【文章內(nèi)容簡介】 節(jié)能燈具的出現(xiàn)，利用 LED 作為照明燈具的太陽能 LED 路燈得到了大幅推廣。太陽能燈具的照明需求逐漸往干道路燈發(fā)展，這樣對燈具照明功率、控制器及驅(qū)動器的要求會有所提高。 我國在太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模、 LED 光源技術(shù)的發(fā)展等方面的產(chǎn)業(yè)規(guī)模在逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)在世界上占有一席之地了，但是太陽能路燈控制器作為太陽能路燈系統(tǒng)中的核心部件之一，其研究還 有待深入。市場上的太陽能控制器大多屬于簡易型，僅有基本的充放電控制功能，沒有考慮到如何使太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率最大，提高蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率和延長使用壽命等問題。本課題的控制器在完成基本的充放電控制的基礎(chǔ)上設(shè)計了合理的充放電控制算法來實現(xiàn)能量的充分利用和蓄電池的充分保護(hù)。 另一核心部件 LED 燈驅(qū)動電源，一般沒有根據(jù)路燈的組合形式具體分析設(shè)計。由于不同廠商生產(chǎn)的的白光 LED 的正向壓降可能相差數(shù)百毫伏，因此直接影響了白光 LED 實際消耗的功率在驅(qū)動器的輸出總功率中的比例。本系統(tǒng)的驅(qū)動器是在 LED路燈先串后并的組合 形式以及具體的正向?qū)妷汉皖~定功率的基礎(chǔ)上設(shè)計的。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 3 本套太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)，用合理的充放電算法控制太陽能路燈正常的充放電功能，完成充電階段自動轉(zhuǎn)換， LED 亮度智能控制且完成對蓄電池的充分保護(hù)。驅(qū)動器和 LED 陣列能夠很好的匹配，使 LED 陣列發(fā)光質(zhì)量高且實現(xiàn)較高的能量利用率。整套系統(tǒng)的成功設(shè)計無論在價格和性能方面均具有一定的市場競爭力。 課題相關(guān)技術(shù)概述 太陽能 LED 路燈的優(yōu)勢 太陽能 LED 路燈系統(tǒng)用太陽能電池供電，閥控式密封鉛酸蓄電池儲存電能，用高效節(jié)能的 LED 燈照明，用控制器控制智能充放電，配合 LED 燈驅(qū)動電源，具有穩(wěn)定性高、發(fā)光 性能好、能量利用率高、安裝方便、采用直流供電、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實用等 優(yōu)勢，是未來戶外照明的發(fā)展趨勢。 LED 照明燈工作電流是直流，并且在低電壓下工作 [1]。太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，這點恰好與 LED 相匹配。若將兩者組合配以控制器和驅(qū)動器即可獲得很高的能量利用率、較高的安全性和可靠性的照明系統(tǒng)。因為兩者結(jié)合不需要將太陽能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，因此整個照明系統(tǒng)的照明效率會大大提高。隨著LED 燈相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，其使用壽命會不斷延 長。在未來幾年里，若其價格繼續(xù)下降，則白光 LED 必將取代舊有燈具成為 21 世紀(jì)照明的新光源。 LED 作為路燈的一種光源，它和傳統(tǒng)路燈光源相比較其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在： 1) 節(jié)能且光效高。按照 LED技術(shù)的發(fā)展趨勢， LED的光效在未來五年里有達(dá)到 150～20xxm/W 的可能，大大超過了現(xiàn)在所有光源的光效。另外，現(xiàn)在使用的熒光燈、汞燈等照明光源中含有汞，對人體有害。而 LED 中不含此種物質(zhì)所以它是一種“清潔 的光源。 2) 命長，節(jié)約成本。一般情況下 LED 光源的使用壽命可以達(dá)到十萬小時，在惡劣的自然條件下工作，壽命也至少可達(dá)到五萬小 時。