太陽(yáng)能智能草坪燈的設(shè)計(jì)

摘要：本文研究了一款基于太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與模糊控制算法的太陽(yáng)能草坪燈控制系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池作為能源，利用傳感器采集周圍環(huán)境信息，單片機(jī)通過(guò)模糊算法分析環(huán)境信息控制草坪燈的開(kāi)閉以及亮度調(diào)節(jié)。主要討論了太陽(yáng)能充電部分的管理電路原理與系統(tǒng)決策中的模糊控制算法。為太陽(yáng)能草坪燈的設(shè)計(jì)提供了一種新方案，同時(shí)為路燈控制系統(tǒng)提供了思路。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；電源管理；模糊控制；草坪燈

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

引 言

草坪燈被廣泛應(yīng)用于城市中的公共場(chǎng)所，起到照明、裝飾的作用。傳統(tǒng)草坪燈主要分兩種，一種是通過(guò)晶閘管斬波來(lái)降低輸出電壓平均值調(diào)節(jié)燈的亮度，但輸出電壓不再是正弦波且伴隨有大量諧波，不能用在有電容補(bǔ)償?shù)碾娐罚涣硪环N是調(diào)節(jié)自耦變壓器抽頭，不適合用于頻繁切換且伴有“閃斷”現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)利用太陽(yáng)能光伏電池和發(fā)光二極管同為直流電、電壓低，并且能相互匹配的優(yōu)勢(shì)，采用光伏發(fā)電技術(shù)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)LED照明，且太陽(yáng)能草坪燈環(huán)保無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)需架設(shè)專門線路，安裝方便。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由電源部分、控制部分和光源部分構(gòu)成。其中電源部分由太陽(yáng)能電池板、電源管理模塊及鋰電池構(gòu)成。電池板將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能，送往鋰電池中儲(chǔ)存起來(lái)，用以推動(dòng)負(fù)載工作。電源管理模塊可控制鋰電池充電電流。控制部分由單片機(jī)、傳感器組成，通過(guò)對(duì)光信號(hào)的采集和判斷控制光源部分的開(kāi)、關(guān)。系統(tǒng)框圖如圖1-1所示

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電源部分

鋰電池是系統(tǒng)中必不可少的電能存儲(chǔ)器件，其充放電程度會(huì)影響電池壽命。而太陽(yáng)能電池板的電壓受光照影響，光照強(qiáng)時(shí)電壓高，光照弱時(shí)電壓低。因而為提高電源穩(wěn)定性與可靠性需要對(duì)鋰電池的充放電進(jìn)行管理。[1、2]

CN3063是專門為太陽(yáng)能電池板等輸出電流能力有限的輸入電壓源對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理的芯片。芯片根據(jù)輸入電壓源電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，達(dá)到弱光小電流充電目的。保證合理穩(wěn)定的充電電壓和小電流充電，防止出現(xiàn)過(guò)沖過(guò)放現(xiàn)象。充電過(guò)程如圖2-1，電路圖如圖2-2所示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，各模塊都需要單片機(jī)做為控制器。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收光照檢測(cè)模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷做出決策，決定是否開(kāi)啟草坪燈。

所選用的單片機(jī)是MSP430G2553，電源電壓3V，待機(jī)電流小于1uV，活動(dòng)模式耗電250uA/MIPS。是一種低壓、超低功耗、高性能CMOS16位單片機(jī)。支持在線編程，可基本滿足編寫(xiě)程序的需要；集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)，具有極高的性價(jià)比；內(nèi)部自帶的16位AD和DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，使太陽(yáng)能草坪燈系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比。

3. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波就是通過(guò)一定的算法利用程序從干擾信號(hào)中提取有用信號(hào)，因此數(shù)字濾波實(shí)際上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波不需要增加額外設(shè)備、可靠性高、便于集成且使用起來(lái)方便靈活[3]。

當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾而引起信號(hào)失真時(shí)，可采用程序判斷濾波。程序判斷濾波算法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定出兩次兩次采樣值可能出現(xiàn)的最大偏差 ，如果偏差值超過(guò)此差值，則表明該采樣值是干擾信號(hào)，用上次值代替本次值。其算法為：

