智能式LED太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)

肖海明　陳立　章小印

摘 要： 太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)采用市電互補(bǔ)方式，對(duì)推廣太陽(yáng)能 LED 路燈的應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能LED路燈的市電互補(bǔ)控制，設(shè)計(jì)了一種市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈控制器。該控制器以ARM處理器為核心，通過(guò)對(duì)蓄電池電壓、太陽(yáng)能電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，進(jìn)入ARM運(yùn)算決策，可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償修正的高準(zhǔn)確控制，且具備蓄電池選擇功能及市電供電自動(dòng)切換功能。該控制器應(yīng)用于路燈改造，既可以減少一次性投資，又可以取得顯著的節(jié)能減排效果。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能路燈； LED路燈； 市電互補(bǔ)； 控制器； ARM

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0153?04

Abstract： The mains complementary way using for solar LED street lamp lighting system has a practical and economic significance for the promotion application of solar LED street lamp. In order to realize the mains complementary control of solar LED street lamps， a controller for mains complementary LED solar street lamps was designed. ARM processor is taken as the controller′s core. Through sampling of solar battery voltage， battery voltage and environmental temperature， and ARM operational decision， high accurate control of temperature compensation can be achieved. It has the functions of battery selection and city power supply automatic switching. If the controller is applied to the street lamp system reconstruction， it can not only reduce the one?time investment， but also can achieve the obvious effect of energy saving and emission reduction.

Keywords： solar street lamp； LED lamp； mains supply complementation； controller； ARM

0 引 言

太陽(yáng)能作為一種“取之不盡、用之不竭[1]”的綠色、清潔能源，正迅速得到廣泛應(yīng)用。LED具有體積小、堅(jiān)固耐用、耗電量低、使用奉命長(zhǎng)、環(huán)保、光色性能好等特點(diǎn)。太陽(yáng)能電池輸出的是直流電，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者易于匹配，可獲得很高的利用率，又降低成本，所以LED太陽(yáng)能路燈越來(lái)越受到人們的重視[2]。

由于太陽(yáng)能受天氣因素的制約比較大，太陽(yáng)光照射分布密度小，受光時(shí)間、強(qiáng)度大小具有隨機(jī)性間歇性，要保證太陽(yáng)能電池輸出電壓的穩(wěn)定，就需要用蓄電池來(lái)儲(chǔ)存電能，在白天有陽(yáng)光時(shí)對(duì)蓄電池充電，晚上蓄電池給負(fù)載放電。若考慮連續(xù)陰雨天氣，對(duì)蓄電池容量要求就更大，太陽(yáng)能電池組容量就越大，成本也就越高。太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)采用市電互補(bǔ)方式可較好地解決這個(gè)矛盾，對(duì)推廣太陽(yáng)能 LED 路燈的應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義[3]。

1 市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的組成

所謂市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)，就是以太陽(yáng)能電池發(fā)電為主，以普通220 V交流電補(bǔ)充電能為輔的LED路燈照明系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)，光伏電池組和蓄電池容量可以設(shè)計(jì)得小一些，基本上是當(dāng)天白天有陽(yáng)光，當(dāng)天就用太陽(yáng)能發(fā)電同時(shí)給蓄電池充電，到天黑時(shí)蓄電池放電把負(fù)載LED點(diǎn)亮。在我國(guó)大部分地區(qū)，全年基本上都有2/3以上的晴好天氣，這樣該系統(tǒng)全年就有2/3以上的時(shí)間用太陽(yáng)能照亮路燈，剩余時(shí)間用市電補(bǔ)充能量，既減小了太陽(yáng)能光伏照明系統(tǒng)的一次性投資，又有著顯著的節(jié)能減排效果，是太陽(yáng)能LED路燈照明在現(xiàn)階段推廣和普及的有效方法[1]。

LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)如圖1所示，由太陽(yáng)能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電、開(kāi)關(guān)電源和LED路燈等五部分組成。其中，路燈控制器是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用于對(duì)蓄電池的充放電控制、LED路燈的亮滅控制、市電供電的自動(dòng)切換控制及相關(guān)保護(hù)控制等；太陽(yáng)能電池用于把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并且路燈控制器通過(guò)采集太陽(yáng)能電池電壓的大小來(lái)判斷是白天還是黑夜；蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，白天時(shí)太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天時(shí)LED路燈由蓄電池來(lái)供電，并且路燈控制器可以采集蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池供電不足時(shí)切換至市電供電。

2 路燈控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能路燈控制器的硬件框圖如圖2所示，它主要由電源輸入、數(shù)據(jù)采集顯示控制、ARM處理器、輸出部分組成?？刂破饕訟RM處理器為核心，通過(guò)ARM微處理器對(duì)蓄電池電壓、太陽(yáng)能電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，ARM運(yùn)算決策，選擇符合蓄電池特性的溫度補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確控制，同時(shí)，采用智能高效的PWM模糊充電方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)?？刂破鲙в邪存I、顯示電路，可以方便地設(shè)置運(yùn)行模式和運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)顯示電路也可直觀地顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 電源輸入部分

