一种低成本的风光互补路灯控制系统

朱成银，阎昌国，席 豪，汪家晗，张鑫豹

（遵义师范学院工学院，贵州 遵义 563006）

近年来，随着工业技术与经济技术的快速发展，以煤、石油为主的传统化石能源不仅无法满足人类发展对能源需求，而且还会造成严重的环境污染。面对能源短缺与环境污染的双重危机，人类从此掀起了对新能源开发与利用的热潮[1-2]。在众多的新能源中，风能和太阳能由于其具有清洁无污染、取之不尽、用之不竭的优点，得到了众多科学家的重视[3]。然而，单一风力发电易受季节因素的影响，呈现出较高的随机性；单一太阳能发电同样易受时间因素的影响，其仅能在白昼时可用。如果在时间上将风力发电与太阳能发电融合在一起来，则可以实现互补，进一步提高系统供电的可靠性，于是，风光互补发电系统就应运而生了[4-5]。风光互补路灯作为风光互补发电系统的一个重要应用，与传统的照明路灯相比，它开辟了“节能、降耗、减排”的新天地[6]。通常情况下，偏远的农村地区往往具备丰富的太阳能和风能[7]，为充分利用这一优势，解决偏远农村地区夜间出行难、铺设电网成本高的问题，本文提出了一个以单片机为核心风光互补路灯控制系统制作方案，可准确地通过光敏元件检测外部光照条件的变化对路灯的开启或关闭状态作相应的自动控制，进而实现风光互补一体供电。文中给出了该方案的总体架构，详细阐述了部分主要电路的工作原理，最后通过搭建一个实验系统证实了该方案的正确性、可行性与有效性。

1 系统架构

风光互补路灯是一个机电一体化程度相对较高的装置，其控制系统的设计对装置整体性能的影响起着十分重要的作用[8]。如图1 所示给出了所提制作方案的控制系统总体架构原理框图，它由风力发电机、太阳能电池板、蓄电池、控制器、路灯、光照检测模块及可扩展区域等几部分组成。其中，控制器为整个方案的核心，选用了一款具有体积小、成本低、控制简单等优点的单片机STC89C52，它依据光照检测模块来识别白天和黑夜，通过控制完成在白天时关闭路灯实现节能，在黑夜时将风光互补发电存储在蓄电池中的能量输送给路灯实现照明。此外，受此次新冠肺炎疫情防控工作的启示，该方案留有可扩展区域（图中虚线框部分），用户可根据需要在该区域外接文字显示模块或语音播报模块，通过集中控制，可以在偏远农村村委会与村民之间实现“零距离，多点位”地宣传疫情防护知识，以减少因村民居住分散而造成在疫情防控工作中增加额外的人力成本。

图1 总体架构框图

2 主要电路设计

2.1 风光发电电路设计

方案选用了9 V 的多晶硅太阳能电池板与5 V 的微型风力发电机作为发电材料，其电路如图2 所示，图中LM7805 为常见的三端稳压集成电路芯片。该部分电路的工作原理：一方面将太阳能电池板输出的脉动直流电压通过稳压滤波以获得较为稳定的5 V 直流电压；另一方面将风力发电机输出的交流电压通过二极管整流滤波并与太阳能发电的输出相接，以实现风光互补供电。

图2 风光发电电路

2.2 电池充电电路

方案选用了日本SONY 公司的18650 锂电池，具有重量轻、容量大、成本低等优点，其充电电路如图3 所示，图中TP4056 为锂电池充电管理芯片。该部分电路的工作原理：风光发电电路的输出通过RC 滤波后给TP4056 芯片供电，芯片依据内部功率晶体管对电池进行恒压和恒流充电，充电时，LED1 亮，充满时，LED2 亮。

图3 电池充电电路

2.3 升压电路

由于单片机所需供电电压为5 V，而电池的输出电压输出在3.7 V～4.2 V，为解决电平之间的不平衡，方案选用了HX3001 芯片来实现升压，该芯片是一款带恒定频率PWM 控制的高效输出DC-DC 变换器，其电路如图4 所示。该部分电路的工作原理：电池输出电压给HX3001 芯片供电，芯片通过内部机理实现升压，其输出电压作为风光互补路灯系统控制器及其他附属芯片的参考电压VCC，它的大小可由1.212 V（1+R上/R下）计算获得。

图4 升压电路

2.4 光照检测电路设计

方案选用了高灵敏度的光敏电阻传感器对周围环境的光照亮度或强度进行监测，其检测电路如图5 所示。该部分电路的工作原理：当检测到的光照亮度或强度低于比较器LM393 设置的阈值时（通过调节电位器来实现），单片机P1.1 口获得高电平，控制器触发打开路灯照明中断程序；当检测到的光照亮度或强度高于比较器LM393 设置的阈值时，单片机P1.1 口获得低电平，触发对应中断程序，执行关闭路灯动作。

图5 光照检测电路

2.5 路灯照明电路设计

方案选用了4 个高亮LED 灯来模拟路灯照明，其电路如图6 所示。该部分电路的工作原理：当单片机P1.0口输出为低电平时，三极管导通，高亮LED 灯全亮，实现照明；当单片机P1.0 口输出为高电平时，三极管截止，高亮LED 灯全灭。

图6 路灯照明电路设计

3 实验结果

为了验证方案的正确性与可行性，搭建了一个简易的实验系统装置，如图7 所示。实验时，采用了万用表对某晴天电池两端电压变化情况进行监测，设置间隔测量时间为1 h，测试结果如图8 所示。由图可知，电压始终保持在3.7 V 至4.2 V 之间，且在8：00 至15：00，受光照强度（风速变化具有不稳定性）的增强，电池两端电压也随之上升；而在15：00 至18：00，由于光照强度慢慢减弱，电池两端电压也在随之下降。说明风光互补供电电路能随着周围环境光照与风速的变化对蓄电池进行充电。

图7 实验系统装置

图8 电池电压的变化曲线

图9 为模拟昼夜实验时测得的波形。可以看出单片机P1.0 口与P1.1 口的电压波形呈现互补状态，即是在白天光强时，单片机P1.1 口输出为低电平，单片机通过触发对应中断程序，使P1.0 口输出为高电平，实现关闭路灯动作；在夜晚光弱时，单片机P1.1 口输出为高电平，单片机通过触发对应中断程序，使P1.0 口输出为低电平，实现打开路灯动作，实现照明。

图9 实验测试波形

4 结论

本文以单片机为核心控制器，提出了一个低成本的风光互补路灯控制系统设计方案。该方案集太阳能、风能于一体，兼顾了自动化与智能化，能根据周围环境的光照条件实现自动开关灯，成本低，扩展性好，有较好的应用价值，可为风光互补路灯系统的开发与设计提供技术理论指导。