智能LED太陽能路燈控制器的設計

文章來源:恒光電器

發布時間:2015-12-26

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太陽能LED路燈照明系統采用市電互補方式，對推廣太陽能LED路燈的應用有著現實和經濟意義。為了實現太陽能LED路燈的市電互補控制，設計了一種市電互補LED太陽能路燈控制器。該控制器以ARM處理器為核心，通過對蓄電池電壓、太陽能電池電壓、環境溫度等參數進行采樣，進入ARM運算決策，可實現溫度補償修正的高準確控制，恒光，且具備蓄電池選擇功能及市電供電自動切換功能。該控制器應用于路燈改造，既可以減少一次性投資，又可以取得顯著的節能減排效果。

太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的綠色、清潔能源，正迅速得到廣泛應用。LED具有體積小、堅固耐用、耗電量低、使用奉命長、環保、光色性能好等特點。太陽能電池輸出的是直流電，而LED也是直流驅動光源，兩者易于匹配，可獲得很高的利用率，又降低成本，所以LED太陽能路燈越來越受到人們的重視。

由于太陽能受天氣因素的制約比較大，太陽光照射分布密度小，受光時間、強度大小具有隨機性間歇性，ROSH認證，要保證太陽能電池輸出電壓的穩定，就需要用蓄電池來儲存電能，在白天有陽光時對蓄電池充電，晚上蓄電池給負載放電。若考慮連續陰雨天氣，對蓄電池容量要求就更大，太陽能電池組容量就越大，成本也就越高。太陽能LED路燈照明系統采用市電互補方式可較好地解決這個矛盾，對推廣太陽能LED路燈的應用有著現實和經濟意義。

市電互補LED太陽能路燈系統的組成

所謂市電互補LED太陽能路燈系統，就是以太陽能電池發電為主，以普通220V交流電補充電能為輔的LED路燈照明系統，采用此系統，光伏電池組和蓄電池容量可以設計得小一些，基本上是當天白天有陽光，當天就用太陽能發電同時給蓄電池充電，到天黑時蓄電池放電把負載LED點亮。在我國大部分地區，全年基本上都有2/3以上的晴好天氣，這樣該系統全年就有2/3以上的時間用太陽能照亮路燈，剩余時間用市電補充能量，既減小了太陽能光伏照明系統的一次性投資，又有著顯著的節能減排效果，是太陽能LED路燈照明在現階段推廣和普及的有效方法。

LED太陽能路燈系統如圖1所示，由太陽能電池、路燈控制器、蓄電池、市電供電、開關電源和LED路燈等五部分組成。其中，路燈控制器是整個系統的控制核心， led戶外照明，用于對蓄電池的充放電控制、LED路燈的亮滅控制、市電供電的自動切換控制及相關保護控制等；太陽能電池用于把太陽能轉換成電能，設計，并且路燈控制器通過采集太陽能電池電壓的大小來判斷是白天還是黑夜；蓄電池是整個系統的儲能設備，白天時太陽能電池給蓄電池充電，晚上或陰雨天時LED路燈由蓄電池來供電，設計，并且路燈控制器可以采集蓄電池電壓，當蓄電池供電不足時切換至市電供電。

圖1市電互補LED太陽能路燈系統

路燈控制器硬件設計

太陽能路燈控制器的硬件框圖如圖2所示，它主要由電源輸入、數據采集顯示控制、ARM處理器、輸出部分組成。控制器以ARM處理器為核心，通過ARM微處理器對蓄電池電壓、太陽能電池電壓、環境溫度等參數進行采集，ARM運算決策，選擇符合蓄電池特性的溫度補償參數，實現高準確控制，同時，采用智能高效的PWM模糊充電方式對蓄電池進行充電，保證蓄電池工作在最佳狀態。控制器帶有按鍵、顯示電路，可以方便地設置運行模式和運行參數，同時顯示電路也可直觀地顯示當前的運行狀態。

圖2太陽能路燈控制器的硬件框圖

2.1電源輸入部分

電源輸入部分包括對市電輸入、蓄電池輸入、太陽能電池輸入起保護作用的反接保護電路和充放電及供電切換電路。充放電及供電切換電路實現市電供電和蓄電池供電的切換，以及實現太陽能電池對蓄電池的充電控制、蓄電池的放電控制，同時，向輸出部分的MOSFET穩壓及短路保護電路提供電源。

2.2數據采集顯示控制部分

數據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。控制按鍵包括測試按鍵、菜單選擇鍵和參數選擇鍵。測試按鍵可使控制器進入測試狀態；菜單選擇鍵用來選擇工作模式，每按一下菜單選擇按鍵，模式值將會變換一次，同時也會顯示該模式下的對應參數，此時，按下參數選擇按鍵則可設置該模式下的運行參數；系統的運行模式和參數等重要數據均保存在芯片內部，掉電后不丟失，使調節更加方便，系統工作更可靠。LED顯示電路包括5個發光二極管的狀態顯示和2個數碼管的運行參數顯示，5個LED發光二極管用來顯示太陽能電池、蓄電池、市電、負載1、負載2的工作狀態，2個數碼管在進行參數設置時分別顯示模式和該模式下的參數，在沒有進行參數設置時顯示溫度。電壓采集、電流采集、溫度采集、感光采集分別完成對蓄電池和太陽能電池電壓、放電電流、溫度狀態、光照情況的采集，并將這些信號供ARM處理器運算處理，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。

2.3ARM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位實時處理器，在整個系統中處于核心地位。對采集模塊采集來的數據進行分析處理，做出相應決策，控制充放電及供電切換電路、電壓電流采集電路、MOSFET穩壓及短路保護電路和軟開關，實現對蓄電池的充放電控制、對控制器的保護控制、對輸出負載的通斷控制。當太陽能電池不能正常向負載供電時，市電通過控制器上的充放電及供電切換電路、穩壓及短路保護電路和軟開關，可自動單獨給負載供電而非市電直接加到蓄電池上面的接入方式， led商業照明，建筑照明，可減小市電對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。整個切換過程實現軟切換，不會對負載和蓄電池造成沖擊，負載工作不受影響。

2.4輸出部分

輸出部分包括MOSFET穩壓及短路保護電路和軟開關。在ARM處理器的控制下，MOSFET穩壓及短路保護電路實現短路保護和穩壓輸出，軟開關實現雙路輸出獨立的通斷控制。

路燈控制器軟件設計

本控制器在完成自檢及初始化程序后，建筑照明，讀取各種設定的參數，如工作模式、蓄電池類型等，然后進入白天、黑夜判斷程序，根據所判斷的情況分別進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讀取太陽能電池兩端的電壓來判斷，也可以通過采集控制器預留的光敏傳感器接口信號來判斷，根據太陽能電池的電壓來判斷的白天、黑夜判斷程序如圖3所示。

圖3白天、黑夜判斷程序流程