電源輸入部分包括對(duì)市電輸入、蓄電池輸入、太陽(yáng)能電池輸入起保護(hù)作用的反接保護(hù)電路和充放電及供電切換電路。充放電及供電切換電路實(shí)現(xiàn)市電供電和蓄電池供電的切換，以及實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電控制、蓄電池的放電控制，同時(shí)，向輸出部分的MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路提供電源。

2.2 數(shù)據(jù)采集顯示控制部分

數(shù)據(jù)采集顯示控制部分包括控制按鍵、LED顯示電路，電壓電流采集、溫度采集，感光采集和均衡電路?？刂瓢存I包括測(cè)試按鍵、菜單選擇鍵和參數(shù)選擇鍵。測(cè)試按鍵可使控制器進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)；菜單選擇鍵用來(lái)選擇工作模式，每按一下菜單選擇按鍵，模式值將會(huì)變換一次，同時(shí)也會(huì)顯示該模式下的對(duì)應(yīng)參數(shù)，此時(shí)，按下參數(shù)選擇按鍵則可設(shè)置該模式下的運(yùn)行參數(shù)；系統(tǒng)的運(yùn)行模式和參數(shù)等重要數(shù)據(jù)均保存在芯片內(nèi)部，掉電后不丟失，使調(diào)節(jié)更加方便，系統(tǒng)工作更可靠。LED顯示電路包括5個(gè)發(fā)光二極管的狀態(tài)顯示和2個(gè)數(shù)碼管的運(yùn)行參數(shù)顯示，5個(gè)LED發(fā)光二極管用來(lái)顯示太陽(yáng)能電池、蓄電池、市電、負(fù)載1、負(fù)載2的工作狀態(tài)，2個(gè)數(shù)碼管在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)分別顯示模式和該模式下的參數(shù)，在沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)顯示溫度。電壓采集、電流采集、溫度采集、感光采集分別完成對(duì)蓄電池和太陽(yáng)能電池電壓、放電電流、溫度狀態(tài)、光照情況的采集，并將這些信號(hào)供ARM處理器運(yùn)算處理，電壓電流采集電路受ARM處理器的控制，從而控制均衡電路是否工作。

2.3 ARM處理器部分

ARM處理器采用飛利浦公司ARM芯片LPC2134，該芯片是高端的32位實(shí)時(shí)處理器，在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位。對(duì)采集模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出相應(yīng)決策，控制充放電及供電切換電路、電壓電流采集電路、MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制、對(duì)控制器的保護(hù)控制、對(duì)輸出負(fù)載的通斷控制。

當(dāng)太陽(yáng)能電池不能正常向負(fù)載供電時(shí)，市電通過(guò)控制器上的充放電及供電切換電路、穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)，可自動(dòng)單獨(dú)給負(fù)載供電而非市電直接加到蓄電池上面的接入方式，可減小市電對(duì)蓄電池和市電電源造成的損壞，能有效減少市電電源功率配置。整個(gè)切換過(guò)程實(shí)現(xiàn)軟切換，不會(huì)對(duì)負(fù)載和蓄電池造成沖擊，負(fù)載工作不受影響。

2.4 輸出部分

輸出部分包括MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)。在ARM處理器的控制下，MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)和穩(wěn)壓輸出，軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙路輸出獨(dú)立的通斷控制。

3 路燈控制器軟件設(shè)計(jì)

本控制器在完成自檢及初始化程序后，讀取各種設(shè)定的參數(shù)，如工作模式、蓄電池類(lèi)型等，然后進(jìn)入白天、黑夜判斷程序，根據(jù)所判斷的情況分別進(jìn)入白天處理程序或黑夜處理程序。

白天黑夜的判斷可以通過(guò)讀取太陽(yáng)能電池兩端的電壓來(lái)判斷，也可以通過(guò)采集控制器預(yù)留的光敏傳感器接口信號(hào)來(lái)判斷，根據(jù)太陽(yáng)能電池的電壓來(lái)判斷的白天、黑夜判斷程序如圖3所示。

白天處理程序如圖4所示，進(jìn)入白天處理程序后首先關(guān)閉LED路燈并打開(kāi)測(cè)試按鍵所對(duì)應(yīng)的中斷，然后采集太陽(yáng)能電池的電壓[U1，]蓄電池的電壓[U2，]環(huán)境溫度[T，]根據(jù)環(huán)境溫度[T]及溫度補(bǔ)償系數(shù)（鉛酸電池-5 mV/℃，鋰電池-4 mV/℃，這一系數(shù)也可在程序中調(diào)整）計(jì)算確定蓄電池浮充點(diǎn)電壓[UF，]過(guò)充保護(hù)電壓[UHVD，]并根據(jù)采集到的[U1，][U2]之間的大小關(guān)系決定是否執(zhí)行充電程序，進(jìn)入充電狀態(tài)后，又根據(jù)[U2]的大小決定是直充、浮充、還是過(guò)充保護(hù)。

