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智能太阳能LED路灯控制器设计

专家
2013-01-31 10:14:24    评分

作者:郑州轻工业学院 牛召 温文豪 杨希宁

指导教师:曹卫锋 梁万用

 

  作品简介

 

  太阳能已被公认为未来解决能源危机的最有效能源,LED灯是21世纪最具发展潜力的节能照明产品,因此,太阳能LED路灯属于当今社会大力提倡利用的绿色能源产品。太阳能LED路灯系统的核心是控制器。目前市场上的控制器普遍存在对太阳能利用率不高、通用性差、寿命短、对蓄电池损害严重等问题。为此,我们设计了一款能有效解决上述问题的基于STC15F2K61S2单片机的太阳能LED路灯控制器。图1为太阳能LED路灯系统的实物图。

  


  该控制器以STC15F2K61S2单片机为控制核心,将太阳能发电部分与LED恒流驱动电路集成在一起,提高系统可靠性;采用同步Buck结构将太阳能电池组件的最大功率点跟踪与蓄电池的多阶段充电法有机结合起来,提高系统对太阳能的利用率,延长蓄电池寿命;采用无电解电容的DC/DC电路提高恒流源电路的寿命;以LT3755为LED恒流源驱动芯片,采取双PWM方式将LED的模拟调光与数字调光有机结合起来,使并联LED数目可以提前设定,亮度可以分时段调整,增强控制器的通用性,有效延缓LED的光衰。该控制器同时具备蓄电池过充、过放保护,负载短路保护,防雷保护等多种保护功能。

  使用时,应按以下步骤操作:

  1、导线的准备:先按照不大于4A/mm2的电流密度选择铜导线截面积,然后确定导线长度,再将控制器一侧的接线头剥去5mm的绝缘,保证安装位置的情况下,尽可能减少连线长度,以减少电损耗。

  2、系统接线顺序:系统上电顺序为:蓄电池-电池板-LED负载,如果连接正确且有阳光,蓄电池和太阳能板指示灯会亮,否则应检查接线是否正确。系统拆卸顺序为:负载-电池板-蓄电池。

  3、设定工作模式:按下开关设置按钮持续3s以上,LED数码管开始闪烁,系统进入调节模式,松开按钮,每按一次按键,数码管会换一个数字,当数码管显示的数字对上用户从表中所选模式对应的数字时(具体表格如设计说明中的表1所示),松开按钮,等数码管数字不闪烁即完成本次设置。

  4、电流参数设置:当数码管显示“8﹒”并闪烁时,再次按下按钮3s以上,进入电流调节模式,此时3个LED指示灯和数码管将同时闪烁,按下按钮即可根据负载所并联LED的串数对照表格调节所需电流(具体表格如设计说明中的表2所示),当调节到设定值后,按下按钮3s以上才能保存参数回到手动模式。

 

  平台选型说明

 

  STC15F2K61S2单片机开发板

 

  设计说明

 

  1 控制器系统组成与工作原理

  大功率太阳能LED路灯系统原理图如图2所示。系统包括太阳能电池板组件、电压、电流和温度采集模块、同步Buck及其驱动模块、阀控密封式铅酸蓄电池、LED恒流驱动模块、LED路灯和STC15F2K61S2单片机最小系统模块(其中太阳能电池板和蓄电池不属于控制器系统)。太阳能电池组件为系统提供能源,单片机通过采集太阳能电池组件的输出电压来判别是白天还是黑夜,当检测到电池组件的电压高于一定值时,进入白天模式,单片机根据所采集的太阳能电池组件的输出电压、充电电流、蓄电池电压和环境温度等信号,控制同步 Buck工作,实现对太阳能电池组件的最大功率点跟踪(MPPT)、蓄电池的分阶段充电;当检测到太阳能电池组件的输出电压小于一定值时,进入黑夜模式,单片机输出两路PWM控制LED专用恒流驱动芯片LT3755驱动LED路灯工作,根据LED的并联串数,一路PWM经过滤波后通过LT3755的模拟调光方式确定恒流源的输出电流,一路PWM通过LT3755的数字调光方式控制LED工作在全功率或半功率模式。

  


