太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一套太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用了紅外控制和光控，白天太陽(yáng)能板給蓄電池充電作為供電能源，燈不亮；在晚上，由紅外控和光控來(lái)實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮，人走燈滅的效果。電路具有蓄電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)功能，當(dāng)充電電壓高于電池的最高閾值電壓時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，太陽(yáng)能板不對(duì)蓄電池充電；當(dāng)蓄電池放電兩端電壓接近最低閾值電壓時(shí)，保護(hù)電路使電池不再供電，以此來(lái)保護(hù)電池，延長(zhǎng)其使用壽命。在陰雨天或電池處于過(guò)放狀態(tài)時(shí)，電池不供電，自動(dòng)轉(zhuǎn)為后備電源供電。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；路燈；智能控制系統(tǒng)

0 引言
    自哥本哈根氣候峰會(huì)召開(kāi)以來(lái)，環(huán)保節(jié)能為當(dāng)今世界熱點(diǎn)話題，節(jié)能減排，已不僅是政府的一個(gè)行動(dòng)目標(biāo)，而且還能給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)營(yíng)上的收入，讓城市居民能獲得一個(gè)較好的生存環(huán)境。節(jié)能減排更是一個(gè)人類解決環(huán)境問(wèn)題的必經(jīng)之路。我國(guó)節(jié)電潛力仍很大。在工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)電力電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用及對(duì)風(fēng)機(jī)水泵等電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可取得顯著的節(jié)電效果；在建筑物用電方面，全面實(shí)施建筑物的能效標(biāo)準(zhǔn)，特別是改進(jìn)空調(diào)制冷和取暖技術(shù)和系統(tǒng)的能效，將有巨大的節(jié)電效果。高效照明和提高家庭、辦公用電器的能效也有巨大的節(jié)電潛力。采取多種措施，推動(dòng)節(jié)能節(jié)電不僅可取得好的經(jīng)濟(jì)效果，還可節(jié)約電力建設(shè)投資，減小電力建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。如果在產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整方面加強(qiáng)引導(dǎo)，使我國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)盡快向低能源強(qiáng)度方向轉(zhuǎn)變，同時(shí)加強(qiáng)節(jié)能，全面提高能效，我國(guó)可能以低得多的電力消費(fèi)增長(zhǎng)，達(dá)到GDP翻兩番的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)目標(biāo)，同時(shí)帶來(lái)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益、能源安全等一系列的效果。電力系統(tǒng)要全面開(kāi)展以節(jié)電和負(fù)荷管理為目的的需求側(cè)管理。
    太陽(yáng)能不僅擁有良好的經(jīng)濟(jì)前景，且隨其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，將提供越來(lái)越多的就業(yè)機(jī)會(huì)。因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展前景相當(dāng)廣闊，已經(jīng)引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。
    與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，各種光伏材料的發(fā)展也相對(duì)落后。現(xiàn)有的路燈大多都是市電供電，以太陽(yáng)能作為能源的路燈應(yīng)用不夠廣泛?；谶@一背景，設(shè)計(jì)了一款太陽(yáng)能路燈紅外控制自動(dòng)感應(yīng)照明智能控制系統(tǒng)，除了用太陽(yáng)能供電外，還添加了紅外控制和光控這一其他太陽(yáng)能路燈都沒(méi)有的智能控制系統(tǒng)。作為一種應(yīng)用電子類的智能化方案，期望為高校、政府部門(mén)、街市等各個(gè)公共場(chǎng)所路燈照明設(shè)備的智能化管理和能源節(jié)約提供方便或幫助。

