摘要 提出一種基于PIC16F877A為控制核心的太陽能與市電互補LED照明系統。介紹系統的組成和工作原理、系統控制器和直流LED負載，分析了系統的工作狀態和程序控制流程。結合現有小區草坪燈、路燈的實際供電情況，提出了太陽能和市電互補照明的設計思想，在實際中具有良好開發和應用前景。
關鍵詞 互補照明 PIC16F877A 控制流程 LED
0引言
太陽能光伏發電作為一種清潔無污染的新型能源，其推廣應用發展迅速，將逐步成為人類的基礎能源之一。白光LED是繼白熾燈、熒光燈之后的新一代電光源，隨著其流明效率的提高，白光LED正逐步向普通照明領域發展。太陽能光伏發電與白光LED照明結合構成的照明系統是一個最優的環保節能照明系統，是今后的一個重要發展方向。從目前小區草坪燈、路燈已經具備市電網絡和單一太陽能照明可靠性等方面考慮，將市電作為太陽能電池的備用電源使用，可以同時滿足照明系統的可靠性和經濟性，具有良好的開發和應用前景。
1系統構成
太陽能與市電互補的LED照明控制系統主要由太陽能電池、蓄電池、系統控制器、LED照明負載和市電電源五部分組成，系統組成原理如圖1所示。
在四個主要組成部分基礎上把已有的市電作為備用電源。系統正常工作時，由蓄電池向LED負載供電，在蓄電池電壓不足時，由市電直接向LED負載供電，避免了蓄電池電壓不足時LED負載不亮的情況。同時，在設計時可以適當降低蓄電池的容量，降低系統成本。
系統各個組成部分的主要功能如下：
（1）太陽能電池
太陽能電池的作用是將太陽的輻射能轉換為電能，送往蓄電池中存儲起來，推動負載工作，是太陽能發電系統的核心部分。
（2）蓄電池組
蓄電池是太陽能LED照明系統的關鍵部分。它的主要作用是在白天儲存太陽能陣列所產生的電能，晚上把儲存的能量釋放出來，供負載照明使用。
（3）控制器
控制器的作用是對太陽能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED負載進行總體監控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，同時保護蓄電池，避免蓄電池過充電和過放電。需要時完成太陽能電池和市電兩個電源之間的轉換，保證LED負載穩定可靠的工作。
（4）LED照明負載
半導體LED照明光源是系統的重要組成部分。一種節能、高效、環保的綠色電光源。
（5）市電電源
系統中的備用電源。在出現連續陰雨天，蓄電池由于充電電壓不足，不能正常向負載供電時，由系統控制器轉換為市電向LED負載供電。
2系統控制器
系統控制器是整個照明系統的核心，由它完成對太陽能電池電壓的采集和監控，對蓄電池電壓的采集，對蓄電池充電和放電的控制，蓄電池電源和市電之間的轉換控制以及負載點亮或熄滅的控制，等等。本文所設計的系統控制器選用PIC16F877A作為核心部件，圖2是以PIC16F877A為核心的控制器外圍電路示意圖。
控制器主要控制對象是太陽能電池充電控制開關、放電控制開關和市電轉換控制開關，如圖中C1－C3。開關的打開或關閉由單片機輸出的高低電平控制。
3系統工作狀態分析
系統工作時，把其工作狀態分為白天和晚上兩種工作模式；蓄電池根據其荷電狀態分為剩余容量不足（端電壓小于12V）和剩余容量充足（端電壓大于12V）兩種情況。因此，對蓄電池充、放電管理和充電方式的控制應在不同的工作模式下根據蓄電池的荷電狀態進行，如表1所示。
