1大连工业大学辽宁大连116034
摘要：随着技术进步和城市的发展，城市道路LED路灯逐渐进入人们的视野，成为应用较广泛的一种照明方式。LED路灯具有耗电量小、响应速度快及使用寿命长等优点。基于此，本文从硬件和软件程序两方面探讨城市道路LED路灯的照明设计。
关键词：城市道路；LED路灯；照明设计
在城市化建设进程中，城市道路中的光伏LED路灯照明系统引发了极大的关注。其具有响应速度快、耗电量小、使用寿命长的特点，成为替代传统照明器具的一大潜力商品。本文重点研究和探讨城市道路LED路灯照明设计系统，遵循城市道路LED路灯照明设计系统的设计原则，从硬件、软件等方面进行设计和研究，使之具有更为优越的使用性能。
1城市道路LED路灯照明系统的基本构成及设计原则
1.1城市道路LED路灯照明系统的基本结构
LED路灯照明系统主要由以下部件构成：太阳能电池板（光伏组件、发电板）、灯具（LED光源）、外壳、太阳能储能蓄电池、太阳能充放电控制器和灯杆。其中，太阳能电池的主要功能是将光能转换成电能；灯具外壳包括外壳（常规灯壳、压铸铝灯壳）和散热板（铝基板散热板）；太阳能储能蓄电池的作用是存储白天太阳能电池组件的能量；太阳能控制器的基本功能是光控、时控、温控等；灯杆主要分为等径杆（上口、下口一样大）、锥型杆（上口小、下口大）、异形杆等。
1.2城市道路LED路灯照明系统的设计原则
①降低功耗。城市道路LED路灯照明系统要处于稳定运行的状态，并在最大程度上控制功耗，确保其使用的可靠性。②高效简洁。城市道路LED路灯照明系统要在自身性能稳定的条件下，尽可能保证高效性和简洁性。③可扩展性。要对城市道路LED路灯照明系统进行模块化设计，使之具有独立功能，并具有可扩展性，能较好地进行后继的升级。
2城市道路LED路灯照明系统的硬件设计
2.1LED路灯照明系统的硬件设计
①电源及复位电路模块。该模块主要向LED路灯照明系统提供3.3V和12V的电压，电源纹波及噪声比对电源电路的性能有较大影响，如果其值较大，则会降低系统的精度，甚至会使系统瘫痪。同时，对于大功率的LED路灯而言，驱动电路要能提供恒定的电流，这就要采用DC/DC升压驱动电路，以恒流源驱动高电流LED，使电流、输出电压处于稳定操作的状态。
②太阳能电池板电压采集模块。该模块主要以太阳能电池板为对象，实现对电压的监测和控制。
③蓄电池电压电流采集模块。该模块主要实现对蓄电池电压、电流的实时监测。通常来说，可以选择12V的铅酸蓄电池，采用三端可调节输出正电压稳压器LM317，以满足输出电压为3.3V的要求。
④键盘显示模块。该模块主要显示LED路灯照明系统的输出状态。
⑤温度采样模块。该模块重点对蓄电池的温度进行监测，并自动充电，表现出温度补偿的性能。当太阳能电池板对蓄电池进行充电时，要采用负温度系数热敏电阻器（NTC）等测温元件检测蓄电池的温度，以避免电池过热而导致其受损。在设计温度检测电路时，要实现单片机对温度的监测，合理控制充电进度，并较好地抑制纹波、噪声的干扰，增强测量的精度。
⑥输出驱动模块。该模块主要是向系统提供驱动及保护。
⑦实时时钟模块。该模块主要以季节的变换为出发点，自动调节LED灯的工作时间。
⑧无线通信模块。该模块是在高灵敏度、低发射功率条件下进行无线数据传输。其主要采用TTL、RS-485或RS－232接口，载波频率通常为433MHz，支持用户的不同协议应用，呈现出透明的、点对点或点对多点的传输状态。单片机主要实现对数据的采集、传输和处理，并根据控制指令进行操作。