黑夜處理程序如圖5所示。進(jìn)入黑夜處理程序后，首先判斷開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間是否到了，如果沒(méi)有到，則一直等到開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間到，開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間到了，則采集蓄電池的電壓[U2、]環(huán)境溫度[T，]根據(jù)環(huán)境溫度[T]及溫度補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算確定蓄電池過(guò)放保護(hù)電壓[ULVD，]并根據(jù)采集到的[U2]決定進(jìn)入過(guò)放保護(hù)、切換至市電供電或開(kāi)啟蓄電池放電以開(kāi)啟LED路燈，LED路燈開(kāi)啟后又要判斷關(guān)燈時(shí)間到否，若關(guān)燈時(shí)間到了，則關(guān)閉LED路燈，兩路LED路燈可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。

控制器在進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)也可增加兩路負(fù)載的雙時(shí)段控制功能，雙時(shí)段控制是指兩路負(fù)載的晚上亮燈時(shí)間和早晨亮燈時(shí)間均可設(shè)置，設(shè)置為雙時(shí)段功能后，負(fù)載晚上亮燈一段時(shí)間后關(guān)閉，天亮之前再次亮燈，等到白天時(shí)再關(guān)閉，并且亮燈時(shí)間可調(diào)。雙時(shí)段控制的示意圖如圖6所示，控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)光控點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)純光控，也可以實(shí)現(xiàn)光控和雙時(shí)段定時(shí)配合控制。光控點(diǎn)是指晚上亮燈時(shí)太陽(yáng)能電池板的電壓值，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整光控開(kāi)啟電壓，比如晚上太陽(yáng)能電池板有其他光線干擾而開(kāi)不了燈時(shí)，可調(diào)高此值，濾除雜光干擾，但開(kāi)燈時(shí)間可能提前。光控判斷時(shí)間指電池板電壓達(dá)到光控點(diǎn)時(shí)需要判斷的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)濾波效果越好，調(diào)小此值可以達(dá)到提前開(kāi)燈的目的，但容易受外界雜光干擾。延時(shí)開(kāi)燈指晚上延時(shí)一定時(shí)間再開(kāi)燈，調(diào)節(jié)此時(shí)間，可以達(dá)到推遲開(kāi)燈的目的。

控制器通電工作后可通過(guò)按鍵設(shè)置工作模式及相關(guān)參數(shù)?？刂破鬈浖绦蛟O(shè)計(jì)時(shí)增加了蓄電池選擇程序，支持密封電池、開(kāi)口電池、膠體電池、鋰電池等蓄電池的使用，使用前，需選擇正確的蓄電池類(lèi)型，通過(guò)按壓設(shè)置在控制電路板上的菜單選擇鍵進(jìn)入蓄電池類(lèi)型選擇模式，再通過(guò)按壓設(shè)置在控制電路板上的參數(shù)選擇鍵選定蓄電池類(lèi)型，設(shè)定完畢后等待30 s，參數(shù)將自動(dòng)保存，控制器在運(yùn)行時(shí)將根據(jù)設(shè)定的蓄電池參數(shù)在ARM處理器程序的作用下自動(dòng)選擇匹配的參數(shù)運(yùn)行。當(dāng)設(shè)定的蓄電池為鋰電池時(shí)，ARM處理器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)讓均衡電路有效，使鋰電池各電芯的容量保持均衡，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的LED路燈控制器具有蓄電池選擇功能，支持多種不同的蓄電池，具備溫度補(bǔ)償功能，可有效地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，并且具有市電互補(bǔ)自動(dòng)切換功能。該控制器應(yīng)用于路燈改造，可保持原市電供電線路和燈桿不動(dòng)，更換LED光源，就構(gòu)成了市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈，投資將大大減少，節(jié)能效果顯著。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鐘實(shí).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 亓立敏，尹成強(qiáng)，陳波.LED太陽(yáng)能路燈控制器的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（12）：6?7.

[3] 周志敏，紀(jì)愛(ài)華.太陽(yáng)能LED路燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 潘晶瑩，楊思俊.基于MPPT技術(shù)的太陽(yáng)能發(fā)電的路燈控制系統(tǒng)案例分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（23）：122?123.

[5] 陳麗娟，周鑫.基于ARM嵌入式圖像處理平臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（4）：71?74.

[6] 楊子威.基于ZigBee技術(shù)的LED路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（8）：40?45.