【導讀】太陽能LED路燈控制系統(tǒng)設計

　　

【正文】 壓鈉燈的顯色指數(shù)差，只有 20 到 40，感覺昏暗；而 LED 的顯色指數(shù)高，可以達到 7580。所以路面明亮，感覺舒適。所以從實際的發(fā)光效果來看， LED 反而可以比高壓鈉燈高出很多。目前，隨著科技的進步， LED 光源取得了越來越大的進步，光效越來越高，前景很廣闊，并己經由傳統(tǒng)的作為指示燈用途而跨入現(xiàn)代照明體系中，以其諸多優(yōu)點在路燈照明系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。 影響 LED 光源工作的因素 一般來說， LED 燈工作是否穩(wěn)定，品質好壞，與燈 體本身散熱至關重要，目前市場上的高亮度 LED 燈的散熱，常常采用自然散熱，效果并不理想。 LED 光源打造的 LED 燈具，由 LED、散熱結構、驅動器、透鏡組成，因此散熱也是一個重要的部分，如果 LED 不能很好散熱、它的壽命也會受影響。 （ 1）熱量管理是 LED 應用中的主要問題 由于 III 族氮化物的 p 型摻雜受限于 Mg 受主的溶解度和空穴的較高啟動能，熱量特別容易在 p 型區(qū)域中產生，這個熱量必須通過整個結構才能消散； LED 器件的散熱途徑主要是熱傳導和熱對流； Sapphire 襯底材料極低的熱導 率導致器件熱阻增加，產生嚴重的自加熱效應，對器件的性能和可靠性產生毀滅性的影響。 （ 2）熱量對 LED 的影響 熱量集中在尺寸很小的芯片內，芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和螢光粉激射效率下降；當溫度超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。統(tǒng)計資料表明，元件溫度每上升 2℃ ，可靠性下降 10%。當多個 LED 密集排列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴重。解決熱量管理問題已成為高亮度 LED 應用的先決條件。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 20 （ 3）芯片尺寸與散熱的關系 提高功率 LED 的亮度最直接的方法是增大輸入功 率，而為了防止有源層的飽和必須相應地增大 PN 結的尺寸；增大輸入功率必然使結溫升高，進而使量子效率降低。單管功率的提高取決于器件將熱量從 PN 結導出的能力、在保持現(xiàn)有芯片材料、結構、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨增加芯片的尺寸，結區(qū)溫度將不斷上升。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 21 4 總體方案設計及充電方式的選擇 太陽能 LED 路燈系統(tǒng)由太陽能電池板、 LED 路燈控制器、鉛酸蓄電池以及 LED路燈模塊組成。在整個系統(tǒng)中，充放電控制器處在核心地位，其工作的好壞直接決定了 整個系統(tǒng)的性能。其充電方式的選擇也是重中之重，不僅對整個系統(tǒng)有很大的影響，對蓄電池的保護和充電效率也有很大作用。本文設計的控制器采用 PWM 充電技術為核心，具備蓄電池過充、過放保護、太陽能電池過壓保護、負載短路保護等多種保護功能。 總體方案設計 本次設計采用了專用微處理器芯片的智能化控制器。采用一鍵式輕觸開關，完成所有操作及設置。具有短路、過載、充滿、過充自動關斷、恢復等保護功能，實時顯示充電、蓄電池狀態(tài)、負載及各種指示?？刂破魍ㄟ^微處理器對蓄電池的端電壓、放電電流、環(huán)境溫度等涉及蓄電池容量的參數(shù) 進行采樣，通過專用控制模型計算，實現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補償?shù)母呔瓤刂?，并采用了高?PWM 蓄電池充電模式，保證蓄電池工作在最佳的狀態(tài)，有效地延長了蓄電池的壽命。系統(tǒng)組成框圖如圖 41 所示。 圖 41 太陽能 LED路燈控制系統(tǒng)組成框圖 充電電路由 Q1 和 Q2 組合起來控制，其中 Q1 為充電控制場效應管； Q2 為防反沖控制場效應管； Q3 為放電控制場效應管。充放電電路的通斷均由場效應管的通斷PWM功率驅動 MCU電腦主控制器顯示、按鍵 溫度傳感器 輸出保護功率驅動 蓄電池 輸出LED路燈 光電池 光照采樣 Q1 Q2 Q3 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 22 來控制，場效應管的柵極和控制電路相連，單片機的輸出的信號通過控制 電路來決定場效應管的通斷。 常用充電方法 在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對系統(tǒng)性能有至關重要的影響。充電控制方法的優(yōu)劣不僅影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時也關系到鉛酸蓄電池的使用壽命。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、階段充電、智能充電和 PWM 充電等方法 [17]。 恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種方法適合于多個鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢 復，最好用于小電流長時間的充電模式，其充電電流和電壓關系如圖 42 所示。這種充電方式的不足之處在于：鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，使整個充電過程時間加長，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，電池析氣量增加，影響電池壽命。 U , i蓄 電 池 充 電電 壓 U充 電 電 流 It 圖 42 恒流充電曲線 恒壓充電就是以恒定電壓對鉛酸蓄電池進行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調整電流。相 對恒流充電來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，其充電特性曲線如圖 43 所示。但是恒壓充電方法也有不足之處，在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過高，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 23 池的完全充電也很難完成。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會 太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。 U , it充 電 電 壓 U c蓄 電 池 電 壓 U電 流 I 圖 43 恒壓充電曲線 階段充電法一般分為二階段和三階段充電，這種方法克服了恒流與恒壓充電的缺點。二階段充電首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，當鉛酸蓄電池充電到達一定容量后，然后采用恒壓充電方式充電。二階段充電方法在充電初期，鉛酸蓄電池不會出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不出現(xiàn)鉛酸蓄電池電壓過高，使鉛酸蓄電池產生析氣。三階段充電就是恒壓充電致電流降至某一閾值后，再以恒微電流充電，其充電特性曲線如圖 44 所示。 