【正文】 能路燈得到普遍應(yīng)用。太陽能有取之不盡、用之不竭、不會(huì)污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡等特點(diǎn)。新能源技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為 21 世紀(jì)各國都重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)問題。在各種新能源技術(shù)的研究和應(yīng)用中，太陽能光伏技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在世界發(fā)達(dá)國家和我國都得到了迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 2 全球 40％以上的太陽能電池板是中國生產(chǎn)，但是 20xx 年我國太陽能發(fā)電設(shè)施的實(shí)際部署僅占全球的 5％。由于太 陽能發(fā)電在現(xiàn)階段仍然是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，并沒有發(fā)展成為市場經(jīng)濟(jì)，目前還是一個(gè)虧本產(chǎn)業(yè)。 我國照明用電量中的很大一部分用于戶外照明，由此可見太陽能 LED 路燈在我國有著廣闊的發(fā)展前景。每盞燈平均每天消耗 2 度電，一盞燈一年消耗 730 度電， 2 億盞路燈一年消耗的能源相當(dāng)于三峽發(fā)電站兩年的發(fā)電總量。目前幾乎所有路燈用的照明光源均為高壓鈉燈，隨著 LED 技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其優(yōu)勢會(huì)不斷顯現(xiàn)，勢必取代高壓鈉燈成為一種新型的照明光源?，F(xiàn)在 LED 路燈發(fā)展勢頭相當(dāng)強(qiáng)勁。由此可見太陽 能 LED 路燈在我國是一個(gè)舉足輕重的大市場。占世界陸地總面積的 7％。我國和同緯度的其它國家相比，除了四川盆地和其周圍的地區(qū)外，絕大部分地區(qū)的太陽能資源非常豐富。 近幾年太陽能照明技術(shù)快速發(fā)展，太陽能路燈行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨著 LED 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。 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。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(jì)了合理的充放電控制算法來實(shí)現(xiàn)能量的充分利用和蓄電池的充分保護(hù)。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(shí)際消耗的功率在驅(qū)動(dòng)器的輸出總功率中的比例。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 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(dòng)轉(zhuǎn)換， LED 亮度智能控制且完成對(duì)蓄電池的充分保護(hù)。整套系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)無論在價(jià)格和性能方面均具有一定的市場競爭力。 LED 照明燈工作電流是直流，并且在低電壓下工作 [1]。若將兩者組合配以控制器和驅(qū)動(dòng)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)。隨著LED 燈相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，其使用壽命會(huì)不斷延 長。 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。另外，現(xiàn)在使用的熒光燈、汞燈等照明光源中含有汞，對(duì)人體有害。 2) 命長，節(jié)約成本。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?？赏ㄟ^控制器控制其夜間亮燈的功率，提高節(jié)能性。 4) 具有很好的顯色性。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。 5) 直流供電，提高能量利用率。 太陽能 LED 路燈系統(tǒng)白天將太陽能的能量存儲(chǔ)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。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。 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(diǎn)，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。 因?yàn)樘柲?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(dòng)，讓整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)更穩(wěn)定更長久的工作?？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。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。 太陽能 LED 路燈驅(qū)動(dòng)器概述 LED 驅(qū)動(dòng)電源是系統(tǒng)重要的組成部分。常見的有四種驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊為升壓方式。因此本系統(tǒng) 在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)根據(jù) LED陣列的組合方式選擇恒流源來驅(qū)動(dòng)，提高 LED 陣列的的照明可靠性和效率 [3]。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。本課題從這些存在的問題著手研究，設(shè)計(jì)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(jì)一種與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源。 論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文分為五個(gè)章節(jié)，每章內(nèi)容分布如下： 第一章：緒論。 第二章：太陽能 LED 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。 第三章：路燈控制系統(tǒng)控制器的硬件電路實(shí)現(xiàn)。 第四章：路燈控制系統(tǒng)控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。 第五章：總結(jié)與展望。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 6 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 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(chǔ)存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或燈具周圍光照度較低時(shí)，蓄電池通過控制器向光源供電一直到設(shè)定的時(shí)間后切斷。 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(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)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。 