太陽能自動路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王名杰，高 蕾，鞠建波

(1.煙臺職業(yè)學(xué)院自動化研究所，山東 煙臺 264670;2.煙臺職業(yè)學(xué)院科研處，山東 煙臺 264670;3.煙臺海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264000)

在傳統(tǒng)能源日趨緊張的今天，綠色能源的開發(fā)和應(yīng)用顯得非常重要。在綠色能源中，太陽能資源取之不盡用之不竭且清潔安全，是最理想的可再生資源。太陽能在路燈照明方面的應(yīng)用方興未艾，如何提高太陽能照明路燈的壽命和效率，關(guān)系到能否將其快速推廣應(yīng)用，而提高太陽能照明路燈壽命和效率的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。筆者采用單片機(jī)作為核心芯片設(shè)計(jì)出一款高效率和長壽命的太陽能自動路燈照明系統(tǒng)。

1 太陽能自動路燈照明系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.1 太陽能自動路燈照明系統(tǒng)

圖1 太陽能路燈自動照明系統(tǒng)框圖

太陽能自動路燈照明系統(tǒng)框圖如圖1所示[1]。系統(tǒng)由主電路和控制電路組成。主電路由太陽能電池板、蓄電池自動充電器、免維護(hù)蓄電池、LED燈驅(qū)動電路和LED照明路燈組成;控制電路由太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)、單片機(jī)STC9058控制系統(tǒng)[2]、蓄電池控制電路、按鍵顯示[3]和 LED 燈兩端電壓檢測電路組成。單片機(jī)控制系統(tǒng)通過太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)、太陽能電池板和蓄電池自動充電器組成太陽能電池板自動跟蹤單閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]。其工作原理為:跟蹤太陽方位而轉(zhuǎn)動的太陽能電池板將接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過蓄電池自動充電器給免維護(hù)蓄電池充電;單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到充電電流的大小，進(jìn)行綜合分析，通過太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對太陽能電池板的轉(zhuǎn)動控制和閉環(huán)控制。免維護(hù)蓄電池將電能儲存作為LED照明路燈的供電電源，通過LED燈驅(qū)動電路，采用恒流方式[5]驅(qū)動LED照明路燈[6]，使其點(diǎn)亮。單片機(jī)控制系統(tǒng)通過分析檢測到的免維護(hù)蓄電池的狀態(tài)和天氣情況，綜合判斷是否需要運(yùn)行太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)，若需要，則單片機(jī)控制系統(tǒng)通過太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動太陽能電池板作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，以獲得最大的充電電流;單片機(jī)控制系統(tǒng)通過蓄電池自動充電器實(shí)現(xiàn)對免維護(hù)蓄電池的三級充電[7]，即涓流充電、恒流充電和恒壓浮充。單片機(jī)控制系統(tǒng)通過蓄電池控制電路實(shí)現(xiàn)對免維護(hù)蓄電池的管理，主要包括對其好壞的檢測，在線實(shí)時(shí)對其充電電壓值和放電電壓值的檢測[8]，其充電電流大小則通過霍爾傳感器進(jìn)行檢測[9]?；魻杺鞲衅鲗z測到的免維護(hù)蓄電池充電電流值送入STC9058內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，作為免維護(hù)蓄電池充電電流的反饋信號，構(gòu)成一個(gè)免維護(hù)蓄電池充電閉合回路，在線實(shí)時(shí)判斷免維護(hù)蓄電池容量。按鍵顯示電路主要是用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，如對單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定和信息顯示。單片機(jī)控制系統(tǒng)通過LED燈檢測電路檢測LED燈中支路電壓值，并根據(jù)檢測電壓值判斷LED燈的好壞，如發(fā)現(xiàn)有損壞立即報(bào)警通知維修人員進(jìn)行維修。

1.2 免維護(hù)蓄電池充放電系統(tǒng)