因此，在一些維護(hù)和更換設(shè)備困難的地方，使用太陽能 LED 路燈照明系統(tǒng)，可顯著降低安裝和使用的成本。 3) 可以自動控制其功率。可通過控制器控制其夜間亮燈的功率，提高節(jié)能性。 LED燈可以實現(xiàn)完美調(diào)光功能，因此在本系統(tǒng)中將通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來有效的調(diào)節(jié)其發(fā)光強(qiáng)度。 4) 具有很好的顯色性。陽光的顯色系數(shù)為 100，一般情況下顯色系數(shù)與 100 相差越小，顯色性越好，反之越差。高壓鈉燈顯色系數(shù)僅為 23，而 LED 燈的顯色系數(shù)達(dá)到 85 以上，發(fā)出的是白光。由此可見大功率 LED 路燈顯色性明顯好與高壓鈉燈。 5) 直流供電，提高能量利用率。太陽能電池輸出的是直流電，路燈系統(tǒng)中 LED 的驅(qū)動也是用直流電源，這樣可以不用太陽能光伏系統(tǒng)中使用其他照明設(shè)備所需要的太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 4 逆變器，既使系統(tǒng)有較高的能源利用率，又降低了成本，還可以改善系統(tǒng)的可靠性。 太陽能 LED 路燈系統(tǒng)白天將太陽能的能量存儲在蓄電池里，夜間通過蓄電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成 LED 路燈消耗的光能。不消耗常規(guī)能源，循環(huán)使用，不產(chǎn)生發(fā)電和運輸過程中的污染，非常清潔。另外安裝方便，不需要架設(shè)輸電線路，也不需要鋪設(shè)電纜所需的通道。在這種背景下，太陽能路燈應(yīng)運而生，而且會不斷的發(fā)展，成為照明行 業(yè)的趨勢。 太陽能 LED 路燈的發(fā)展現(xiàn)狀和前景 目前，太陽能路燈主要用在城市道路、公園、工業(yè)園區(qū)，旅游景點，也可以用于人口密度小，不易鋪設(shè)電纜但太陽能資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)人們的照明問題。 近年來，隨著我國城市建設(shè)水平的不斷提高和環(huán)保低碳意識逐漸增強(qiáng)，城市路燈總量在逐年攀升，隨著光伏電源照明的不斷發(fā)展和優(yōu)勢的顯現(xiàn)，鄉(xiāng)村以及適合安裝太陽能路燈的一些地區(qū)也會慢慢普及。 因為太陽能 LED 路燈有如此廣闊的市場，所以更應(yīng)該做好太陽能 LED 路燈的控制和驅(qū)動，讓整個太陽能路燈系統(tǒng)更穩(wěn)定更長久的工作。 太 陽能 LED 路燈控制器綜述 太陽能 LED 路燈系統(tǒng)由太陽能電池板、鉛酸蓄電池、 LED 燈、驅(qū)動電路和控制器等部分組成 [2]?？刂破靼滋炜刂铺柲茈姵亟o蓄電池充電，夜晚蓄電池給負(fù)載放電。在充放電過程中控制系統(tǒng)實現(xiàn)過充保護(hù)，過放保護(hù)，完成充電各階段自動轉(zhuǎn)換，夜晚放電方式的自動轉(zhuǎn)換等功能。目前市場上已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)太陽能路燈控制器，但是這些控制器一般沒有充分考慮如何提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率和延長使用壽命等問題。蓄電池的充電方式以及根據(jù)蓄電池的荷電量來決定放電深度等問題都可以在很大程度上影響蓄 電池的充電速度和循環(huán)使用的次數(shù)，因此控制器如何控制充放電的時間和方式便是影響蓄電池的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命的一個很重要的方面。 太陽能 LED 路燈驅(qū)動器概述 LED 驅(qū)動電源是系統(tǒng)重要的組成部分?？刂破鞯妮敵鲭妷汉?LED 陣列不匹配，因此需要一個模塊來驅(qū)動 LED 陣列。常見的有四種驅(qū)動方式，考慮控制器輸出電壓小于 LED 陣列的導(dǎo)通電壓，因此本系統(tǒng)中的驅(qū)動模塊為升壓方式。 LED 的使用壽命很大程度上受其發(fā)光穩(wěn)定性影響，在實際使用過程中，因驅(qū)動電源設(shè)計及選擇不當(dāng)導(dǎo)致 LED 發(fā)光穩(wěn)定性差，嚴(yán)重縮短了使用壽命。因此本系統(tǒng) 在設(shè)計驅(qū)動電源時根據(jù) LED陣列的組合方式選擇恒流源來驅(qū)動，提高 LED 陣列的的照明可靠性和效率 [3]。