U , it三 階 段 充 電二 階 段 充 電蓄 電 池 電 壓 U充 電 電 流 IU f 圖 44 二階段和三階段充電曲線 智能充電是以美國人 （馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 24 規(guī)律為基礎。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，如圖 45 所示。 it析 氣 區(qū)接 受 區(qū) 圖 45 馬斯最佳充電曲線 按照蓄電池可接受電流特性，采用智能控制的方法，使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且 對蓄電池影響較小，這樣的控制方法統(tǒng)稱為智能充電控制。理論上經過 5 小時的充電，蓄電池就能達到 99%以上的荷電狀態(tài)。比常規(guī)的充電的時間縮短了很多。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中因為太陽能電池本身在特定條件下輸出能量有限，無法提供充電初期較大的電流。因此智能充電方法在實際中還沒有得到廣泛的應用。 PWM 調制充電方式首先對電池充電一段時間，然后讓電池停止充電一段時間，如此循環(huán)往復。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而在間歇期，蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣又有時間重新化合而被吸收掉，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的充電能夠更 加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 PWM 調制充電方式使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。 PWM 方式又可進一步演變成變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法，變電壓間歇充電法曲線分別如下圖 46 所示。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 25 i / A0u / VUI 圖 46 變電壓加些充電方法 基于用 PWM 充電法對蓄電池充電，簡單、方面及便于控制的優(yōu)勢，本次設計中對蓄電池的充電方法就采用 PWM 充電法。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 26 5 基于 ATmega8 單片機主控 制器的硬件部分 單片機是整個太陽能 LED 路燈照明系統(tǒng)控制器的核心智能模塊，它的選擇范圍很大，由于系統(tǒng)需要單片機能夠快速輸出精確的 PWM 波形，且要能夠便捷的調整 PWM 的占空比，再準確快速的采集蓄電池和太陽能電池板的電壓，因而選用 ATMEL 公司的 AVR 系列單片機 ATmega8，下面簡要介紹它的特性和功能。 ATmega8 單片機特性和功能 ATmega8 單片機是基于 AVR RISC 結構的 8 位高性能、低功耗微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間， ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐 率高達 1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其產品具有以下產品特點： （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器。 （ 2） 先進的 RISC 結構： 130 條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內完成， 32 x 8 通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS，只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。 （ 3） 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器： 8K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 Flash，壽命： 10000次寫 / 擦除周期。具有獨立鎖定位、可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序實 現(xiàn)系統(tǒng)內編程，真正的同時讀寫操作。 512K 字節(jié)的 EEPROM，壽命： 100000 次寫 /擦除周期。 1K 字節(jié)的內部 SRAM，可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密。 （ 4） 外設特點：兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計數(shù)器，其中之一具有比較功能，一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器。具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC。有三通道 PWM， TQFP 與 MLF 封裝的8 路 ADC， 8 路 10 位 ADC。面向字節(jié)的兩線接口，兩個可編程的串行 USART，可工作于主機 /從機模式的 SPI 串 行接口，具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器，片內模擬比較器。 （ 6） 特殊的處理器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測，片內經過標定的 RC 振蕩器，片內 /片外中斷源， 5 種睡眠模式：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式。 （ 7） I/O 和封裝： 23 個可編程 I/O 口線， 28 引腳 PDIP 封裝， 32 引腳 TQFP 與 MLF 封裝。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設計 27 （ 8） 工作電壓： （ ATmega8L）， （ ATmega8）。 （ 9） 速度等級： 0 8 MHz（ ATmega8L）， 0 16 MHz（ ATmega8）。 本系統(tǒng)通過調整 PWM 占空比對 MOS 管進行控制，以實現(xiàn)太陽能電池高效充電和保護蓄電池功能充電功能。最小系統(tǒng)設計原理圖如圖 51 所示。 Y14MC1 22pC2 22pRESETVCCR110kVCCC3104L1C4104SW1J3PD3(INT1)1PD4(XCK/T0)2GND3VCC4GND5VCC6PB6(XTAL1/TOSC1)7PB7(XTAL2/TOSC2)8PD5(T1)9PD6(AIN0)10PD7(AIN1)11PB0(ICP1)12PB1(OC1A)13PB2(SS/OC1B)14PB3(OC2A/MOSI)15PB4(MISO)16PB5 (SCK)17AVCC18ADC619AREF20GND21ADC722PC0 (ADC0)23PC1 (ADC1)24PC2 (ADC2)25PC3 (ADC3)26PC4 (ADC4/SDA)27PC5 (ADC5/SCL)28PC6 (RESET)29PD0 (RXD)30PD1 (TXD)31PD2 (INT0)32U1 ATMEGA8_32P 圖 51 ATmega8最小系統(tǒng)原理圖 由于 ATmega8 是低電平復位，所以本設計采用自動上電復位方式。其中采用 RST 作為復位輸入端，外接 電壓就構成了自動復位電路。當電源接通后，時鐘振蕩器工作時，單片