1.2.1 常用免維護(hù)蓄電池充電電路

免維護(hù)蓄電池在設(shè)備中一般作為備用電源，只在特定條件下才會使用，因此對充電方式要求不嚴(yán)格。常用的充電方式有兩種:一是采用恒壓充電方式充電，由于該電路結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件少，制作成本低，因此被廣泛應(yīng)用，但是該電路對免維護(hù)蓄電池充電時(shí)，蓄電池兩端電壓的變化會導(dǎo)致充電電流不穩(wěn)，長期使用將會縮短蓄電池的使用壽命;二是采用恒流充電方式充電，當(dāng)其兩端的電壓上升到一定值時(shí)，再轉(zhuǎn)為恒壓浮充方式充電。該電路的優(yōu)點(diǎn)是對蓄電池恒流充電可以適當(dāng)延長蓄電池的使用壽命。在太陽能自動路燈照明系統(tǒng)中，免維護(hù)蓄電池不是作為備用電源，而是作為設(shè)備的供電電源，用來儲存能量供給LED燈照明。因此，上述兩種充電方式應(yīng)用在太陽能自動路燈照明系統(tǒng)中還存在一定的缺陷，如當(dāng)免維護(hù)蓄電池過放電時(shí)，就不能夠采用上述兩種充電方式對其充電，否則將人為縮短免維護(hù)蓄電池的壽命。為此設(shè)計(jì)了免維護(hù)蓄電池自動充電電路[10]。

1.2.2 蓄電池自動充電方式選擇

在太陽能自動路燈照明系統(tǒng)中免維護(hù)蓄電池作為電能的儲存電源，其工作狀態(tài)比較復(fù)雜，在開始充電前其狀態(tài)可能有3種，當(dāng)天氣正常時(shí)，免維護(hù)蓄電池正常工作，處于正常狀態(tài);當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)陰天或雨天時(shí)，太陽能電池板充電的電能小于LED燈照明使用的電能，免維護(hù)蓄電池可能出現(xiàn)過放電狀態(tài);當(dāng)照明LED燈損壞或者停止使用時(shí)，免維護(hù)蓄電池由于一直處于浮充狀態(tài)而無放電即處于滿容量狀態(tài)。據(jù)此設(shè)計(jì)了免維護(hù)蓄電池自動充電方式，根據(jù)蓄電池充電前的不同狀態(tài)采用不同的充電方式，即涓流充電方式、恒流充電方式和恒壓浮充電方式。現(xiàn)以額定值為24 V的免維護(hù)蓄電池為例加以說明，當(dāng)照明LED燈損壞，測量免維護(hù)蓄電池兩端的電壓值大于27 V時(shí)說明蓄電池容量已滿，這時(shí)只需對蓄電池采用恒壓浮充電方式即可;當(dāng)照明LED燈工作正常，測量免維護(hù)蓄電池兩端的電壓值大于21 V而小于27 V時(shí)，說明免維護(hù)蓄電池處于正常使用狀態(tài)，這時(shí)對免維護(hù)蓄電池先進(jìn)行恒流充電，當(dāng)其兩端電壓接近27 V時(shí)，再采用恒壓浮充充電方式以補(bǔ)充能量的正常損耗;當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)多天陰天或者雨天，免維護(hù)蓄電池在照明LED燈工作正常時(shí)，測量免維護(hù)蓄電池兩端電壓值若小于21 V，說明免維護(hù)蓄電池處于過放電狀態(tài)，此時(shí)對其進(jìn)行充電就比較復(fù)雜，應(yīng)該先采用涓流充電方式對其進(jìn)行涓流充電，當(dāng)其充電到兩端電壓值大于或等于21 V時(shí)，再采用恒流充電方式充電，當(dāng)其兩端電壓接近27 V時(shí)，就需對其采用恒壓浮充電方式充電以補(bǔ)充免維護(hù)蓄電池能量的正常損耗。

1.3 太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)

