太陽能智能草坪燈的設計

摘要：本文研究了一款基于太陽能發電技術與模糊控制算法的太陽能草坪燈控制系統，闡述了系統的工作原理并詳細介紹了系統的硬件結構與軟件設計。此系統采用太陽能電池作為能源，利用傳感器采集周圍環境信息，單片機通過模糊算法分析環境信息控制草坪燈的開閉以及亮度調節。主要討論了太陽能充電部分的管理電路原理與系統決策中的模糊控制算法。為太陽能草坪燈的設計提供了一種新方案，同時為路燈控制系統提供了思路。

關鍵詞：太陽能；電源管理；模糊控制；草坪燈

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

引 言

草坪燈被廣泛應用于城市中的公共場所，起到照明、裝飾的作用。傳統草坪燈主要分兩種，一種是通過晶閘管斬波來降低輸出電壓平均值調節燈的亮度，但輸出電壓不再是正弦波且伴隨有大量諧波，不能用在有電容補償的電路；另一種是調節自耦變壓器抽頭，不適合用于頻繁切換且伴有“閃斷”現象。本設計利用太陽能光伏電池和發光二極管同為直流電、電壓低，并且能相互匹配的優勢，采用光伏發電技術把太陽能轉換為電能驅動LED照明，且太陽能草坪燈環保無污染、使用壽命長、無需架設專門線路，安裝方便。

1. 系統總體設計

系統由電源部分、控制部分和光源部分構成。其中電源部分由太陽能電池板、電源管理模塊及鋰電池構成。電池板將太陽的光能轉換為電能，送往鋰電池中儲存起來，用以推動負載工作。電源管理模塊可控制鋰電池充電電流。控制部分由單片機、傳感器組成，通過對光信號的采集和判斷控制光源部分的開、關。系統框圖如圖1-1所示

2. 系統硬件設計

2.1 太陽能電源部分

鋰電池是系統中必不可少的電能存儲器件，其充放電程度會影響電池壽命。而太陽能電池板的電壓受光照影響，光照強時電壓高，光照弱時電壓低。因而為提高電源穩定性與可靠性需要對鋰電池的充放電進行管理。[1、2]

CN3063是專門為太陽能電池板等輸出電流能力有限的輸入電壓源對鋰電池進行充電管理的芯片。芯片根據輸入電壓源電流輸出能力自動調整充電電流，達到弱光小電流充電目的。保證合理穩定的充電電壓和小電流充電，防止出現過沖過放現象。充電過程如圖2-1，電路圖如圖2-2所示。

2.2 控制系統硬件設計

在本系統中，各模塊都需要單片機做為控制器。單片機負責接收光照檢測模塊發出的數據，對數據進行處理、判斷做出決策，決定是否開啟草坪燈。

所選用的單片機是MSP430G2553，電源電壓3V，待機電流小于1uV，活動模式耗電250uA/MIPS。是一種低壓、超低功耗、高性能CMOS16位單片機。支持在線編程，可基本滿足編寫程序的需要；集成度高、體積小、可靠性強，具有極高的性價比；內部自帶的16位AD和DMA進行數據的采集和傳輸，使太陽能草坪燈系統具有更高的性價比。

3. 控制系統軟件設計

3.1 數字濾波

數字濾波就是通過一定的算法利用程序從干擾信號中提取有用信號，因此數字濾波實際上是一種程序濾波。數字濾波不需要增加額外設備、可靠性高、便于集成且使用起來方便靈活[3]。

當采樣信號由于隨機干擾而引起信號失真時，可采用程序判斷濾波。程序判斷濾波算法是根據經驗，確定出兩次兩次采樣值可能出現的最大偏差 ，如果偏差值超過此差值，則表明該采樣值是干擾信號，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。此算法關鍵是 值選取， 值太大，干擾無法濾除， 值太小，有用信號也會被部分濾除。

算數平均濾波法是在連續采樣n次后把采樣的算術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。此方法可使信號平滑，n應根據系統具體情況選取。算術平均濾波對周期性干擾消除效果良好，對脈沖性干擾抑制效果不好。

算法算式為

對于變化較慢的光照信號采用程序判斷濾波方法，而由于紅外信號變化較快，采用算術平均濾波方法以滿足系統要求。

3.2 模糊控制決策

要執行模糊控制，在單片機中就必須以一定的算法來實現，這些模糊控制算法的目的是在非線性系統中通過模糊推理，實現相應的精確控制值。模糊算法有多種實現方式，常用的方法有關系矩陣法、查表法、解析公式法、強度轉移法和后建函數法等。實際應用中，通常采用查表法實現模糊控制。具體做法是將查詢表存放入單片機中，單片機根據采樣值和論域變換得到與其對應的論域元素，之后在控制表中得出控制量，達到預期控制的目的。圖3-1為模糊控制系統的框圖。

模糊控制算法的基本思路是：根據模糊控制的要求，對輸入量的偏差E和偏差變化率EC進行模糊化處理，將E和EC變換為模糊集合中對應的論域值M、N，根據M、N的值，查模糊控制響應表，得出輸出控制量，由于本系統的特殊性，輸出控制量為照明設備的狀態有三種：保持原狀態、從關閉到打開、從打開到關閉[5] 。

系統通過傳感器采集當前環境的光照強度，首先對采集到的數據進行數字濾波，根據濾波處理后的數據與標定的光強值比較，求出偏差E以及偏差的變化率EC。考慮到環境光強的變化特點和控制系統的實際情況，我們選取10分鐘為采集數據的單位時間。系統工作流程圖如圖3-2所示：

4. 總結

本系統設計簡單、可靠性高使用清潔能源屬于綠色環保產品，相對于其他太陽能草坪燈，本設計控制系統采用模糊控制，控制靈活，發光二極管無閃爍現象。且采用低功耗設計，提高了燈具在連續陰雨天氣的使用時間。

但是系統還存在一些需要改進的地方，由于太陽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，導致系統無法在連續陰雨天氣長期使用。

參考文獻

[1] 凌朝東， 楊靜， 梁愛梅， 等. 一種低壓太陽能LED草坪燈驅動控制基礎電路設計[J]. 電路與系統學報， 2011年4月， 16（2）：108-109

[2] 楊靜， 凌朝東， 梁愛梅. 低壓太陽能草坪燈驅動控制器的設計與仿真[J]. 華僑大學學報（自然科學版）， 2011年9月， 32（5）：516-517

[3] 將肖肖.路燈照明智能控制系統[D].鄭州：鄭州大學，2014

[4] 劉蘇敏.智能路燈節能控制系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2007：35-37

[5] 張豪.基于單片機的模糊控制在節水灌溉控制系統中的實現[D].無錫：江南大學，2007：25-26

作者簡介：邢晨，研究方向：智能檢測與控制，郵箱：xingchenneau@163.com