太陽(yáng)能LED路燈的研制

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，人們對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為人類(lèi)迫切需要解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能作為一種清潔能源受到越來(lái)越多的關(guān)注，而LED具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?；赟i1000單片機(jī)，采用蓄電池充電芯片LT3652和LED驅(qū)動(dòng)芯片LT3756，將太陽(yáng)能光伏發(fā)電和LED照明相結(jié)合，應(yīng)用于小型街道路燈照明系統(tǒng)，并結(jié)合傳感技術(shù)及無(wú)線通訊技術(shù)，提高了蓄電池的充電效率，實(shí)現(xiàn)了光控、聲控、及無(wú)線控制功能。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能：LED；Si1000；PWM

    隨著現(xiàn)代化發(fā)展的要求，能源的緊缺，污染的嚴(yán)重等綜合影響，節(jié)能環(huán)保智能化的太陽(yáng)能照明設(shè)備得到了很快的發(fā)展，并且有著非常好的市場(chǎng)需求前景。在太陽(yáng)能利用方面，美國(guó)、歐洲以及日本起步最早，并且現(xiàn)階段整體光伏發(fā)電系統(tǒng)以及太陽(yáng)能利用方面也較為完善。由于擁有先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，加之完整的體系架構(gòu)，太陽(yáng)能LED路燈發(fā)展非常迅速，并且在很多城市地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模投入使用。國(guó)內(nèi)方面，近幾十年來(lái)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在燈具照明領(lǐng)域得到不斷發(fā)展，伴隨著LED市場(chǎng)的火熱，太陽(yáng)能LED照明設(shè)施也得到了很多利用，但是這些往往集中在高尖端領(lǐng)域或是利用在非常重要的場(chǎng)合，還沒(méi)有遍及到普通的市政路燈照明。太陽(yáng)能LED路燈以太陽(yáng)為能源，其無(wú)需復(fù)雜昂貴的管線鋪設(shè)，可任意調(diào)節(jié)燈具的布局，具有安全節(jié)能環(huán)保便捷等很多優(yōu)點(diǎn)。并且以大功率LED作為負(fù)載照明，LED燈相比較白熾燈以及節(jié)能燈，其發(fā)光效率高、耗電量小、安全環(huán)保可靠性強(qiáng)。

1 太陽(yáng)能LED路燈總體設(shè)計(jì)
    太陽(yáng)能路燈由太陽(yáng)能電池板、蓄電池及充電電路、LED燈具及LED驅(qū)動(dòng)電路、控制器、光照和聲音檢測(cè)電路及手持控制器組成，如圖1所示。白天太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，夜晚蓄電池自動(dòng)供電照明。采用大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，配合基本電路提供穩(wěn)定安全的恒流電源，維持LED燈的長(zhǎng)壽命工作；配合主控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明的光強(qiáng)控制。光控、聲控電路可以根據(jù)不同外界條件控制照明。可以通過(guò)手持遙控器控制路燈，并且能夠獲取路燈狀態(tài)信息，完成故障檢測(cè)。通過(guò)判斷蓄電池的充電狀態(tài)，自動(dòng)采用相應(yīng)的充電方式進(jìn)行充電，過(guò)溫保護(hù)電路可延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

    選擇12個(gè)1W白光LED作為光源，其額定光通量為100 lm，路燈光通量達(dá)1 200 lm，相當(dāng)于120 W自熾燈，可以滿(mǎn)足小型街道照明。以西安地區(qū)為例，峰值日照為3．5小時(shí)，平均每天照明時(shí)間7小時(shí)，連續(xù)陰雨天最長(zhǎng)7天，可選用12 V 50AH的蓄電池。根據(jù)太陽(yáng)能電池組件綜合損失系數(shù)及蓄電池充電效率，采用60Wp的太陽(yáng)能電池板。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 控制器
    采用美國(guó)Silicon Labs公司推出的Si1000芯片作為控制器，集成了超低功耗MCU及高穿透力的RF芯片。Si1000系列無(wú)線微控制器內(nèi)部集成了25 MHz的8051內(nèi)核，EZRadioPRO系列略低于1 GHz的RF收發(fā)器件，最大64 kB的Flash以及最高12 bit分辨率的ADC，所有這些均集成在一個(gè)5 mmx7 mm的緊湊的封裝中。Si1000系列無(wú)線微控制器為用戶(hù)提供領(lǐng)先的RF性能，包括最高的發(fā)射功率，最高的接收靈敏度和最高20dBm的發(fā)射功率和-121 dBm的靈敏度，使系統(tǒng)擁有了高達(dá)141 dB的鏈路預(yù)算。文中無(wú)線遙控RF頻率為433MHz。單片機(jī)的P1．6與P1．7分別與LT3652的CHRG和FAULT引腳相連，用于檢測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)。P1．5與LT3756的PWM引腳相連，可以產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED照明及調(diào)光。P2．0與P2．1分別與光照強(qiáng)度及聲音檢測(cè)模塊輸出端連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的自動(dòng)控制。
2．2 充電電路
    采用LT3652充電芯片，其輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路電路提供幾乎與最大峰值功率跟蹤(MPPT)充電方法同樣的充電效率，如圖2所示。太陽(yáng)能板輸出電壓隨太陽(yáng)光的強(qiáng)度變化，LT3652可接受4．95～32 V的寬輸入范圍，可以滿(mǎn)足太陽(yáng)能板的輸出范圍。在輸入電源調(diào)節(jié)欠佳時(shí)，輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路還允許優(yōu)化充電。該器件可為各種配置的電池組充電。LT3652的充電電流可編程高達(dá)2 A?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)R1的選取來(lái)設(shè)置充電電流，文中R1取值0．1Ω，對(duì)應(yīng)充電電流為1 A。這個(gè)獨(dú)立的電池充電器不需要外部微控制器，具有用戶(hù)可選的終止，包括C(蓄電池額定容量)／10或內(nèi)置定時(shí)器。本文采用定時(shí)器中止方法，通過(guò)對(duì)電容C1的取值的完成對(duì)中止時(shí)間的設(shè)置。例如選擇1個(gè)0．68μF的電容可以設(shè)置為3小時(shí)定時(shí)中止。該器件的1 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)小的解決方案尺寸。浮置電壓反饋準(zhǔn)確度規(guī)定為0．5％，充電電流準(zhǔn)確度為5％，C／10檢測(cè)準(zhǔn)確度為±2．5％。一旦充電終止，LT3652就自動(dòng)進(jìn)入低電流備用模式，這種模式將輸入電源電流降至85μA。在停機(jī)模式，輸入偏置電流降至15μA。就自主充電控制而言，如果電池電壓降至比設(shè)定的浮置電壓低2．5％，那么自動(dòng)再充電功能就啟動(dòng)一個(gè)新的電周期。本文對(duì)12 V 50 AH的密封鉛酸進(jìn)行3階段充電。第1階段以1 A恒流快速充電到蓄電池電壓達(dá)到14．4 V；第2階段以14．4V恒壓充電，當(dāng)電流下降到0．1 A時(shí)進(jìn)入第3階段，13．5V浮充階段；當(dāng)蓄電池電壓低于13．2V時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入新一輪充電。電路中的R9為一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池溫度超出0～45℃范圍時(shí)，芯片將停止充電，可有效保護(hù)蓄電池并延長(zhǎng)其使用壽命。

