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本文设计一智能小型风光互补路灯控制系统，该系统以风光互补发电系统提供能量，光敏电阻检测光照度，热释电红外传感器检测路上的行人车辆，ATmega16单片机为控制核心，根据光照度和人流量来控制路灯照明系统的开启和路灯亮度的调节。设计中，光伏发电和风力发电并行，更好的适应各种天气，有自动控制和手动控制两种模式，经过环境模拟和模拟试验该系统达到预期目标。

关键词：风光互补发电系统；新能源；路灯控制

　　1系统设计方案

　　在具体模拟路灯照明系统的设计中，由风光互补电路提供能源，用太阳能光伏发电系统和风机发电系统组成，经过稳压、升压、充电保护电路给聚合物锂电池充电，利用光敏电阻检测光照度，热释电红外传感器检测人流量，同时将检测到的数据传输给ATmega16单片机，单片机对这些信息数据进行处理后控制调节路灯照明系统的亮度。系统设计方案如图1所示。

　　2系统硬件电路设计

　　2.1风光互补电路设计

　　太阳能和风能都是可再生的新绿色能源，但其具有季节性和受天气环境影响的劣势。风光互补路灯的发电模块是将太阳能发电和风能发电两者结合，由一个光伏电池板和一个风力发电机组成，使太阳能和风能的利用达到最佳优化。光伏板发电利用的是光生伏特效应将太阳能转换为电能，设计中采用多晶硅太阳能板，多晶硅太阳能板的优点在于太阳光不是很强烈时依然可以正常发电，而且规模的大小也可根据环境条件调节，玻璃层压封装，透光性好，防尘防雨，使用寿命长达30年之久。风力发电机能够将风能经机械能转化为电能，由于自然风具有不稳定性，所以风力发电机发出来的电须经AC-DC变换电路才能储存在聚合物锂电池中。

　　2.2升压模块电路设计

　　因为储能模块的聚合物锂电池是3.7V电压，而单片机及其他模块电路基本都需要5V电压来工作，所以需要一个升压模块将电压抬升以确保其正常工作。转化效率高达95%，输出稳定，搭载的USB接口可以为其他设备供电。同样为了适应各种环境，该模块具有极好的耐低温、耐高温特性。升压模块电路如图2所示。

　　2.3聚合物锂电池模块电路设计

　　聚合物锂电池的充放电都需要用TP4056模块进行保护，电路如图3所示。该模块正好适合DC和USB两种工作电源，有散热片更能应对炎热天气，从而对储能模块更好的保护。而且为了避免过充，该模块还会在充到既定电量后终止充电，同时用一个电阻器来限制充电电流，保护电池。当既不充电也不放电时，会处于防漏电的低电流模式。充电状态有两个指示灯分别对应充电状态和充电完成。

　　2.4环境参数检测模块电路设计

　　设计中为了降低能耗，环保将路灯照明系统设计成自动控制和手动控制两种模式，自动控制模式的实现是通过传感器检测环境参数来决定是否开启路灯照明系统。设计中采用的是光敏传感器模块电路，模块电路如图4所示，利用光敏电阻实时检测环境光照度，将检测值送入单片机后与系统设置的路灯开启或关闭的阈值比较后，由单片机发出开启或关闭路灯照明系统的命令。利用热释电红外传感器检测路上行人流量，将检测数据送入单片机进行处理后调节路灯照明系统中LED灯的亮度。

　　2.5路灯照明电路设计

　　为了风光互补路灯设计的环保要求，选择亮度高，功耗小的LED发光源。这是一款新型LED光源，由透明树脂封装，可回收、污染小。LED路灯亮度的调节通过对二极管进行微秒极的开关控制来进行，这样就使得脉冲宽度调制技术能够与LED调光相结合。所谓的脉冲宽度调制技术就是通过改变LED的恒流源为脉冲恒流源，然后通过检测到的人流量改变电流源的脉冲宽度来调节LED路灯照明系统的亮度。

　　2.6单片机控制电路设计

　　该系统的控制器采用ATmega16单片机来实现智能能化控制，一方面对风力发电机和太阳能电池板对电池进行充电控制，另一方面可以根据光照度和行人量控制路灯照明系统的开始和亮度调节。ATmega16具有16KB的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512BEEPROM，1KBSRAM，32根通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，具有两个8位定时/计数器和一个16位定时/计数器（每一个计数器都支持PWM输出功能），以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。其所有的寄存器都直接与算术逻辑运算单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构提高了代码效率，具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

　　3系统软件部分设计

　　关于路灯照明系统亮度的调节根据自动和手动两个开关分别进入自动模式或手动模式，正常情况下路灯照明系统处于自动模式，由ATmega16单片机实时控制路灯照明系统。光敏传感器及热释电红外传感器检测到的反馈回来的信号经单片机处理后送出命令，当光线暗到设定的阈值时自动开启路灯照明系统，同时根据车流量和人流量自动调节路灯照明系统的亮度，真正实现路灯照明系统的智能化控制。程序的运行流程图如图5所示。

　　4结束语

　　将制作的智能小型风光模拟路灯控制系统放置在一个有风、有太阳光的环境下模拟白天的充电过程，一定时间后将其转移至无光的黑暗环境，将开关调至自动档位，LED光源发光；将开关调至手动档位，LED光源根据手动档位开关而亮灭，该风光互补路灯模拟系统运行稳定。该智能风光互补路灯控制系统将风能和太阳能进行有机结合，将转化的电能存储在聚合物锂电池中，通过对电池进行合理控制，并且路灯的亮灭及亮度可以根据光线亮暗和路上人流量进行自动调节。该系统可以应用在公路、学校、公园、乡村道路等公共场所。

　　参考文献

　　[1]李江江，周亮亮.基于风光互补技术的共享单车电源系统设计[J].产业与科技论坛,2018(8):2-2.

　　[2]王小红.基于51单片机的太阳能风能互补路灯控制器设计[J].现代工业经济和信息化,2019(04):31-33.

　　[3]赵柏，韩松，李志元，陈旭根，李先锐.基于风光互补智能照明系统设计[J].现代信息科技,2018(1):3-3.

　　[4]宋洪儒，王宜怀，杨凡.基于窄带物联网的智能路灯控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2019，42（02）：172-176+182.

　　[5]郭凤仪,赫广杰,刘丹等.基于单片机的光伏路灯照明系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2013,21(6):1615-1627.

　　作者：李娣娜 王海军 马惠铖

 

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