照明系统的可靠性和经济性，具有良好的开发和应用前景。

1系统构成

太阳能与市电互补的LED照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控制器、LED照明负载和市电电源五部分组成，系统组成原理如图1所示。

在四个主要组成部分基础上把已有的市电作为备用电源。系统正常工作时，由蓄电池向LED负载供电，在蓄电池电压不足时，由市电直接向LED负载供电，避免了蓄电池电压不足时LED负载不亮的情况。同时，在设计时可以适当降低蓄电池的容量，降低系统成本。

系统各个组成部分的主要功能如下：

（1）太阳能电池

太阳能电池的作用是将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中存储起来，推动负载工作，是太阳能发电系统的核心部分。

（2）蓄电池组

蓄电池是太阳能LED照明系统的关键部分。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能，晚上把储存的能量释放出来，供负载照明使用。

（3）控制器

控制器的作用是对太阳能电池、蓄电池电压、市电电源和LED负载进行总体监控。为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，同时保护蓄电池，避免蓄电池过充电和过放电。需要时完成太阳能电池和市电两个电源之间的转换，保证LED负载稳定可靠的工作。

（4）LED照明负载

半导体LED照明光源是系统的重要组成部分。一种节能、高效、环保的绿色电光源。

（5）市电电源

系统中的备用电源。在出现连续阴雨天，蓄电池由于充电电压不足，不能正常向负载供电时，由系统控制器转换为市电向LED负载供电。

2系统控制器

系统控制器是整个照明系统的核心，由它完成对太阳能电池电压的采集和监控，对蓄电池电压的采集，对蓄电池充电和放电的控制，蓄电池电源和市电之间的转换控制以及负载点亮或熄灭的控制，等等。本文所设计的系统控制器选用PIC16F877A作为核心部件，图2是以PIC16F877A为核心的控制器外围电路示意图。

控制器主要控制对象是太阳能电池充电控制开关、放电控制开关和市电转换控制开关，如图中C1－C3。开关的打开或关闭由单片机输出的高低电平控制。

3系统工作状态分析

系统工作时，把其工作状态分为白天和晚上两种工作模式；蓄电池根据其荷电状态分为剩余容量不足（端电压小于12V）和剩余容量充足（端电压大于12V）两种情况。因此，对蓄电池充、放电管理和充电方式的控制应在不同的工作模式下根据蓄电池的荷电状态进行，如表1所示。

在白天工作模式下，断开蓄电池向负载放电回路，启动太阳能电池向蓄电池充电回路。当蓄电池的端电压小于12V时，充电为了尽快补充蓄电池的容量，太阳能电池以直充的方式对蓄电池充电；当蓄电池的端电压大于12V时，为延长蓄电池的使用寿命，太阳能电池以脉冲方式对蓄电池充电。

在晚上工作模式下，断开太阳能电池向蓄电池的充电回路，当蓄电池的电压大于9V时，启动蓄电池放电回路，由蓄电池向负载供电；当蓄电池的电压小于9V时，切断蓄电池对负载的放电回路，启动市电电源，由市电向负载供电。

设计中，控制器设置了深夜半功率供电功能（即在深夜使LED负载亮度减半，从而蓄电池输出功率减半）。蓄电池向负载供电存在两种状态：蓄电池正常放电状态和蓄电池半功率放电状态。

3．1工作模式转换流程图

系统开始工作时，控制器首先检测蓄电池的端电压，根据蓄电池端电压的大小，进入不同工作模式下的工作状态：太阳能电池端电压小于0．7V，判断为晚上，控制器进入晚上工作模式；太阳能电池端电压大于0．7V，判断为白天，控制器进入白天工作模式。工作模式转换软件流程如图3所示。

3．2白天工作模式流程图

进入白天工作模式后，控制器首先切断两个供电回路，检测蓄电池的端电压，并根据蓄电池端电压判断蓄电池的荷电状态，进行相应状态下的具体操作：在蓄电池电压达到过充点时，无论太阳能电池电压高低，蓄电池充电回路均被断开，停止充电；蓄电池电压降至过放点后，为尽快补充蓄电池电压，采用直流充电的充电方式；在蓄电池电压没有过充，也没有降至过放点时，采用脉冲（PWM）充电。在该模式任意状态的工作过程中，控制器对蓄电池端电压进行周期性检测，以判断是否停止充电或进行充电方式的转换。此外，该模式下控制器还需要检测太阳能电池的输出电压，判断是否要转换至晚上工作模式。图4为系统白天工作模式下的程序流程图。

3．3晚上工作模式流程图

进入晚上工作模式后，控制器切断充电回路，检测蓄电池端电压并进行判断，以决定负载由蓄电池供电还是由市电电源供电。如果由备用电源供电，则控制器只需要周期性地检测太阳能电池的端电压，以判断是否要进行工作模式的转换。如果由蓄电池供电，则控制器首先读取半功率放电标志位，以确定是否半功率供电，若选择了半功率供电功能，则蓄电池半功率供电；否则蓄电池正常放电；无论正常供电还是半功率供电，控制器都需要周期性地检测蓄电池端电压和太阳能电池端电压，以判断是否需要切换到市电电源供电状态和是否需要转换至白天工作模式。图5为系统在晚上工作模式下的程序流程图。

4LED驱动器的搭配设计

在设计LED灯具时，需要考虑选用什么样的LED驱动器以及LED作为负载采用的串并联方式，合理地配合设计，才能保证LED正常工作。在需要使用比较多的LED的产品中，如果将所有LED串联，将需要LED驱动输出较高的电压。如果将所有LED并联，则需要LED驱动输出较大的电流。将所有LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动成本也会大增。解决办法是采用混联方式。

图6为本文所用LED灯具采用的串并联搭配方式，采用混联方式（4个一串），恒流式驱动。

5结论

利用太阳能照明是人类开发利用太阳能的一个主要手段，然而，由于太阳能辐射的不连续性和间歇性，单一太阳能照明系统经常出现在连续阴雨天时，由于蓄电池电压不足，负载不能点亮的情况。将太阳能电池与市电组成双电源互补供电照明系统，不仅有效解决了太阳能利用不稳定的问题，同时可以降低太阳能电池和蓄电池的容量，与单一太阳能照明系统相比较，该系统中太阳能电池和蓄电池的容量各降低了20%左右，减少了系统的制造成本。具有良好的开发和应用前景。