太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李麗麗，施偉

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，可再生能源消耗逐步加劇，能源燃燒造成的空氣污染也是越來越嚴(yán)重，為了維持人類的可持續(xù)發(fā)展，利用可再生清潔能源已經(jīng)成為現(xiàn)今人類的重要任務(wù)[1]。太陽能作為一種可再生的無污染能源自然成為了新時(shí)代能源的“新寵”，太陽能是一種“取之不盡，用之不竭”的安全、環(huán)保的新能源，也是人類可以自由利用的能源。太陽能路燈集成了太陽能光伏發(fā)電與LED固態(tài)照明兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將新一代能源和新一代光源良好的結(jié)合[2-3]。與傳統(tǒng)照明工具相比，太陽能路燈不需要設(shè)置輸電線路和鋪設(shè)電纜，也不需專人管理和控制，太陽能路燈僅需一次性投入，且維護(hù)成本低，短期即可收回投資成本，受益長(zhǎng)久。太陽能路燈不存在安全隱患，綠色環(huán)保。

1 設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)現(xiàn)今已有的LED路燈與傳統(tǒng)路燈數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)合太陽能路燈的自身特性，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能總結(jié)如下：

（1）電池板功率的計(jì)算與選用；

（2）自動(dòng)跟蹤太陽角度；

（3）蓄電池容量，充放電的控制與充放電狀態(tài)顯示；

（4）連續(xù)陰雨三天時(shí)，路燈仍能照明；

（5）光線暗時(shí)，燈能自動(dòng)點(diǎn)亮，為節(jié)約電能晚上24點(diǎn)時(shí)熄滅，早上五點(diǎn)路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，早上光線強(qiáng)時(shí)自動(dòng)熄滅。

太陽能路燈控制器常用的有：?jiǎn)为?dú)光控制型、時(shí)鐘控制型和經(jīng)緯控制器型等，由于各自的工作原理不同，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文結(jié)合以上幾種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮節(jié)電、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用等問題，將定時(shí)控制和光敏電阻控制方式相結(jié)合，來實(shí)現(xiàn)太陽能路燈的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在白天，太陽能路燈通過太陽電池組件采集太陽光能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來，即給蓄電池充電；晚上光線較暗時(shí)，蓄電池由路燈控制處理器控制，點(diǎn)亮路燈實(shí)現(xiàn)照明。根據(jù)各部分電路的不同功能，整體電路可分為以下幾部分：太陽電池板組件、過充過放電控制電路、自動(dòng)跟蹤裝置、單片機(jī)、蓄電池、時(shí)空光控電路、照明負(fù)載與時(shí)間顯示電路等，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。太陽電池板通過穩(wěn)壓電路給單片機(jī)供電，同時(shí)為蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓較低時(shí)，其容量損耗將很快，使用的壽命也會(huì)變短，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，就要防止蓄電池出現(xiàn)過充或過放，因此在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中需要過充過放的控制電路。

2.2 系統(tǒng)基本組成和設(shè)備選擇

系統(tǒng)由太陽電池組件（包括支架）、控制器、LED燈頭、蓄電池和燈桿等幾部分組成，太陽電池板工作效率較高，是太陽能路燈的核心部分，更是太陽能路燈系統(tǒng)價(jià)值最高的部件。太陽電池板將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，并送至蓄電池中將其存儲(chǔ)下來，對(duì)系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常有利。太陽能LED燈是利用太陽電池組件實(shí)現(xiàn)發(fā)電，蓄電池儲(chǔ)電，通過控制蓄電池的充放電工作。太陽能控制器主要功能是保護(hù)蓄電池，其必須具備過充保護(hù)、過放保護(hù)、光控、時(shí)控和防反接等基本功能。太陽能蓄電池組是太陽電池方陣的儲(chǔ)能設(shè)備，主要作用是將方陣在日照多時(shí)發(fā)出的多余電能儲(chǔ)存起來，在夜晚或陰雨天時(shí)供負(fù)載使用。

2.2.1 太陽電池組件

為使太陽電池組件一年中接受的太陽輻射能量盡可能的多，就要為太陽電池組件選擇一個(gè)最佳的傾角，傾角可以通過Hay模型來計(jì)算，通過計(jì)算可以獲得不同傾角平面的月平均太陽輻射量的變化情況。太陽電池板的傾角是指太陽電池板平面與水平面的夾角。通過查詢遼寧省阜新市的維度為41.77度，最佳傾角41.77+1=42.77度，年平均日照時(shí)間是4.6小時(shí)。在不同角度傾斜面上，太陽的輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角才能使其獲得最大的太陽輻照量。根據(jù)資料分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)默認(rèn)初始傾斜角為50度。

太陽電池板主要有單晶硅和多晶硅兩種，多晶硅面積較大，但發(fā)電效率沒有單晶硅高，設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽電池組件。

