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[待整理] 太阳能LED路灯照明系统设计

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发表于 2015-5-2 10:49:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
  引言
  随着环境污染的不断加重及能源资源的日益稀缺,太阳能作为一种新型可再生能源,因为其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点,在许多领域已经得到了广泛的发展和应用,尤其太阳能发电领域业已发展成为成熟的朝阳产业[1]。LED灯具有高效节能、寿命长、环保等优点。因此,文章将太阳能与LED路灯有机地结合在一起,设计了基于STM8S单片机的太阳能LED路灯照明系统,实现了节能环保的照明模式,解决了市场上一些太阳能控制器存在的缺陷。
  1 太阳能LED路灯照明系统简介
  1.1 太阳能LED路灯照明系统组成结构
  太阳能LED路灯系统主要由太阳电池板、蓄电池、路灯控制器、LED灯具组成[2]。文章主要为太阳能直流供电系统、太阳能直流路灯照明系统设计了一款高性能太阳能控制器。
  1.2 太阳能LED路灯照明系统的工作原理
  太阳能LED路灯照明系统中,太阳能电池板在太阳光照射下,其内部PN结形成新的电子-空穴对,在一个回路里产生直流电流;这个电流流入控制器,会对蓄电池进行充电。蓄电池白天接受充电,而晚上则会提供能量给LED。LED是通过控制器驱动工作的,控制器在驱动LED 恒流工作同时,也会监测LED的状态以及控制LED工作时间。在蓄电池电能不足的情况下,控制器会发出控制信号启动外部的市电供电系统,保证LED的正常工作[3]。
  2 系统硬件电路方案
  太阳能LED路灯照明控制系统电路组成结构如图1所示。主要电路包括:太阳能电板电压检测电路、蓄电池电压检测电路、、PWM充电电路、放电和保护电路、温度检测电路等。其中,充放电控制、电流、和温度采样电路实现的功能为:(1 )电池充电模式,以选择一个不同的状态;(2)LED照明时间或可选自动定时控制; 采样的太阳能电池的输出电压和太阳能电池板的电流;(3)取样线的开路电压,该充电状态的电压;(4)在样品上,所述电池的电流值,包括两个充电和放电状态。


  图1 系统总体控制电路结构图


  3 系统硬件电路设计
  根据系统的功能要求,基于STM8S单片机设计的太阳能控制器电路主要包括充放电主回路、光电检测电路、电源电路以及各种保护电路等。
  3.1 充电电路及控制策略
  太阳能电池板电压经半桥分压电路R1和R2分压后,送至STM8S 的片上ADC1口实时监测来判别光线的强弱。白天光线充足时,由太阳能电池板给蓄电池充电。控制器根据实时采集的蓄电池端电压大小,控制器把不断检测蓄电池端电压作为控制充电程度的方法;另外设定转换点的蓄电池端电压值,控制充电各阶段的自动转换和停充。
  较好的充电策略是智能三阶段充电方式(快充、过充和浮充)。
  (1)快充阶段。相当于电流源的充电电路的输出端。输出电流是根据可接受的最大电池电流。在充电过程中,电池的端电压进行实时检测,当电池端电压上升到所述阈值的转换后,通过充电电路进行充电阶段。使用MPPT算法来控制输出电压,输出电流是固定的。
  (2)过充阶段。充电电路,而被检测到的充电电流,以提供一个较高电压的电池。当充电电流下降到阈值转换器,当电池被完全充电可以被识别,一个充电电路,在下一阶段如下-浮充的阶段。
  (3)浮充阶段。当电池充满电,最好的办法是保持电源给电池提供准确,具有温度补偿功能的浮充电压。
  3.2 放电电路及控制策略
  当放电电路检测到所述太阳能电池板的电压低于1V时,打开控制电路,1分钟后的延迟,由电池供电的负载,使LED灯。刚充满电的电池电压较大,一般在22.6~24.6V。作为最好的单个LED灯的负载的驱动电流13~18毫安,3~3.2V的驱动电压。因此,流过LED的电流约为26.7~31.5毫安,远高于可接受13~18毫安更大。当电池电压低于23.5V时,单片机I/O发出一个高电平信号的过放电保护电压时,晶体管Q2导通时,MOSFET Q2被关断时,电池不再供应给负载;当电池电压上升到过放电恢复点24V,然后也通过I/O的低电平信号发出时,晶体管Q2截止,场效应管Q2导通,则电池将继续向负载供电,当在24.6V的电压?25.6V 变化,然后再次PWM供电负荷。
  3.3 供电电路设计
  太阳能LED路灯控制器电源由蓄电池提供,由于蓄电池输出的是直流24V,而控制器上的MCU和运放等其他电子元件需要的是直流5V 电源,故需要进行DC/DC 变换,本系统采用电压转换芯片LM2931AM对蓄电池端电压实现降压变换至5V。
  4 系统软件设计
  软件主要是设计来协助完成硬件电路控制器的控制策略,在图2 所示的主程序。采用MPPT算法快充阶段可提高输出功率光伏电池成为可能。把电子节目采用PWM技术来调整负载电流可以在午夜被完全切断负载, 实现半功率点亮负载。
  5 结束语
  太阳能LED 路灯照明系统是太阳能新能源与新生代绿色光源LED的完美结合。文章以意法半导体的STM8S单片机为核心设计的路灯照明控制系统,总体上,实现了三个阶段的智能电池充电控制功能,并能有效地防止电池的过充电,同时还实现定时和切断的半功率点负载,电池电压小于过放电电压的负载会切断,所以电池过度放电保护,延长电池寿命。该系统在能源利用率和工作可靠性方面有一定的实用价值。
  参考文献
  [1]王亚南,黄鹤松,刘华东等.基于AVR的智能太阳能路灯控制器的设计[J].技术与产品太阳能,2011(13):31-41.
  [2]赵争鸣,刘建敏,孙晓瑛等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.
  [3]施钰川.太阳能原理与技术[M].西安:西安交通大学出版社,2009.
  [4]吴正茂,杨莹,吴勇等.基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计[J],南昌工程学院学报,2011,30(6):19-22. 作者简介:马法平(1988-),男,硕士研究生,主要研究方向:模式识别与智能控制系统研究。
  
  
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