1 系統(tǒng)原理及電路
    太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)主要由電源、蓄電池過(guò)充和過(guò)放保護(hù)電路、紅外控制及光控電路以及燈具組成。
    電源分為電池電源和220 V市電經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)換電路后的穩(wěn)定電源。AC-DC轉(zhuǎn)換電路主要由變壓器及集成穩(wěn)壓管構(gòu)成。蓄電池過(guò)充保護(hù)電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的由穩(wěn)壓二極管、三極管及電阻構(gòu)成的電路，而在太陽(yáng)能板給電池充電時(shí)為防止電池對(duì)太陽(yáng)能板反向充電，需在太陽(yáng)能板和電池之間接一個(gè)二極管。蓄電池過(guò)放保護(hù)電路的主要元件為滯回比較器和繼電器。由滯回比較器來(lái)判斷電池是否達(dá)到過(guò)放狀態(tài)，由繼電器作為選擇開(kāi)關(guān)，來(lái)選擇用電池供電還是后備電源供電(電池在過(guò)充狀態(tài)時(shí)和陰雨天氣時(shí))。紅外控制和光控電路主要組成部分是紅外探頭、數(shù)字電路及光敏電阻，而紅外控制部分可以集成一塊芯片，即BISS001芯片。燈具有照明燈具及演示時(shí)的指示燈。由于設(shè)計(jì)的是草坪燈，照明燈具需要足夠的亮度，可以選用由81個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的現(xiàn)成的燈具。指示燈用簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管即可。
    根據(jù)以上方案，總體框圖如圖1所示。

    此系統(tǒng)有兩點(diǎn)節(jié)能之處：第一，使用太陽(yáng)能電池板發(fā)電作為能源，實(shí)現(xiàn)路燈照明的零損耗；第二，后續(xù)電路中使用光控及紅外控制節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人到燈亮，人走燈滅的效果，同時(shí)在連續(xù)陰雨天氣下，使用后備電源220 V供電，保證電路正常工作。
    白天，光控開(kāi)關(guān)電路處于打開(kāi)狀態(tài)，后續(xù)控制電路不工作，路燈不亮；晚上，光控開(kāi)關(guān)電路自動(dòng)閉合，當(dāng)行人路過(guò)，被紅外探測(cè)器檢測(cè)到，紅外控制開(kāi)關(guān)閉合，路燈亮起，同時(shí)時(shí)延電路啟動(dòng)，數(shù)十秒后路燈自動(dòng)熄滅。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣，太陽(yáng)能蓄電池電壓過(guò)低，達(dá)到低壓控制開(kāi)關(guān)開(kāi)起閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)閉合，電路切換到220 V市電供電，經(jīng)過(guò)AC-DC轉(zhuǎn)換電路，將穩(wěn)定的直流電源輸送至光控開(kāi)關(guān)電路，以實(shí)現(xiàn)取代蓄電池供電的目的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果。
1．1 過(guò)充保護(hù)電路
    為防止電池過(guò)充電，影響電池的使用壽命，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的電池過(guò)放保護(hù)電路。
    原理如圖2所示，圖中的Q1、D2、D1組成保護(hù)電路，其中D1(1N4743)為穩(wěn)壓管二極管(+13．5 V)，D1和D2共同組成三極管Q1的偏置電路。R1是Q1管的限流電阻。電路外接充電器充電時(shí)，如電池的最高閾值電壓在14．4 V左右，在充電初期蓄電池按常規(guī)的欠壓狀態(tài)慢慢上升，當(dāng)電池電壓達(dá)到穩(wěn)壓管D1的擊穿電壓時(shí)，D1管開(kāi)始導(dǎo)通，此時(shí)Q1管也導(dǎo)通，促使A、B端電壓下降，設(shè)置合適的參數(shù)使電池兩端電壓最高值不會(huì)大于14．4 V。在蓄電池已充滿時(shí)保護(hù)電路會(huì)使蓄電池處于涓流充電狀態(tài)，這就使電池具有充電保護(hù)功能。

    當(dāng)電池兩端電壓高于太陽(yáng)能板兩端電壓時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生電池給太陽(yáng)能板反向充電現(xiàn)象。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象，太陽(yáng)能板很有可能被燒壞，造成損失。因而，過(guò)充保護(hù)電路還應(yīng)該包括防反充電路，即在太陽(yáng)能板和電池之間連接一個(gè)二極管來(lái)防止電池對(duì)太陽(yáng)能板反向充電，如圖3所示。

1．2 過(guò)放保護(hù)電路
    該電路原理如圖4所示。圖中Q2使比較器起滯回作用，使比較電路有兩個(gè)門(mén)限電壓：VTHR和VTHL(VTHH>VTHL)，一個(gè)滯回區(qū)。當(dāng)電池電壓從低升高至VTHH時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)電池電壓降低至VTHL時(shí)，比較器輸出低電平。這個(gè)時(shí)候電池端電壓雖然會(huì)迅速升高至VTHL以上，但由于達(dá)不到VTHH，所以，比較器仍然輸出低電平，直到電池被充電后電壓升高至VTHH以上才能再次輸出高電平。這樣就避免了電路的振蕩，保護(hù)了負(fù)載和電池。