2.2.2 蓄電池和太陽能板

蓄電池用于給路燈供電，本設(shè)計(jì)的路燈工作電壓為24 V，工作電流約1.2 A。由于路燈一天需要工作8個(gè)小時(shí)左右，考慮連續(xù)陰天3天情況下的系統(tǒng)供電，后備電源必須具有24 h的供電能力，且按80%的放電率進(jìn)行計(jì)算，則蓄電池容量可通過公式（1）計(jì)算。

式中：Qx為蓄電池容量；Tx為蓄電池放電時(shí)間；Is為設(shè)備工作電流；

計(jì)算可知應(yīng)選用24 V/36 Ah免維護(hù)蓄電池。

有日照時(shí)，需要太陽能板為蓄電池充電，每天有效充電時(shí)間為8 h，兩天充滿，可計(jì)算出太陽能板輸出的功率，如式(2)：

式中：Qx為蓄電池容量；D為充滿電需要的天數(shù)；Qs為日耗蓄電池容量；Vg為設(shè)備工作電壓；Tc為充電滿電所用時(shí)間。

通過計(jì)算可知太陽能板應(yīng)選擇24 V/70W。

2.2.3 照明負(fù)載

本設(shè)計(jì)采用高亮LED管作為系統(tǒng)的照明負(fù)載，其正常工作電壓3.3 V，共選用28個(gè)1W高亮管，每7個(gè)高亮管串聯(lián)為一組，共四組并聯(lián)在電路中，這樣可以減少當(dāng)電路中的某一個(gè)高亮管出現(xiàn)故障對(duì)其他高亮管的影響，由于高亮管的直射效果較好，因此燈具的體積要盡量小一些，這樣可以增大高亮管的照射范圍，應(yīng)盡量選擇照射角度大的高亮管。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)

通過2.2節(jié)的介紹，本系統(tǒng)的設(shè)備性能指標(biāo)如表1。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1.1 MCU

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。AT89S52是一種低功耗、高性能8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)中可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，且與工業(yè)80C51產(chǎn)品的指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適用于常規(guī)編程器。在單芯片上，具有靈巧的8位CPU與在系統(tǒng)可編程Flash，這使得AT89S52在眾多的嵌入式控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

3.1.2 電源電路

電源電路如圖2所示。系統(tǒng)太陽能供電，24 V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5 V電壓，作為控制器的主電源。電容C2、C3作為高頻旁路電容，將高頻信號(hào)旁路到地[4]。同樣的電容C1、C4為濾波電容。

圖2 電源電路

3.1.3 顯示電路

本設(shè)計(jì)電路采用單片機(jī)串口顯示，由74LS164作為數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路，二極管D1、D2和D3承擔(dān)降壓、保護(hù)數(shù)碼管的作用，數(shù)碼管選用四位，前兩位顯示小時(shí)，后兩位顯示分鐘內(nèi)容，顯示電路如圖3。STC12C2051單片機(jī)的串行口RXD，TXD作為一個(gè)全雙工串行通信口，在工作方式0下可作同步移位寄存器使用，其數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端串行輸出或輸入；同步移位時(shí)鐘由TXD（P3.1)端串行輸出，在同步時(shí)鐘的作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。由于74LS164在低電平輸出時(shí)允許電流達(dá)到8mA，因此不必添加驅(qū)動(dòng)電路，亮度也較為理想。

圖3 顯示電路

3.1.4 過充、過放控制電路

過充控制，即在蓄電池處于過充狀態(tài)時(shí)能夠斷開充電電路，過放控制電路就是當(dāng)蓄電池處于過放狀態(tài)時(shí)可以斷開放電電路[5-6]。過充、過放控制目的都是為了保護(hù)蓄電池，過充控制電路中將繼電器J1的開關(guān)串聯(lián)在充電電路中，在白天太陽光充足處于正常充電狀態(tài)時(shí)，由太陽能板吸收熱并經(jīng)繼電器開關(guān)常閉點(diǎn)向蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓高于26 V時(shí)，認(rèn)為蓄電池處于過充狀態(tài)，U1A“－”端電壓高于“+”端電壓時(shí)U1A輸出“－”，低電平，使Q1截止，同時(shí)Q2導(dǎo)通，繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點(diǎn)斷開，常開點(diǎn)閉合，充電電路斷開，過充指示燈亮，即停止向蓄電池充電，達(dá)到過充保護(hù)的功能。

過放控制電路中，將繼電器J2的開關(guān)串聯(lián)在放電電路中，在正常放電狀態(tài)時(shí)，放電電路正常工作。當(dāng)晚上由蓄電池向負(fù)載供電時(shí)，蓄電池的電壓低于22 V時(shí)，認(rèn)為蓄電池處于過放狀態(tài)，此時(shí)U1B“+”端電壓低于其“－”端電壓時(shí)，U1B輸出“－”低電平，使Q3截止，同時(shí)Q4導(dǎo)通，繼電器線圈J2通電，繼電器開關(guān)由常閉點(diǎn)轉(zhuǎn)到常開點(diǎn)，放電電路斷開，過放指示燈亮，停止向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)過放保護(hù)的功能。