為了高效地利用太陽能，應(yīng)該使太陽能電池板處在最佳利用太陽能的位置，即太陽能電池板始終與太陽光垂直，這樣才能高效地吸收太陽能，為此設(shè)計(jì)了太陽能電池板追光系統(tǒng)。傳統(tǒng)太陽能電池板追光系統(tǒng)通常采用定時(shí)跟蹤法和太陽光線強(qiáng)弱跟蹤法。定時(shí)跟蹤法是根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栆话阕兓?guī)律，以時(shí)間的變化為依據(jù)，通過順序程序控制太陽能電池板的實(shí)際位置，即通過無刷直流電動機(jī)[11]的轉(zhuǎn)動帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，達(dá)到使太陽能電池板與太陽光垂直的目的，該方法簡單可靠，但是沒有考慮陰雨天的情況，此時(shí)，該系統(tǒng)仍然按照程序轉(zhuǎn)動太陽能電池板，這就浪費(fèi)了非常有限的免維護(hù)蓄電池的電能，降低了系統(tǒng)的效率;太陽光線強(qiáng)弱跟蹤法是利用光敏傳感器對光線強(qiáng)弱的反應(yīng)，通過無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，達(dá)到使太陽能電池板與太陽光垂直的目的，該方法雖然避免了在陰雨天時(shí)太陽能電池板智能跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行，但是，光敏傳感器受外界的光線擾動比較大，如在傳感器的上方通過一個(gè)漂浮物，光敏傳感器將發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的信息，降低系統(tǒng)的可靠性。為此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)。

太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)框圖如圖2所示。在太陽能電池板兩側(cè)分別安裝光電傳感器1和光電傳感器2，分別用來測試太陽能電池板兩側(cè)的光線強(qiáng)弱，為太陽能電池板的轉(zhuǎn)動提供條件，光電傳感器1輸出信號和光電傳感器2輸出信號經(jīng)過電壓比較器比較后輸出信號U1，提供給單片機(jī)控制系統(tǒng)，當(dāng)光電傳感器1輸出信號強(qiáng)度大于光電傳感器2輸出信號強(qiáng)度時(shí)電壓比較器輸出U1高電平信號(邏輯電平1)，否則輸出U1低電平信號(邏輯電平0);單片機(jī)控制系統(tǒng)通過短路電流檢測單元測試太陽能電池板轉(zhuǎn)動前后的短路電流ID1和ID2，通過開路電壓檢測單元測試太陽能電池板轉(zhuǎn)動前后的開路電壓U01和U02，單片機(jī)控制系統(tǒng)可以計(jì)算出太陽能電池板轉(zhuǎn)動前后的輸出功率P1=ID1×U01和P2=ID2×U02。單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)信號U1邏輯電平、P1和P2大小以及免維護(hù)蓄電池的容量(已滿、正?；蜻^放)綜合分析判斷，確定是否需要太陽能電池板轉(zhuǎn)動，具體判斷如下:①單片機(jī)控制系統(tǒng)若判斷免維護(hù)蓄電池的容量已滿，就不需要太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)工作;②單片機(jī)控制系統(tǒng)若判斷免維護(hù)蓄電池的容量正?；蜻^放，就需要太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)工作，單片機(jī)控制系統(tǒng)再根據(jù)太陽能電池板轉(zhuǎn)動前后的輸出功率大小和電壓比較器輸出信號U1確定太陽能電池板是否繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，若電壓比較器輸出信號U1為低電平信號(0)，即P1=ID1×U01＜P2=ID2×U02，則單片機(jī)控制系統(tǒng)決定太陽能電池板需要轉(zhuǎn)動，輸出信號Ugn到電動機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)Ugn驅(qū)動無刷直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)動通過機(jī)械傳動帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到自動跟蹤太陽的目的。

圖2 太陽能電池板自動跟蹤框圖

太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn):①系統(tǒng)的抗干擾性能好，如在光電傳感器兩側(cè)出現(xiàn)擾動信號(有樹葉飄過光電傳感器上方)時(shí)，系統(tǒng)具有正確判別能力。②自動判別天氣的好和壞，比如是晴天還是陰雨天。③能夠根據(jù)免維護(hù)蓄電池的容量，確定太陽能電池板是否采用自動跟蹤，可以提高系統(tǒng)的效率。例如免維護(hù)蓄電池容量已滿，系統(tǒng)就停止太陽能電池板自動跟蹤太陽轉(zhuǎn)動。