由電源模塊給單片機(jī)、 驅(qū)動(dòng)電路、傳感檢測電路等供電，單片機(jī)接受時(shí)間設(shè)定及外部檢測信號(hào)來控制 LED 驅(qū)動(dòng)電路，從而控制 LED 燈的亮度。 其基本原理是 ：電源模塊給 MSP430F149 單片機(jī)和各個(gè)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(dòng) 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(jì) 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(dòng)情況，與時(shí)鐘電路一起通過單片機(jī)控制 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路，從而控制 LED 燈的亮度及亮滅，鍵盤電路用于手動(dòng)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)。 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。 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。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。 這次設(shè)計(jì)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(dòng) 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(gè)周期內(nèi)有一部分時(shí)間 LED 導(dǎo)通，一部分時(shí)間截止，從整體來看有一個(gè)平均電 流 ， PWM信號(hào)頻率很高的，我們無法通過肉眼來觀察到每一個(gè)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(gè) LED 燈 亮的程度了。 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(dòng)電路 顯示電路 實(shí)時(shí)時(shí)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(jì) 8 3 硬件電路設(shè)計(jì) MSP430F149 單片機(jī) 簡介 本設(shè)計(jì)選用 MSP430F149 單片機(jī) [8]。 該單片機(jī) 將多個(gè)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(gè)芯片上 。 該單片機(jī)引腳圖如圖31 所示。單片機(jī)的供電電壓最低為 ，其供電電壓的范圍是：～ 。這是目前其他單片機(jī)沒有的特色。 太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 9 3) 快速的喚醒時(shí)間。 4) 快速的指令執(zhí)行時(shí)間。 5) 片內(nèi)有 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，并提供參考電壓。 6) 16 位的定時(shí)器 Timer_B 帶有 7 個(gè)捕獲 /比較寄存器。 8) 具有靈活的時(shí)鐘設(shè)置。這樣可以根據(jù)功耗要求和速度要求進(jìn)行靈活的時(shí)鐘設(shè)置。 10) 片內(nèi)提供模擬信號(hào)比較器。兩個(gè)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(gè)串口，因此能為用戶進(jìn)行多機(jī)通信設(shè)計(jì)提供了方便。 13) 提供較多的外圍接口，提供 ～ 共 6 個(gè)數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處理功能。 14) 代碼保護(hù)功能。 15) 具有 JTAG 仿真調(diào)試接口，這樣非常便于軟件的調(diào)試。 本設(shè)計(jì)中選用 MAX809STR 復(fù)位芯片，具體復(fù)位電路 如圖 32 所示。管腳 GND 接地，管腳 RESET接單片機(jī)的 RST/NMI 引腳。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 XT2IN 和 XT2OUT 引腳 跨接GNDGNDGND1RESET2Vcc3MAX809STRC1175。 高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也 可以實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。 圖 33 單片機(jī)時(shí)鐘電路 合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì) 需要選取兩個(gè)時(shí)鐘輸入，一個(gè) 選取 8MHz 無源晶振接入 XT2IN 和 XT2OUT 引腳 ， 并聯(lián) 2 個(gè) 56pF 陶瓷電容幫助起振 ，另一個(gè)選取 無源晶振直接接入 XIN 和 XOUT 引腳 。 A/D 轉(zhuǎn)換器外部基準(zhǔn)電壓 電路 TL431 是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。 具體 A/D 轉(zhuǎn)換器外部基準(zhǔn)電壓電路 如圖 34 所示。 30KR9150KR11100R710uFC14GND+5TL431Veref+太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 14 相關(guān)電阻計(jì)算：已知 Veref+=3V 由 Veref+=（ 1+ R9R11） 得 R9R11== 30k150k 故 R9 取 30k， R11 取 150k；輸出電流 I=5V?3VR7 = 2V100 =20mA MSP430 單片機(jī) 外圍 電路設(shè)計(jì) 圖 35 單片機(jī) 外圍 電路 圖 由上可以知道， MSP430 單片機(jī)的接口電路非常簡單 [9]。該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分都是采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)的。另外，單片機(jī)還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干擾問題，由于在該系統(tǒng)中的干擾比太陽能 LED 路燈照明節(jié)能控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 15 較小，因此模擬地和數(shù)字地共地，在模擬電源輸入管腳增加一個(gè)濾波電容以減小干擾。 MAX809STR 復(fù)位芯片給單片機(jī)提供復(fù)位信號(hào)。 LED 恒流 驅(qū)動(dòng)電路 HV9910B 功能特性及 引腳 簡介 圖 36 HV9910B 引腳圖 表 2 LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片 HV9910B 引腳功能 表 HV9910B 功能特性： HV9910B 是一個(gè)高效 PWM LED 驅(qū)動(dòng)器控制集成電路 [10]，它在輸入電壓從 8V 到 450V DC 范圍內(nèi)能有效驅(qū)動(dòng)高亮 LED。為了保證亮度恒定并增強(qiáng) LED 的可靠性，外部高亮 LED串采用恒流方式控制 [11]，而不是恒壓控制。 HV9910B 使用引腳號(hào) 符號(hào) 引腳功能 1 VIN 輸入電壓 8V～ 450V DC 2 CS LED 燈串的電流采樣輸入端 3 GND 芯片地 4 GATE 驅(qū)動(dòng)外部 MOSFET 的柵極 5 PWMD 低頻 PWM 調(diào)光腳，也是使能輸入腳，內(nèi)部集成 100kΩ 的下拉電阻到地 6 VDD 內(nèi)部線性電源（一般是 ），能夠向外部線路提供高達(dá) 1mA 的電流