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 5 本課題研究內(nèi)容 和論文組織結(jié)構(gòu) 研究內(nèi)容 近年來，國家越來越重視環(huán)境保護(hù)，倡導(dǎo)低碳生活，堅持優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，重視能源的可持續(xù)發(fā)展。因此太陽能的開發(fā)和利用受到了極大的重視，太陽能光伏照明技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。由于這種市場和社會發(fā)展的需求，目前已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)太陽能路燈控制器，但是這些控制器一般只具有基本的充放電控制，沒有充分考慮到如何使太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換率最大，蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率最大和蓄電池的使用壽命等問題。本課題從這些存在的問題著手研究，設(shè)計一種具有節(jié)能控制功能的太陽能路燈控制器：并根據(jù) LED 燈的組合方式，設(shè)計一種與之匹配的驅(qū)動電源。使 整個系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)定的功能和指標(biāo)，能夠穩(wěn)定長久高效地運行。 論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文分為五個章節(jié)，每章內(nèi)容分布如下： 第一章：緒論。主要闡述本課題的研究背景和意義，以及論文的研究目標(biāo)和論文的組織結(jié)構(gòu)。 第二章：太陽能 LED 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)整體設(shè)計。本章從太陽能路燈控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用出發(fā)，確定了太陽能路燈控制器需要實現(xiàn)的功能。 第三章：路燈控制系統(tǒng)控制器的硬件電路實現(xiàn)。本章設(shè)計了太陽能 LED 路燈系統(tǒng)控制器的硬件電路，并畫出原理圖。 第四章：路燈控制系統(tǒng)控制器的軟件實現(xiàn)。在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，結(jié)合 MSP430系列單片機(jī)的 C 語言編程特點編寫整個系統(tǒng)的程序。 第五章：總結(jié)與展望。分析了本次課題中的不足之處和以后的努力方向，展望下一階段的工作。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 6 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 總體方案設(shè)計 太陽能 LED 路燈利用太陽 能 電池的光生伏特效應(yīng)原理 [5]，白天太陽電池吸收太陽能光子能量產(chǎn)生電能，通過控制器儲存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電一直到設(shè)定的時間后切斷。做到白天有陽光就充電儲能，晚上光控和時控點亮發(fā)光負(fù)載，照明道路。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng) 總體框圖 [4]如圖 21 所示： 根據(jù)對設(shè)計題目的了解，該控制器以 MSP430 單片機(jī)為控制中心，外圍電路主要由 LED 恒流驅(qū)動電路、 亮度 檢測 電路 、 熱釋電 紅外檢測電路、蓄電池電壓、充放電控制電路、太陽能電池電壓檢測與分組切換電路、狀態(tài)顯示電路等構(gòu)成。 其基本原理是 ，電壓檢測電路用于識別光照強(qiáng)度和獲取蓄電池端電壓，溫度檢測電路用于蓄電池充電溫度補(bǔ)償，環(huán)境光及紅外檢測電路用于檢測環(huán)境亮度及車輛人員情況。 由電源模塊給單片機(jī)、 驅(qū)動電路、傳感檢測電路等供電，單片機(jī)接受時間設(shè)定及外部檢測信號來控制 LED 驅(qū)動電路，從而控制 LED 燈的亮度。 