  2 控制器硬件设计

  太阳能LED路灯控制器硬件电路包括STC15F2K61S2单片机最小系统模块、蓄电池充电电路模块、LED恒流驱动模块和其他电路模块。

  2.1 充电电路设计

  根据蓄电池不同的状态采用快充恒流、过充恒压和浮充3阶段充电方法可提高充电效率,延长蓄电池的使用寿命。由于蓄电池的最大可接收电流一般很大,实际应用中太阳电池无法提供蓄电池最大可接收电流,因而传统的3阶段充电方法不能有效适用于太阳能对蓄电池的充电。为此,本设计采取MPPT充电、恒压充电和浮充充电方案代替传统的3阶段充电方式,使系统在提高太阳能利用率的同时,延长了蓄电池寿命。

  充电电路的具体设计如图3所示。由于传统Buck电路中续流二极管上的损耗很大,本文中采用MOSFET取代二极管,即同步 Buck。MOSFET具有极低的导通电阻,可以实现比采用续流二极管高得多的转换效率,最大限度地减小太阳能的损失,且不会带来严重的散热问题。为使MOSFET工作于最佳状态,其驱动电路采用IR公司的IR2101半桥驱动芯片来驱动两个场效应管工作,通过编程使STC15F2K61S2从CCP1_3、CCP2_3输出2路边沿对齐的50KHz互补PWM脉冲驱动同步Buck工作。

  太阳能电池组件的电压、电流检测由单片机ADC2、ADC6模数转换通道完成,用以确定太阳能电池组件的输出功率,蓄电池电压的检测由单片机ADC0模数转换通道完成,作为蓄电池充放电状态信号。当蓄电池的电压低于13.2V时,采用扰动观察法实时调整PWM脉冲宽度,以太阳能电池组件输出最大功率对蓄电池进行快速充电,当蓄电池的电压高于13.2V而低于13.6V时,单片机控制Buck电路退出MPPT功能,使Buck电路变成恒压输出,并且以恒压方式对蓄电池进行慢速充电。当蓄电池的电压高于13.6V时,单片机控制Buck电路对蓄电池进行浮充(涓流)充电,浮充的目的是补偿蓄电池因自放电和系统较小的负载产生的电量消耗,同时维持蓄电池存储电量的饱满。

  


  瞬态抑制二极管TVS为防雷管,太阳能LED路灯控制系统一直工作在户外,难免会遇到雷击,为此,系统在控制器的每两个接线柱之间接一个瞬态抑制二极管,有效保护智能控制器的元器件免受损坏。

  2.2 恒流驱动电路设计

  在不同的应用场所,对LED路灯的功率要求不同,传统的恒流源电路输出电流只能恒定工作在某一定值上,输出功率也恒定在某一两个定值上,这一方面导致LED路灯需要和恒流源一致才能正常工作,另一方面导致LED路灯控制器需要多次开发,LED路灯也需要定制。为此,本项目设计了一种新型太阳能LED路灯控制器,可以根据路灯LED并联数目的多少,预先设定控制器的恒流源输出电流,使控制器具有一定的通用性。




关键词: 智能     太阳能     路灯     控制器     设计     系统     蓄电池         

专家
2013-01-31 10:15:23    评分
2楼

  大功率LED恒流驱动电路的设计如图4所示,其核心器件是美国凌力尔特公司的LED专用恒流芯片LT3755,该芯片的输入电压范围为+4.5~40V,可通过LED列的高压侧检测输出电流,输出电压为+2.9~60V,升压模式下的效率超过94%,使用PWM调光信号,调光比最大可达3000:1,使用CTRL引脚可进行10:1的模拟调光,具有开路LED保护、迟滞的可编程欠压闭锁和可编程软起动等功能。

  


  蓄电池的工作电压一般只有12V,流经LED的电流又不能太大,为驱动大功率LED路灯,本设计将LT3755连接成BOOST升压电路。DC/DC升压电路的主拓扑结构由L2、D10、Q4、C16、R21和R22等原件组成,电阻R16用于确定BOOST电路的开关频率,取值范围为10K~100K,R19为控制回路的电流检测输入电阻,用于过流保护,一般取值为0.015Ω,R21和R22的比值大小确定BOOST电路输出电压的大小。