1.4 LED燈的驅(qū)動及連接

免維護(hù)蓄電池兩端電壓可以認(rèn)為是一個(gè)恒壓源，發(fā)光二極管采用7個(gè)串聯(lián)構(gòu)成一條支路[12]，然后對每條支路采用恒流源驅(qū)動，這樣，無論支路中是否有發(fā)光LED的損壞，皆不可能影響到其他發(fā)光二極管LED正常工作，若支路中有發(fā)光二極管LED的損壞，則可以通過測定支路電壓來判斷。電路原理圖如圖3所示，電容器C1是濾波電容起濾波的作用，電容器C2是高頻旁路電容，電阻R3、R4、VT1和 VD1組成一個(gè)恒流源驅(qū)動電路。在發(fā)光二極管LED正常工作時(shí)，UAG兩端電壓為21.7 V左右，若有一個(gè)發(fā)光二極管LED損壞出現(xiàn)斷路時(shí)，則UAG兩端電壓為18.6 V左右，若有一個(gè)發(fā)光二極管LED損壞出現(xiàn)斷路時(shí)，則UAG兩端電壓為E。

圖3 LED燈的驅(qū)動電路原理圖

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)采用STC9058AD為核心芯片，它是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速和低功耗的單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，由8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器高度集成，具有29 k EEPROM，存儲數(shù)據(jù)快捷和方便，可以在系統(tǒng)可編程(ISP)或者在應(yīng)用可編程(IAP)，調(diào)試系統(tǒng)程序方便，具有32 k Flash程序存儲器，容量足夠大，較寬的工作電源電壓(3.8～5.5 V)，使其應(yīng)用范圍更廣泛。

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)主要由STC9058AD芯片、6位液晶顯示器[13]和9個(gè)按鍵組成，9個(gè)按鍵分別是時(shí)間鍵、速度鍵、支路電壓鍵、充電鍵、▲鍵、▼鍵、移位鍵、確認(rèn)鍵和復(fù)位鍵，各鍵的含義如下:

時(shí)間鍵是功能鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間，包括年月日和時(shí)分秒。

速度鍵是功能鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)中太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽的轉(zhuǎn)動速度。

支路電壓鍵是功能鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)發(fā)光二極管LED支路的標(biāo)準(zhǔn)電壓值。

充電鍵是功能鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)對免維護(hù)蓄電池進(jìn)行3種充電方式(涓流充電方式、恒流充電方式和恒壓浮充電方式)的標(biāo)準(zhǔn)值。

▲鍵是數(shù)值增加鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)數(shù)值增加。

▼鍵是數(shù)值減少鍵，用來設(shè)定系統(tǒng)數(shù)值減少。

移位鍵可在設(shè)定系統(tǒng)數(shù)值時(shí)進(jìn)行移位操作。

確認(rèn)鍵可當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定功能完畢后確認(rèn)操作結(jié)束。

復(fù)位鍵是對單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作。

2.2 太陽能自動路燈照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)太陽能自動路燈照明系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。設(shè)計(jì)的主要思路為首先對單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，然后通過6位液晶顯示器顯示系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間，判斷是否有系統(tǒng)按鍵按下(如時(shí)間鍵、速度鍵、支路電壓鍵和充電鍵)，若有按鍵按下，則系統(tǒng)響應(yīng)按鍵子程序;若沒有按鍵按下，則判斷太陽能電池板是否需要轉(zhuǎn)動，若太陽能電池板需要轉(zhuǎn)動，則系統(tǒng)響應(yīng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動子程序;若太陽能電池板不需要轉(zhuǎn)動，則判斷蓄電池是否需要充電，若蓄電池需要充電，則系統(tǒng)響應(yīng)蓄電池充電子程序;若蓄電池不需要充電，則判斷LED燈是否需要亮，若LED燈需要亮，則系統(tǒng)響應(yīng)LED燈亮子程序;否則重新回到判斷是否有系統(tǒng)按鍵按下，程序依次循環(huán)往復(fù)。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

