太陽能LED庭院燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

酈文忠，李常杰，張 寧

(成都理工大學工程技術(shù)學院，四川 樂山 614000)

引言

隨著人們對光照環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，綠色環(huán)保、節(jié)能高效的照明越來越受重視。太陽能是被看好的清潔可再生能源[1]，同時LED照明因具有節(jié)能環(huán)保、性能好、耐用等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外照明領(lǐng)域。而太陽能與LED照明結(jié)合的代表性產(chǎn)物——太陽能LED路燈的設(shè)計與應(yīng)用也得到了業(yè)界人士的高度關(guān)注[2-6]。

為了充分結(jié)合與發(fā)揮太陽能和LED照明的優(yōu)勢，擴大太陽能LED燈的應(yīng)用領(lǐng)域，我們設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)新穎獨特的市電互補聚光型太陽能LED庭院燈。該太陽能LED庭院燈燈桿作為支撐體，穿過頂部太陽能電池板的中間，LED燈安裝于太陽能電池板的背部，LED燈靠近燈桿的內(nèi)側(cè)區(qū)域安裝有反光結(jié)構(gòu)進行聚光。該庭院燈可應(yīng)用于公園、社區(qū)、步行街等公共場所的休息娛樂亭、售賣亭、服務(wù)站等場地，通過智能控制系統(tǒng)的管理控制提供了一種穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保、綠色健康的照明供電方案。

1 太陽能LED庭院燈的系統(tǒng)構(gòu)成

該庭院燈的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1、圖2所示。其中的關(guān)鍵是智能控制系統(tǒng)，其性能直接決定著整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。該智能控制系統(tǒng)的具體功能包括：根據(jù)蓄電池特性和環(huán)境溫度等參數(shù)，對蓄電池進行精確的充放電管理和保護；根據(jù)天氣狀況和蓄電池狀態(tài)，實時選擇和切換最佳供電方式，充分利用太陽能，降低系統(tǒng)投資成本，保障系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行；實時采集外界光照情況，并結(jié)合聚光結(jié)構(gòu)，精確計算和調(diào)整LED燈的亮度，在充分滿足照明需求的前提下，最大程度地追求節(jié)能環(huán)保。

圖1 市電互補聚光型太陽能LED庭院燈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of solar LED yard lamp

圖2 市電互補聚光型太陽能LED庭院燈系統(tǒng)Fig.2 System of solar LED yard lamp

2 智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該智能控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示，主要由太陽能市電互補供電和智能化LED驅(qū)動兩部分組成。

圖3 智能控制系統(tǒng)的硬件框圖Fig.3 Hardware of intelligent control system

1)太陽能市電互補供電部分。該庭院燈以太陽能發(fā)電為主，以市電供電為輔：在天氣晴朗日照充足的情況下，白天太陽能電池充分發(fā)電同時為蓄電池充電，夜晚蓄電池向LED燈供電；在陰雨天太陽能電池停止發(fā)電，蓄電池蓄電不足時，切換到市電供電。采用這樣的太陽能市電互補供電方式，可以在充分利用太陽能的前提下，保障系統(tǒng)在持續(xù)陰雨等各種惡劣天氣下正常穩(wěn)定運行，又能有效減小光伏組件和蓄電池的容量。既有明顯的節(jié)能減排效果，又能減小系統(tǒng)的一次性投資成本，是太陽能LED庭院燈照明目前推廣普及的有效方式。

太陽能市電互補供電部分包括太陽能電池、蓄電池、市電系統(tǒng)以及對應(yīng)的電壓電流采集電路、充放電控制電路和供電切換電路。電壓電流采集電路讀取太陽能電池電壓、蓄電池電壓等控制參數(shù)，充放電控制電路實現(xiàn)太陽能電池對蓄電池的充放電管理、控制和保護，供電切換電路根據(jù)不同情況實現(xiàn)蓄電池供電和市電供電的切換。