2．3 LED驅(qū)動(dòng)電路
    LED驅(qū)動(dòng)電路采用具有高端電流檢測(cè)DC／DC轉(zhuǎn)換器LT3756，該器件為驅(qū)動(dòng)大電流LED而設(shè)計(jì)，如圖3所示。其6～100 V的寬輸入電壓范圍使該器件非常適合于種類(lèi)繁多的應(yīng)用，包括汽車(chē)、工業(yè)和建筑照明。文中R1、R2、Vin和SHDN組成的分壓電路可以將輸入電壓范圍限制在8～80 V，可以滿(mǎn)足12 V蓄電池作為電源。LT3756使用一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以用標(biāo)稱(chēng)值為12 V的輸入驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)1 A的白光LED。文中驅(qū)動(dòng)12x1 W串聯(lián)的大功率白光LED，測(cè)得LED兩端電壓34～38 V之間，所以要求C2的耐壓值要高于38V，這里選用耐壓值為50V 10μF的電容。它含有高端電流檢測(cè)，從而使它能夠用于升壓、降壓、降壓-升壓、SEPIC(單端初級(jí)繞組電感變換器)中。文中采用SEPIC模式，這種電路最大的好處是輸入輸出同極性，尤其適合于電池供電的場(chǎng)合，另外通過(guò)主回路上的電容C1實(shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離，具備完全關(guān)斷功能，當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，輸出電壓為0 V。LT3756在升壓模式時(shí)可以提供超過(guò)90％的效率，從而無(wú)需任何外部散熱措施。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶(hù)在100 kHz～1 MHz范圍內(nèi)對(duì)頻率編程，本文對(duì)R2取值28．7 kΩ將頻率設(shè)置為400 kHz，在優(yōu)化效率的同時(shí)也最大限度地減小了外部組件的尺寸和成本。結(jié)合3mmx3mm QFN或耐熱增強(qiáng)型MSOP-16封裝，LT3756提供了一個(gè)非常緊湊的驅(qū)動(dòng)器解決方案。

    LT3756采用PWM調(diào)光，以寬達(dá)3 000：1的調(diào)光范圍提供恒定LED色彩。CTRL引腳可用來(lái)提供一個(gè)10：1的模擬調(diào)光范圍。其固定頻率、電流模式架構(gòu)確保在寬電源和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電壓FB引腳用作幾種LED保護(hù)功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器可以作為一個(gè)恒定電壓源工作。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)LED照明及調(diào)光功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    控制軟件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)C2接口編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。采用自動(dòng)和遙控兩種控制模式。自動(dòng)控制是根據(jù)不同時(shí)間段結(jié)合光照強(qiáng)度和聲音大小采取相應(yīng)的控制策略。遙控控制模式是通過(guò)手持遙控器進(jìn)行控制，當(dāng)檢測(cè)到通訊信號(hào)時(shí)觸發(fā)中斷進(jìn)入遙控控制模式，讀取緩沖區(qū)中命令并執(zhí)行，直到收到退出遙控模式命令時(shí)退出遙控控制模式，如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中所研制的太陽(yáng)能LED路燈，采用低功耗耐高溫Si1000無(wú)線收發(fā)主控芯片，結(jié)合專(zhuān)用蓄電池充電芯片和LED驅(qū)動(dòng)芯片，滿(mǎn)足了小型化、功耗低、高效率、智能控制的需求。采用新型蓄電池充電芯片，無(wú)需單片機(jī)控制，充電效率高。三段式對(duì)蓄電池充電，有故障檢測(cè)和保護(hù)功能，有利于延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。利用大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片以及PWM調(diào)光技術(shù)使得整體電路更為簡(jiǎn)單，性能更為穩(wěn)定。采用光控、聲控、無(wú)線控制相結(jié)合的智能化控制，使得照明設(shè)備更人性化，操控性更強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單控制方便?？梢灾鸩饺〈⌒徒值勒彰髟O(shè)備，具有很大的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益，并且能夠很好的響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的社會(huì)生活理念。