  LED驱动电流的大小由LT3755的CTRL引脚电压和R20的阻值来共同确定,该管脚电压在1.2V以下时,通过对其电压的调整可以实现对流经LED的电流进行10:1的调整,达到模拟调光的目的。根据LT3755的这一特性,将单片机CCP0_3管脚输出的PWM进行滤波处理后和LT3755的CTRL引脚相连,根据LED并联数目的多少,通过预先设定PWM的占空比,达到设定LED驱动电流的目的。通过对单片机P5.5管脚输出的PWM占空比调整,可以控制LED发光强度和输出功率,达到数字调光的目的。R20同时为LED高压侧电流检测电阻,用于LED短路保护,当LED短路时,LT3755关断其PWM输出,恒流源电路停止工作。

  2.3 其他电路的设计

  本项目的其它电路包括电源电路、单片机最小系统电路和温度采集电路等,电源电路采用LM2931三端稳压芯片为单片机最小系统电路供电;单片机最小系统电路的人机接口电路用于指示当前蓄电池、负载和控制器工作状态,通过按键和数码管显示电路可以设定路灯灯头LED的并联数目;当正在充电时,单片机通过ADC1通道检测环境温度数据,修正充电时蓄电池温度和充电电压的关系,以-4mV/℃/2V的修正量来进行温度补偿。这些电路的设计比较简单,故没有画出具体原理图。

  3 系统软件设计

  系统软件流程图如图5所示。系统上电后首先根据不同地区、季节和LED路灯的负载情况,由按键设定控制器的工作模式(如表1所示)和LED驱动电流的大小(如表2所示),然后由单片机实时采集太阳能电池组件输出电压,当检测到太阳能电池组件的电压高于6V的时间超过10min,系统进入白天充电模式(延时的目的是为抵抗烟花、闪电、汽车灯照等的干扰,防止误判),关闭LED路灯。在充电模式下,单片机实时采集蓄电池电压、充电电流和环境温度,在常温下,当蓄电池两端的电压小于13.2V 时,采用最大功率点跟踪法对蓄电池快速充电,当蓄电池电压大于13.2V而小于13.6V时,采用恒定电压法慢速充电,当蓄电池电压上升到13.6V 时,转为浮充充电模式,用于维持蓄电池存储电量的饱满。

  


  当太阳能电池组件的电压降到6V时,系统进入黑夜放电模式,LED全功率工作,延时若干小时后进入半功率工作模式至天亮。LED全功率和半功率工作时间可以根据不同地区和不同季节预先进行设定。在放电过程中,单片机实时采集蓄电池电压,当蓄电池电压低于11V时,强制关闭LED路灯,防止蓄电池因过放而损害。

  


  作品特色

 

  本设计与传统的太阳能LED路灯控制器相比有如下几个特点:

  1、充电电路采用同步Buck结构将太阳能电池组件的最大功率点跟踪与蓄电池的多阶段充电法有机结合起来,提高太阳能的利用率,延长蓄电池寿命。

  2、放电电路以LT3755为LED恒流源驱动芯片,采取双PWM方式将LED的模拟调光与数字调光结合起来,利用LT3755的模拟调光功能提前设定并联LED数目,增强控制器的通用性。

  3、利用LT3755的数字调光功能实现分时段调整LED亮度,增强控制器的通用性,有效延缓LED的光衰,增加太阳能LED路灯系统在连续阴雨天情况下工作的天数。

  4、由于电解电容是影响大功率电路寿命的关键元件,这里采用无电解电容的DC/DC电路提高恒流源电路的寿命。

  5、采用太阳能发电电路和LED放电电路一体化设计方案,减小太阳能LED路灯控制器的体积,降低了控制器的成本。

 

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2788


高工
2013-05-24 15:12:06    评分
3楼
太阳能路灯,这个是今后的趋势,看好

菜鸟
2013-11-25 20:44:24    评分
4楼

mark

最近也在关注太阳能方面东西


专家
2013-11-25 23:19:10    评分
5楼
不错,我也在做太阳能相关的产品

菜鸟
2014-03-21 10:34:34    评分
6楼

现在我也在做跟这个相关的毕业设计,所以想问一下LED,蓄电池,太阳能板的参数是如何匹配的,


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