2)智能化LED驅(qū)動部分。智能化驅(qū)動部分主要包括光敏傳感器、PWM控制部分、LED恒流驅(qū)動電路。

該聚光型LED庭院燈能夠根據(jù)外界光照情況的變化實時調(diào)整亮度，在滿足照明區(qū)域照明需求的前提下，最大程度地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。LED燈亮度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)整LED恒流驅(qū)動電路的輸出電流的大小來實現(xiàn)的；LED通斷好控制，半導通難以控制，且發(fā)光效率低、發(fā)熱高，不利于正常工作，因此本系統(tǒng)利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光原理，采用PWM方式調(diào)節(jié)驅(qū)動電流大小，從而調(diào)節(jié)LED燈的亮度。PWM調(diào)光原理基于視覺殘留效應(yīng)，用全亮度的頻率調(diào)節(jié)替代全時段的亮度調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)，這是由于對于LED而言，通斷好控制，半導通難以控制且發(fā)光效率低。系統(tǒng)根據(jù)外界光照強度劃分為6個照明等級(對應(yīng)PWM波占空比0、20%、40%、60%、80%、100%)調(diào)節(jié)LED燈亮度，環(huán)境光線越暗，照明等級越高，LED燈越亮。智能控制系統(tǒng)的微處理器采集環(huán)境光強，結(jié)合聚光光學結(jié)構(gòu)，精確計算出對應(yīng)的照明等級，輸出對應(yīng)占空比的PWM波，實現(xiàn)對LED燈亮度的智能控制。

3 智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該智能控制系統(tǒng)在完成初始化和自檢后，讀取各種相關(guān)參數(shù)，然后進入工作模式判斷程序，根據(jù)判斷結(jié)果分別進入充電處理程序或供電處理程序。

1)工作模式判斷程序。工作模式的判斷可以通過太陽能電池兩端的電壓來判斷，也可以通過光敏傳感器信號判斷。根據(jù)太陽能電池電壓判斷的工作模式判斷程序如圖4所示。

圖4 工作模式判斷程序Fig.4 Judgement process of working mode

2)充電處理程序。充電處理程序如圖5所示。進入充電處理程序后，先關(guān)閉LED庭院燈，然后采集環(huán)境溫度、蓄電池電壓和太陽能電池電壓，再根據(jù)溫度補償系數(shù)和環(huán)境溫度計算蓄電池過充保護電壓和浮充電壓，然后由大小關(guān)系決定是否執(zhí)行充電程序；若需要進行充電，則根據(jù)浮充電壓決定是進行直充、浮充還是過充保護。

圖5 充電處理程序Fig.5 Dealing process of charging

圖6 供電處理程序Fig.6 Dealing process of power supplying

3)供電處理程序。供電處理程序如圖6所示，進入供電處理程序后，首先判斷開燈延遲時間是否已到，若未到，則等待直到開燈延遲時間到；若開燈延遲時間到，則采集環(huán)境溫度、蓄電池電壓、環(huán)境光照情況，根據(jù)溫度補償系數(shù)和環(huán)境溫度計算得到蓄電池過放電保護電壓，再根據(jù)采集到的蓄電池電壓決定系統(tǒng)應(yīng)該采用的供電方式(蓄電池供電，或者蓄電池過放電保護、切換至市電供電)，然后開啟LED庭院燈，并根據(jù)環(huán)境光照情況決定照明等級，由照明等級控制PWM波占空比，調(diào)節(jié)恒流驅(qū)動電路的輸出電流，最終調(diào)節(jié)LED庭院燈的照明亮度。LED庭院燈開啟后又要判斷關(guān)燈時間是否已到，若關(guān)燈時間到，則關(guān)閉LED庭院燈。

4 結(jié)束語

我們設(shè)計的市電互補聚光型太陽能LED庭院燈智能控制系統(tǒng)具有太陽能市電互補供電功能，能自行切換供電方式，保障系統(tǒng)在復雜惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠運行，降低系統(tǒng)的一次性投資成本；其還具有智能照明功能，能根據(jù)外界環(huán)境光照強度的變化，實時精確地調(diào)節(jié)LED燈的亮度，最大程度地實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。該智能控制器應(yīng)用于現(xiàn)有庭院燈的改造，可以保持原有市電供電線路不變，加裝太陽能電池板和更換LED燈具即可完成，大大減少投資，節(jié)能環(huán)保效果顯著，具有較高的應(yīng)用價值。