实验题目：光伏智能路灯控制器的设计

课程简要信息

1. 课程名称：电子系统综合设计
2. 实验案例名称：光伏智能路灯控制器的设计
3. 实验学时安排（课内/课外）:16/16
4. 学生专业、年级：电子科学，电气工程及其自动化，自动化，大三学生

实验内容与任务

1、实验任务

设计并制作如图 1 所示的太阳能路灯，白天通过太阳能电池板给蓄电池充电，夜晚通过蓄电池放电给 LED 照明灯提供电源。

图 1 太阳能路灯原理框图

2、具体要求

（1） 输出电压 uo ：24V-48V 可调。
（2） 输出最大电流 io：2A。
（3） LED驱动可工作在恒压、恒流模式。
（4） 白天/夜晚自动切换。
（5） 具有过压、过流保护功能。
（6） 输出端具有防反插以及开路保护功能。
（7） 通过按键可实现恒压、恒流模式的切换；通过按键可更改输出电压、电流的参数，电压步进1V、电流步进0.1A。
（8） 充电、放电状态显示。
（9） 电池充电部分可实现MPPT 控制。
（10）提高要求：增加红外功能，可通过红外遥控器显示和更改系统设置。
（11）其他。

二、 实验过程及要求

学生根据学号两人一组，首先查找相关资料，必须充分理解题目，熟知各部分的工作原理。根据设计要求，利用所学的模电、数电、电路、电子、单片机等相关知识，设计电路图，可先通过仿真软件验证设计方案的正确性，再认真仔细的在多孔板上制作电路，最终编写软件程序，进行项目调试。在课内、外共 32 个学时内，完成实验任务。

1、预习部分

复习运放及相关应用电路，熟悉 Boost、Buck电路的工作原理，熟悉MPPT 的相关概念，熟悉MOS管的驱动方式，熟练运用单片机PIC 16F1784以及其开发平台MPLAB。

2、电路设计部分

（1）设计充电部分，在设计过程中，必须考虑如何防止反充电现象的出现。（2）根据LED负载的需求，设计 Boost 型DC/DC变换电路。（3）根据参数要求以及单片机的特性，设计合理的采样、驱动电路。（4）在多孔板上进行焊接、布线。整体布局、布线必须合理、整洁，便于查找错误。
关键点需要留有示波器测试点。（5）上电调试前，认真仔细查看电路，用万用仔细检测电源部分，在确保没有短路的
情况下，方可通电调试。（6）在调试过程，采用分段调试的方式。

三、 相关知识及背景（限 150 字）

光伏是当前的一个热点方向，LED 照明由于具有诸多优点也已经广泛应用。本课题运用所学的电子电路、单片机等理论知识，贴近生活，同时紧跟当前的研究热点。设计一个结合光伏充电电源以及LED 驱动的实际工程，将理论与实践相结合。

四、 教学目标与目的（限 100 字）

以实际工程为例，让学生掌握软硬件的基本设计方法，能运用所学的知识设计出合理的控制方案。培养学生的动手能力，使其可以熟练掌握常规测试工具的使用方法。在调试过程中培养学生发现问题、解决问题的能力。

五、 教学设计与引导

1、任务讲解、模块划分

本实验是一个综合实验，首先老师需要详细讲解实验任务，并对整个系统按照功能进行划分，引导学生根据功能模块的要求，选择最优的设计方案。

2、设计方案

根据实验任务，学生查阅资料，自行设计方案。

3、方案交流

以PPT的方式，每组学生到讲台讲述自己的设计方案、设计思路，并提出设计过程中出现的疑惑。老师和其他学生可以对设计者的方案进行提问，并提出自己的修改意见。

各组同学相互交流，取长补短，完善设计方案。

4、方案确定

修改方案，老师审批

5、搭建电路

审批合格，开始搭建电路。在此过程中，强调布线规范的重要性。

6、调试

学生编写程序进行调试。

7、验收

在验收过程中，除了看实验结果，老师还需根据实验现象，向学生提问，学生负责解答。最终结合两者给出评分。

六、 实验原理及方案

图 2 为本实验的系统原理图，主要包含主电路和控制电路两部分。
图 2 光伏路灯系统图

6.1 主电路部分（1）MPPT 充电部分

图3为基于 Buck变换器的MPPT 充电部分，充电时Q6 打开，Q1 进行PWM 控制，实现最大功率跟踪。当蓄电池电压高于光伏电池板电压时，Q6 和Q1 关断防止反充电现象出现。U6_2为光伏电池板的电压采样信号，U6_22为蓄电池的电压采样信号，电阻R21 的降压作为蓄电池的电流采集信号。通过判断U6_2电压即可判断是否需要打开负载 LED。

图 3 MPPT电池充电原理图

2、基于 Boost 电路的 LED 驱动模块

图4为基于Boost变换器的LED 驱动部分，可实现恒压或者恒流输出，其中通过MOS管Q3可实现防止负载反插的功能。

图 4 Boost LED 驱动原理图

6.2 控制部分：

1、电源供电模块

由于系统中有太阳能电池和蓄电池模块，因此其都可以作为系统的供电来源，将太阳能电池板与蓄电池的电压进行比较，电压高的作为线性电源芯片的输入电压，其原理如图 5 所示。

图 5 电源供电模块原理图

2、电压、电流采样模块

电压采样如图 3、图 4 所示可通过电阻进行分压，再通过运放电路进行调整，电流采集先通过采样电阻把电流信号转换为电压信号，同样经过运放进行调整后送给单片机的AD端口

3、MOS 管驱动电路

MOS管驱动采用IR2117驱动芯片，具体设计电路查看芯片手册进行参数配置

4、部分软件流程图（MPPT 参考软件流程图）

图 6 MPPT 软件流程图

七、 实验报告要求

a) 实验项目名称
b) 实验内容及要求
c) 电路原理图
d) 电路工作过程分析
e) 参数计算过程
f) 软件流程图
g) 实验测试波形
h) 总结
（1）阐述设计中遇到的问题，原因分析以及解决方案，
（2）总结不同设计电路和方案的优缺点，
（3）指出课题的使用价值，
（4）实验的收获和体会，

i) 参考文献

八、 考核要求与方法（限 300 字）

1.预习部分：根据实验要求，设计具体电路。
2.实物验收：包括各个模块以及整体电路验收。
3.实验质量：考查电路的焊接质量，布局是否规范，电路方案的合理性。
4.自主创新：考查学生电路设计创新性，自主思考和独立实践的能力。
5.实验报告：实验报告的规范性与完整性。

九、 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

选择光伏路灯作为设计对象，更加贴近生活，可以激发学生的学习兴趣。增加MPPT控制可提高转换效率。

实验案例信息表