其中Yn為第n次采樣； 為兩次采樣值可能出現(xiàn)的最大偏差，其大小取決于采樣周期和Y值變化范圍，由具體情況決定。此算法關(guān)鍵是 值選取， 值太大，干擾無(wú)法濾除， 值太小，有用信號(hào)也會(huì)被部分濾除。

算數(shù)平均濾波法是在連續(xù)采樣n次后把采樣的算術(shù)平均值作為本次采樣值。式中Y為濾波輸出，Xi為第i次采樣值。此方法可使信號(hào)平滑，n應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)具體情況選取。算術(shù)平均濾波對(duì)周期性干擾消除效果良好，對(duì)脈沖性干擾抑制效果不好。

算法算式為

對(duì)于變化較慢的光照信號(hào)采用程序判斷濾波方法，而由于紅外信號(hào)變化較快，采用算術(shù)平均濾波方法以滿足系統(tǒng)要求。

3.2 模糊控制決策

要執(zhí)行模糊控制，在單片機(jī)中就必須以一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些模糊控制算法的目的是在非線性系統(tǒng)中通過(guò)模糊推理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的精確控制值。模糊算法有多種實(shí)現(xiàn)方式，常用的方法有關(guān)系矩陣法、查表法、解析公式法、強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法和后建函數(shù)法等。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用查表法實(shí)現(xiàn)模糊控制。具體做法是將查詢表存放入單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)采樣值和論域變換得到與其對(duì)應(yīng)的論域元素，之后在控制表中得出控制量，達(dá)到預(yù)期控制的目的。圖3-1為模糊控制系統(tǒng)的框圖。

模糊控制算法的基本思路是：根據(jù)模糊控制的要求，對(duì)輸入量的偏差E和偏差變化率EC進(jìn)行模糊化處理，將E和EC變換為模糊集合中對(duì)應(yīng)的論域值M、N，根據(jù)M、N的值，查模糊控制響應(yīng)表，得出輸出控制量，由于本系統(tǒng)的特殊性，輸出控制量為照明設(shè)備的狀態(tài)有三種：保持原狀態(tài)、從關(guān)閉到打開(kāi)、從打開(kāi)到關(guān)閉[5] 。

系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，根據(jù)濾波處理后的數(shù)據(jù)與標(biāo)定的光強(qiáng)值比較，求出偏差E以及偏差的變化率EC。考慮到環(huán)境光強(qiáng)的變化特點(diǎn)和控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，我們選取10分鐘為采集數(shù)據(jù)的單位時(shí)間。系統(tǒng)工作流程圖如圖3-2所示：

4. 總結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高使用清潔能源屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品，相對(duì)于其他太陽(yáng)能草坪燈，本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用模糊控制，控制靈活，發(fā)光二極管無(wú)閃爍現(xiàn)象。且采用低功耗設(shè)計(jì)，提高了燈具在連續(xù)陰雨天氣的使用時(shí)間。

但是系統(tǒng)還存在一些需要改進(jìn)的地方，由于太陽(yáng)能電池板的充電電流受面積的直接影響，鋰電池自身容量與使用壽命受限，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法在連續(xù)陰雨天氣長(zhǎng)期使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 凌朝東， 楊靜， 梁愛(ài)梅， 等. 一種低壓太陽(yáng)能LED草坪燈驅(qū)動(dòng)控制基礎(chǔ)電路設(shè)計(jì)[J]. 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2011年4月， 16（2）：108-109

[2] 楊靜， 凌朝東， 梁愛(ài)梅. 低壓太陽(yáng)能草坪燈驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011年9月， 32（5）：516-517

[3] 將肖肖.路燈照明智能控制系統(tǒng)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014

[4] 劉蘇敏.智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007：35-37

[5] 張豪.基于單片機(jī)的模糊控制在節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[D].無(wú)錫：江南大學(xué)，2007：25-26

作者簡(jiǎn)介：邢晨，研究方向：智能檢測(cè)與控制，郵箱：xingchenneau@163.com