在白天工作模式下，斷開蓄電池向負載放電回路，啟動太陽能電池向蓄電池充電回路。當蓄電池的端電壓小于12V時，充電為了盡快補充蓄電池的容量，太陽能電池以直充的方式對蓄電池充電；當蓄電池的端電壓大于12V時，為延長蓄電池的使用壽命，太陽能電池以脈沖方式對蓄電池充電。
在晚上工作模式下，斷開太陽能電池向蓄電池的充電回路，當蓄電池的電壓大于9V時，啟動蓄電池放電回路，由蓄電池向負載供電；當蓄電池的電壓小于9V時，切斷蓄電池對負載的放電回路，啟動市電電源，由市電向負載供電。
設計中，控制器設置了深夜半功率供電功能（即在深夜使LED負載亮度減半，從而蓄電池輸出功率減半）。蓄電池向負載供電存在兩種狀態：蓄電池正常放電狀態和蓄電池半功率放電狀態。
3．1工作模式轉換流程圖
系統開始工作時，控制器首先檢測蓄電池的端電壓，根據蓄電池端電壓的大小，進入不同工作模式下的工作狀態：太陽能電池端電壓小于0．7V，判斷為晚上，控制器進入晚上工作模式；太陽能電池端電壓大于0．7V，判斷為白天，控制器進入白天工作模式。工作模式轉換軟件流程如圖3所示。
3．2白天工作模式流程圖
進入白天工作模式后，控制器首先切斷兩個供電回路，檢測蓄電池的端電壓，并根據蓄電池端電壓判斷蓄電池的荷電狀態，進行相應狀態下的具體操作：在蓄電池電壓達到過充點時，無論太陽能電池電壓高低，蓄電池充電回路均被斷開，停止充電；蓄電池電壓降至過放點后，為盡快補充蓄電池電壓，采用直流充電的充電方式；在蓄電池電壓沒有過充，也沒有降至過放點時，采用脈沖（PWM）充電。在該模式任意狀態的工作過程中，控制器對蓄電池端電壓進行周期性檢測，以判斷是否停止充電或進行充電方式的轉換。此外，該模式下控制器還需要檢測太陽能電池的輸出電壓，判斷是否要轉換至晚上工作模式。圖4為系統白天工作模式下的程序流程圖。
3．3晚上工作模式流程圖
進入晚上工作模式后，控制器切斷充電回路，檢測蓄電池端電壓并進行判斷，以決定負載由蓄電池供電還是由市電電源供電。如果由備用電源供電，則控制器只需要周期性地檢測太陽能電池的端電壓，以判斷是否要進行工作模式的轉換。如果由蓄電池供電，則控制器首先讀取半功率放電標志位，以確定是否半功率供電，若選擇了半功率供電功能，則蓄電池半功率供電；否則蓄電池正常放電；無論正常供電還是半功率供電，控制器都需要周期性地檢測蓄電池端電壓和太陽能電池端電壓，以判斷是否需要切換到市電電源供電狀態和是否需要轉換至白天工作模式。圖5為系統在晚上工作模式下的程序流程圖。
4LED驅動器的搭配設計
在設計LED燈具時，需要考慮選用什么樣的LED驅動器以及LED作為負載采用的串并聯方式，合理地配合設計，才能保證LED正常工作。在需要使用比較多的LED的產品中，如果將所有LED串聯，將需要LED驅動輸出較高的電壓。如果將所有LED并聯，則需要LED驅動輸出較大的電流。將所有LED串聯或并聯，不但限制著LED的使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動成本也會大增。解決辦法是采用混聯方式。
圖6為本文所用LED燈具采用的串并聯搭配方式，采用混聯方式（4個一串），恒流式驅動。
5結論
利用太陽能照明是人類開發利用太陽能的一個主要手段，然而，由于太陽能輻射的不連續性和間歇性，單一太陽能照明系統經常出現在連續陰雨天時，由于蓄電池電壓不足，負載不能點亮的情況。將太陽能電池與市電組成雙電源互補供電照明系統，不僅有效解決了太陽能利用不穩定的問題，同時可以降低太陽能電池和蓄電池的容量，與單一太陽能照明系統相比較，該系統中太陽能電池和蓄電池的容量各降低了20%左右，減少了系統的制造成本。具有良好的開發和應用前景。