【導(dǎo)讀】太陽能LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　

【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(dá)到 7580。所以路面明亮，感覺舒適。所以從實(shí)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(jìn)步， LED 光源取得了越來越大的進(jìn)步，光效越來越高，前景很廣闊，并己經(jīng)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(diǎn)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(zhì)好壞，與燈 體本身散熱至關(guān)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(jié)構(gòu)、驅(qū)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(yīng)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(chǎn)生，這個熱量必須通過整個結(jié)構(gòu)才能消散； LED 器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對流； Sapphire 襯底材料極低的熱導(dǎo) 率導(dǎo)致器件熱阻增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，對器件的性能和可靠性產(chǎn)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(nèi)，芯片溫度升高，引起熱應(yīng)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(dāng)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(jì)資料表明，元件溫度每上升 2℃ ，可靠性下降 10%。當(dāng)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(yán)重。解決熱量管理問題已成為高亮度 LED 應(yīng)用的先決條件。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 （ 3）芯片尺寸與散熱的關(guān)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(yīng)地增大 PN 結(jié)的尺寸；增大輸入功率必然使結(jié)溫升高，進(jìn)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(jié)導(dǎo)出的能力、在保持現(xiàn)有芯片材料、結(jié)構(gòu)、封裝工藝、芯片上電流密度不變及等同的散熱條件下，單獨(dú)增加芯片的尺寸，結(jié)區(qū)溫度將不斷上升。 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 4 總體方案設(shè)計(jì)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(hù)和充電效率也有很大作用。本文設(shè)計(jì)的控制器采用 PWM 充電技術(shù)為核心，具備蓄電池過充、過放保護(hù)、太陽能電池過壓保護(hù)、負(fù)載短路保護(hù)等多種保護(hù)功能。 總體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)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(guān)，完成所有操作及設(shè)置。具有短路、過載、充滿、過充自動關(guān)斷、恢復(fù)等保護(hù)功能，實(shí)時顯示充電、蓄電池狀態(tài)、負(fù)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(jìn)行采樣，通過專用控制模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)符合蓄電池特性的放電率、溫度補(bǔ)償?shù)母呔瓤刂疲⒉捎昧烁咝?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(yīng)管； Q2 為防反沖控制場效應(yīng)管； Q3 為放電控制場效應(yīng)管。充放電電路的通斷均由場效應(yīng)管的通斷PWM功率驅(qū)動 MCU電腦主控制器顯示、按鍵 溫度傳感器 輸出保護(hù)功率驅(qū)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(shè)計(jì) 22 來控制，場效應(yīng)管的柵極和控制電路相連，單片機(jī)的輸出的信號通過控制 電路來決定場效應(yīng)管的通斷。 常用充電方法 在獨(dú)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(guān)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(guān)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(jìn)行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)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(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢 復(fù)，最好用于小電流長時間的充電模式，其充電電流和電壓關(guān)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(jìn)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(diào)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(bǔ)償，充電過程中對落后電太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jīng)常用到，因?yàn)檫@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(diǎn)。二階段充電首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，當(dāng)鉛酸蓄電池充電到達(dá)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(chǎn)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(shè)計(jì) 24 規(guī)律為基礎(chǔ)。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(jīng)過 5 小時的充電，蓄電池就能達(dá)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?yàn)樘柲茈姵乇旧碓谔囟l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(shí)際中還沒有得到廣泛的應(yīng)用。 PWM 調(diào)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(fù)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而在間歇期，蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更 加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 PWM 調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)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(jìn)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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 26 5 基于 ATmega8 單片機(jī)主控 制器的硬件部分 單片機(jī)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(jī)能夠快速輸出精確的 PWM 波形，且要能夠便捷的調(diào)整 PWM 的占空比，再準(zhǔn)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(jī) ATmega8，下面簡要介紹它的特性和功能。 ATmega8 單片機(jī)特性和功能 ATmega8 單片機(jī)是基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位高性能、低功耗微處理器。由于其先進(jìn)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(dá) 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(chǎn)品具有以下產(chǎn)品特點(diǎn)： （ 1） 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器。 （ 2） 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu)： 130 條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)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(dá) 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(nèi)可編程 Flash，壽命： 10000次寫 / 擦除周期。具有獨(dú)立鎖定位、可選 Boot 代碼區(qū)，通過片上 Boot 程序?qū)?現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部 SRAM，可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密。 （ 4） 外設(shè)特點(diǎn)：兩個具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計(jì)數(shù)器，其中之一具有比較功能，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計(jì)數(shù)器。具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計(jì)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(jī) /從機(jī)模式的 SPI 串 行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器。 （ 6） 特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器，片內(nèi) /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(shè)計(jì) 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(diào)整 PWM 占空比對 MOS 管進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)太陽能電池高效充電和保護(hù)蓄電池功能充電功能。最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)位，所以本設(shè)計(jì)采用自動上電復(fù)位方式。其中采用 RST 作為復(fù)位輸入端，外接 電壓就構(gòu)成了自動復(fù)位電路。當(dāng)電源接通后，時鐘振蕩器工作時，單片