2.2硬件电路的保护功能设计
2.2.1雷电安全保护。当出现恶劣的雷电天气时，
太阳能电池板的电压会随着外部环境光强的增大而相应上升。当其超出自身所能承受的额定电压时，则会使太阳能电池板损坏。为此，应在设计LED路灯照明系统时，将压敏电阻07D820K并联安装于太阳能电池板的两侧，以在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流，确保各组件免受雷电的袭击和破坏。此外，还可以将瞬变抑制二极管SMBJ30A并联于蓄电池的两侧，以达到防雷电的保护效果。瞬变抑制二极管响应速度快、体积小、瞬间吸收功率大，是一种高效能的保护器件。
2.2.2蓄电池反充电保护。
为了避免太阳能电池板的电压小于蓄电池电压，要在LED路灯照明系统的充电回路中串联肖特基二极管，实现对LED路灯照明控制系统的反充电保护，杜绝蓄电池对太阳能电池板反向充电的现象。肖特基二极管的反向恢复速度极快，可以利用其较低的正向压降，有效降低二极管上的电压和功率损耗。
2.2.3蓄电池反接保护。
蓄电池的反接保护可以避免因蓄电池极性接反而引发的蓄电池极性反转的现象，并避免在太阳能电池无输出时蓄电池对太阳能电池反充电。LED路灯照明系统的指示灯可以显示蓄电池的工作状态：当指示灯亮时，则表明蓄电池处于正常工作状态；当指示灯熄灭时，则说明蓄电池尚未连接使用；当指示灯快闪时，表明蓄电池过放。为了正常发挥蓄电池的工作性能，在电路中可以选取二极管和保险丝，将肖特基二极管D10串联在蓄电池和太阳能电池之间，对其实施反接保护。利用肖特基二极管正向导通电压较低的特性，降低二极管上的电压和功率损耗。
2.2.4负载短路和过流保护。
LED路灯照明系统出现过流或短路的现象，都会极大损坏硬件电路，降低系统的使用寿命。为此，从硬件设计来看，注重采用自恢复保险丝的方式实现对系统硬件的保护。从软件设计来看，可以在单片机程序编译中设定电流值，实现对系统的过流保护。当系统的放电电流超出额定电流的3倍时，则系统自动关闭负载开关，从而实现对系统的短路保护。
3城市道路LED路灯照明系统的软件设计
城市道路LED路灯照明嵌入式系统还要基于单片机进行软件设计，使之能对负载的控制更加灵活和智能化。LED路灯照明系统的软件设计思路为：由单片机负责对蓄电池、太阳能电池的电压和电流的数据采集、转换和输送，对输出控制信号进行准确判断，并实现对蓄电池的充放电控制、开关控制、LED路灯的PWM调光控制。
3.1主程序
主程序主要由LED路灯照明系统的太阳能控制器判断和检测太阳能电池板端电压，选取最佳的信号驱动方式，确保蓄电池处于最优的充放电状态。
3.2充放电程序
要注重对蓄电池进行合理维护，采用不同的充电策略和方式，确保光伏照明系统正常运作。具体可采用以下几种充电方式。①恒流充电法。充电过程中，铅酸蓄电池的端电压不断增高，这使其相对应的充电电流不断降低，由此要不断提高电源电压。②恒压充电法。其特点为充电电压始终处于恒定状态。③浮充电法。④阶段充电法。这种方法可以减小热损伤，提升充电电能的利用率。
综上所述，城市道路LED路灯照明系统以STC5608控制器为核心，在把握蓄电池和太阳能电池板特性的前提下，从各功能的数据采集、分析和计算模块入手，从硬件和软件两个方面进行设计，使之具有相对完善的保护和控制功能。今后，还要进行LED路灯照明系统的联网调试工作，深入研究太阳能电池板的最大功率跟踪算法。