本設(shè)計完成白光 LED 路燈照明 部分 的控制 [6]，該控制總圖如 圖 22 所示： 該控制器以 MSP430 單片機(jī)為控制中心，外圍電路主要由 LED 恒流驅(qū)動電路、亮度檢測電路和熱釋電紅外檢測電路、實時時鐘電路、電源電路、鍵盤電路及顯示電路組成。 其基本原理是 ：電源模塊給 MSP430F149 單片機(jī)和各個電路模塊供電，亮度太陽能電池板 蓄電池 LED 燈 MSP430F149 單片機(jī) 測量電壓電流 充電控制 測量電壓 放電控制 LED驅(qū)動 圖 21 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)總體框圖 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 7 檢測電路和熱釋電紅外檢測電路用于檢測光照強(qiáng)度和車輛人員活動情況，與時鐘電路一起通過單片機(jī)控制 LED 恒流驅(qū)動電路，從而控制 LED 燈的亮度及亮滅，鍵盤電路用于手動修改液晶顯示的參數(shù)，顯示電路顯示控制中需要顯示的參數(shù)。 PWM 調(diào)光技術(shù) 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)技術(shù) [7]，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換 及 LED 照明等許多領(lǐng)域中。 通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和 DSP 已經(jīng)在芯片上包含了 PWM 控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種 PWM 技術(shù)，其中包括：相電壓控制 PWM、脈寬 PWM 法、隨機(jī) PWM、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 等。 PWM 控制 LED 亮度 原理 ： 對于控制 LED 燈 由 暗到亮或由亮到暗，采用的是脈寬 PWM 法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作 PWM 波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而達(dá)到控制 放 電電流的目的。 這次設(shè)計利用 MSP430F149 單片機(jī)產(chǎn)生占空比可變的矩形波，當(dāng)產(chǎn)生此矩形波的I/O 口通過 驅(qū)動 電路再與 LED 燈相接后，由于輸出矩形波占空比不斷變化，那么一個周期內(nèi)有一部分時間 LED 導(dǎo)通，一部分時間截止，從整體來看有一個平均電 流 ， PWM信號頻率很高的，我們無法通過肉眼來觀察到每一個周期 LED 燈亮滅的變化過程，所以只好通過平均電 流 這樣一種方式來決定每 個 LED 燈 亮的程度了。 隨著波形占空比不斷變化， LED 燈也會 由 暗到亮再從亮到暗不斷變化 。 MSP430F149 熱釋電紅外探測電路 光電傳感器 鍵盤電路 電源電路 LED 驅(qū)動電路 顯示電路 實時時鐘電路 LED 燈 圖 22 照明控制部分總體框圖 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 8 3 硬件電路設(shè)計 MSP430F149 單片機(jī) 簡介 本設(shè)計選用 MSP430F149 單片機(jī) [8]。 MSP430 系列單片機(jī)是美國 德州儀器 （ TI）1996 年開始推向市場的一種 16 位超低 功耗、具有 精簡指令集 （ RISC）的混合信號處理器 。 該單片機(jī) 將多個不同功能的 模擬電路 、 數(shù)字電路 模塊和 微處理器 集成在一個芯片上 。 由于其超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、方便高效的開發(fā)環(huán)境得到廣大用戶的高度評價。 該單片機(jī)引腳圖如圖31 所示。 圖 31 MSP430F149 單片機(jī)引腳圖 MSP430F149 單片機(jī)特點 1) 具有很低的供電電壓。單片機(jī)的供電電壓最低為 ，其供電電壓的范圍是：～ 。 2) 超低的功耗。這是目前其他單片機(jī)沒有的特色。它在休眠條件下工作的電流只有，就是在 、 1MHz 條件下工作的電流只有 280uA。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 9 3) 快速的喚醒時間。從休眠方式喚醒只需要 6us 的時間。 4) 快速的指令執(zhí)行時間。