(2)太陽能自動路燈照明系統(tǒng)按鍵控制程序流程如下:如果按下的按鍵是時(shí)間鍵，首先設(shè)置系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間年月日，然后設(shè)置系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間時(shí)分秒;如果按下的按鍵不是時(shí)間鍵，則判斷按下的按鍵是否是速度鍵，若按下的按鍵是速度鍵，則系統(tǒng)執(zhí)行順序控制速度設(shè)置子程序，即根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，把一年分成6個(gè)不同的時(shí)間段，然后根據(jù)每一個(gè)時(shí)間段的特點(diǎn)設(shè)置太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度;如果按下的按鍵不是速度鍵，則判斷按下的按鍵是否是支路電壓鍵，若按下的按鍵是支路電壓鍵，則系統(tǒng)執(zhí)行支路標(biāo)準(zhǔn)電壓值設(shè)置子程序，根據(jù)實(shí)際支路存在發(fā)光LED串聯(lián)的個(gè)數(shù)，設(shè)置支路電壓的標(biāo)準(zhǔn)值;如果按下的按鍵不是支路電壓鍵，則判斷按下的鍵是否是充電鍵，若按下的按鍵是充電鍵，則系統(tǒng)執(zhí)行充電基準(zhǔn)電流設(shè)置子程序，根據(jù)實(shí)際使用免維護(hù)蓄電池的容量設(shè)置充電電流標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)置充電電流標(biāo)準(zhǔn)值方法如下:假設(shè)免維護(hù)蓄電池的額定電壓為24 V，容量為12 Ah，確定不同充電方式下的充電電流值，涓流充電方式下設(shè)置充電電流為0.01×12=0.12 A，恒流充電方式下設(shè)置充電電流為0.1×12=1.2 A，恒壓浮充充電方式下設(shè)置恒定浮充電壓為27 V，將以上所得數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

3 結(jié)論

太陽能自動路燈照明系統(tǒng)經(jīng)過兩年多的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)化效率，使太陽能路燈照明系統(tǒng)的壽命延長40%，達(dá)到了預(yù)期的效果。與系統(tǒng)改造前相比具有如下的優(yōu)點(diǎn):①免維護(hù)蓄電池壽命延長，在改造前的免維護(hù)蓄電池僅使用一年，容量就開始下降，改造后的免維護(hù)蓄電池使用兩年其容量正常;②發(fā)光LED率降低，在改造前發(fā)光LED是整條支路的全部損壞，改造后發(fā)光LED是單體損壞;③太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的效率提高。總之，太陽能自動路燈照明系統(tǒng)具有可靠性高、壽命長、太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)化效率高和發(fā)光LED損壞率低等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 周志敏.太陽能LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2011:51－58.

[2] 宏晶公司.宏晶STC90C58AD系統(tǒng)單片機(jī)器件手冊[EB/OL].[2012 －02 －01].http://www.mcu －memory.com/2011.

[3] 郭惠，吳迅 .單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008:230－236.

[4] 王名杰.運(yùn)動控制系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2010:217－222.

[5] 宋家友，張友漢.新編電子線路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社，2007:7－46.

[6] NELSON P，臧海波.Zen的恒流源[J].電子制作，2011(10):17－19.

[7] 徐國家.UPS電源維修手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008:518－512.

[8] 李景魁.基于AT89S52單片機(jī)的多路電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2011(5):80－81.

[9] 王福瑞.單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:291－296.

[10] 陳育明.太陽能LED照明系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:92－98.

[11] 冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:352－363.

[12] 方志烈.半導(dǎo)體照明技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010:251－254.

[13] 毛學(xué)軍，沙祥.液晶模塊應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010:1－7.