    比較器正端反映的是電池的采樣電壓U3，比較器負(fù)端反映的是電池的參考電壓U2。當(dāng)U3>U2時(shí)，比較器輸出高電平，Q1導(dǎo)通，Q1的C極為低電平，Q3截止，負(fù)載不工作；當(dāng)U3<U2時(shí)，比較器輸出低電平，Q1截止，Q1的C極為高電平，Q3導(dǎo)通，負(fù)載工作。電池電壓接近最小閾值電壓時(shí)電池不給負(fù)載供電，只有當(dāng)電池電壓大于最小閾值電壓與滯回電壓的和時(shí)才會(huì)再次給負(fù)載供電。當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，U2= VTHL；當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，Q2則截止，U2=VTHH。圖中Q1、Q3起開(kāi)關(guān)作用。
1．3 后備電源
    在陰雨天太陽(yáng)能電池板無(wú)法將電池充到可工作的狀態(tài)時(shí)，就要用到后備電源給電路供電，后備電源采用的是交一直流轉(zhuǎn)換，將交流電轉(zhuǎn)換到額定的直流電壓值以確保電路正常工作。
1．4 紅外光控控制電路
    該系統(tǒng)采用了BISS0001芯片，它是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)，具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器。該組成部分采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以選用集成芯片BISS0001、三極管8050、光敏電阻和紅外感應(yīng)器來(lái)設(shè)計(jì)。紅外感應(yīng)器把傳感器傳送的紅外信號(hào)處理后反饋到控制端，經(jīng)過(guò)內(nèi)部線性放大，雙向鑒幅，信號(hào)處理，延遲定時(shí)，封鎖定時(shí)等處理。其腳2輸出高電平使三極管8050導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器K吸合，再由繼電器觸點(diǎn)控制相應(yīng)的被控對(duì)象。此處繼電器可換成雙向可控硅。

    圖5中，運(yùn)算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由C3耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。其中，R3為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會(huì)降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Vs。SW1是工作方式選擇開(kāi)關(guān)。當(dāng)SW1與1端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小，原圖選10 k，實(shí)際使用時(shí)可以用3 k，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時(shí)間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，R9／R10可以用470 Ω，C6／C7可以選0．1 V。

2 創(chuàng)新點(diǎn)
    (1)電池過(guò)放保護(hù)系統(tǒng)的電路簡(jiǎn)單，使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器，就可以應(yīng)用到任何電壓等級(jí)的電路中；只需改變電阻值就可以設(shè)置任意的導(dǎo)通和關(guān)斷門(mén)限，從而可以具有一個(gè)較寬的安全范圍。
    (2)在控制系統(tǒng)中照明電源與芯片工作電源分開(kāi)，將蓄電池的電源分路進(jìn)行分別穩(wěn)壓處理，在使用微小功率繼電器自動(dòng)選擇合適電壓，小    電壓供給芯片工作，大電壓供給燈具照明，避免了使用同樣的大電壓供給所產(chǎn)生的功耗的損失。同時(shí)在照明回路中，避免使用功耗較大的三極管做開(kāi)關(guān)，而是使用可控硅。
    (3)設(shè)計(jì)有備用電源，在連續(xù)的極端惡劣天氣下，蓄電池電量用完，得不到及時(shí)充電，可以自動(dòng)開(kāi)啟后備電源，保證路燈正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)城市環(huán)保、照明節(jié)能、緩解常規(guī)能源緊張的情況有積極意義。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行均為自動(dòng)控制，工作原理簡(jiǎn)單，安裝方便，技術(shù)可靠。適用范圍：一方面，在道路、景觀照明以及今后可能推廣的太陽(yáng)能系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)內(nèi)集中采供電應(yīng)用等方面，其技術(shù)和市場(chǎng)很有發(fā)展前景。另一方面，在一些特定場(chǎng)合(海島、景區(qū)山頂、偏遠(yuǎn)地點(diǎn)等)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，包括示范應(yīng)用也有積極意義，所以研究很有意義。