3.1.5 太陽自動(dòng)跟蹤電路

自動(dòng)跟蹤模塊的控制部分采用光敏電阻光強(qiáng)比較的控制方式[7-8]。在跟蹤電路的設(shè)計(jì)中，對(duì)光敏電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)置進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，使數(shù)據(jù)采集部分能夠及時(shí)地反應(yīng)出太陽光線較小或較大的變化。通過在太陽光接收器上安置一個(gè)圓筒作為阻擋物，并在圓筒內(nèi)外四個(gè)方向分別放置光敏電阻，構(gòu)成的傳感器安置在與電池板同一平面，通過光敏電阻輸出來調(diào)整太陽能板的角度。單路光敏電阻的采集電路如圖4所示。

圖4 單路光敏電阻采集電路

3.2 軟件系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用Keil C編制，主要由主程序、時(shí)間設(shè)定子程序、1302的讀寫子程序、24C02的讀寫子程序、時(shí)間比較子程序、按鍵子程序、顯示刷新子程序等組成。程序開始進(jìn)行初始化，調(diào)用24C02內(nèi)部存儲(chǔ)的開關(guān)路燈時(shí)間點(diǎn)，程序每間隔一段時(shí)間調(diào)用一次1302中的時(shí)間。通過程序?qū)⒃O(shè)定的時(shí)間與系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行比較，設(shè)定比較的間隔為1秒一次，當(dāng)時(shí)間相同時(shí)，通過程序輸出控制信號(hào)，來對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。程序整體設(shè)計(jì)流程見圖5。

圖5 程序整體流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)自動(dòng)跟蹤和充放電控制兩個(gè)主要的功能模塊進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，具體測(cè)試過程如下。

4.1 自動(dòng)跟蹤模塊測(cè)試

根據(jù)遼寧省阜新市（東經(jīng)122度，北緯42.1度），2011年7月9日上午9點(diǎn)至下午1點(diǎn)，以半小時(shí)為單位，系統(tǒng)對(duì)太陽高度和方位跟蹤進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試方案如下：

（1）設(shè)置初始位置和初始時(shí)間；

（2）步進(jìn)電機(jī)每次最小轉(zhuǎn)動(dòng)1度；

（3）記錄每次步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；

（4）對(duì)比系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角度和太陽實(shí)際角度。

測(cè)量及對(duì)比結(jié)果如表2和圖6所示。通過以上測(cè)試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠精確跟蹤各種情況下的太陽光方向和高度變化，調(diào)節(jié)太陽能板對(duì)太陽方位角和高度角進(jìn)行跟蹤，調(diào)節(jié)精度與實(shí)際角度誤差范圍在2度以內(nèi)。

4.2 過充過放模塊測(cè)試

于2011年7月5日至7月8日，在遼寧工程技術(shù)大學(xué)阜新校區(qū)新華樓樓頂采用太陽電池板串聯(lián)2節(jié)蓄電池同時(shí)外接一個(gè)100W燈泡進(jìn)行過充過放模塊的聯(lián)合測(cè)試：

（1）太陽電池板電壓和蓄電池電壓保持線性關(guān)系，且略高于蓄電池電壓。

（2）白天蓄電池充電電壓始終保持在24.3～25.8 V之間，達(dá)到25.8 V系統(tǒng)自動(dòng)停止充電且過充保護(hù)燈閃爍，證明蓄電池過充控制正常。

（3）黑夜100W燈泡點(diǎn)亮，蓄電池放電電壓維持在25.4～22.3 V之間，當(dāng)蓄電池電量低于22.3 V時(shí)燈泡自動(dòng)熄滅，證明過放控制正常。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)太陽能路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試取得成果如下：

（1）設(shè)計(jì)太陽能跟蹤模塊，實(shí)現(xiàn)太陽能板對(duì)太陽光線的跟蹤誤差小于2度。達(dá)到實(shí)時(shí)、精確最大限度地吸收太陽能的效果。

（2）使用了光控和時(shí)控相結(jié)合的方法，避免了光控方法易受干擾、時(shí)控方法需要頻繁設(shè)置時(shí)間的麻煩，為達(dá)到節(jié)約用電目的，在深夜行人較少時(shí)路燈根據(jù)設(shè)置的時(shí)間熄滅，早上行人多時(shí)根據(jù)設(shè)置的時(shí)間亮燈。

（3）采用了合理的蓄電池充放電策略，實(shí)現(xiàn)算法簡(jiǎn)單，有效地提高了蓄電池壽命，具有一定參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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