它采用的是 16位的 RISC結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行時間只需要 150ns的時間，是傳統(tǒng)單片機(jī)不能比擬的。 5) 片內(nèi)有 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，并提供參考電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換器具有采樣保持和自動掃描特點。 6) 16 位的定時器 Timer_B 帶有 7 個捕獲 /比較寄存器。 7) 片內(nèi)提供溫度傳感器。 8) 具有靈活的時鐘設(shè)置。主要有以 下幾種方式： 32kHz 的晶體方式、高頻率晶體方式、諧振器方式和外部時鐘源方式。這樣可以根據(jù)功耗要求和速度要求進(jìn)行靈活的時鐘設(shè)置。 9) 16 位的定時器 Timer_A 帶有 3 個捕獲 /比較寄存器。 10) 片內(nèi)提供模擬信號比較器。 11) 串口通信模塊： USART0、 USART1。兩個串口都可以通過軟件設(shè)置成 UART 方式或者 SPI 方式，由于該系列單片機(jī) 提供了兩個串口，因此能為用戶進(jìn)行多機(jī)通信設(shè)計提供了方便。 12) 片內(nèi)提供較多的存儲器， MSP430F149 提供的片內(nèi) FLASH 為 60KB，同時片內(nèi)還提供較多的 RAM，以便進(jìn)行運算時處理 。 13) 提供較多的外圍接口，提供 ～ 共 6 個數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處理功能。在提供的外圍數(shù)據(jù)端口中，有兩個端口具有中斷功能，這樣能豐富硬件系統(tǒng)的中斷資源，也為實現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)提供了方便。 14) 代碼保護(hù)功能。單片機(jī)的安全熔絲功能可以對程序的代碼進(jìn)行保護(hù)，從而可以對知識產(chǎn)權(quán)進(jìn)行保護(hù)。 15) 具有 JTAG 仿真調(diào)試接口，這樣非常便于軟件的調(diào)試。 MSP430F149 單片機(jī)引腳簡介 表 1 MSP430F149 單片機(jī)引腳功能表 引腳號 符號 引腳功能 1 DVcc 數(shù)字電源端 2 3 4 5 6 7 VREF+ A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的正輸出端 8 XIN 晶體振蕩器 XT1 的輸入端 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 10 (續(xù)表 ) 引腳號 符號 引腳功能 9 XOUT/TCLK 晶體振蕩器 XT1 的輸出端 /測試時鐘輸入端 10 VeREF+ A/D 轉(zhuǎn)換器外部基準(zhǔn)電壓 11 VREF?/VeREF? A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部基準(zhǔn)電壓或者外部基準(zhǔn)電壓負(fù)端 12 ， TACLK 時鐘輸入信號 13 通用數(shù)字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI0A 輸入，比較： OUT0 輸出 14 通用數(shù)字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI1A 輸入，比較： OUT1 輸出 15 通用數(shù)字 I/O 管腳 /Timer_A，捕獲： CCI2A 輸入，比較： OUT2 輸出 16 17 ，比較： OUT0 輸出 18 ，比較： OUT1 輸出 19 ，比較： OUT2 輸出 20 21 ， INCLK 時鐘信號 22 通用數(shù)字 I/O 管腳 / Timer_A，捕獲： CCI0B 輸入，比較： OUT0 輸出 23 通用數(shù)字 I/O 管腳 / Timer_A，捕獲： CCI0B 輸入，比較： OUT1 輸出 24 ，比較： OUT2 輸出 25 通用數(shù)字 I/O 管腳 /作為外接電阻管腳，通過接入一個電阻來確定DCO 的工作頻率 26 27 ，比較： OUT0 輸出 28 ： USART0/SPI 模式 29 30 31 通用數(shù)字 I/O 管腳 /外部時鐘輸入 —— USART0/UART 或 SPI 模式，時鐘輸出 —— USART0/SPI 模式 32 —— USAR