基于太陽(yáng)能LED照明控制系統的處理器設計

作者：時(shí)間：2010-11-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對面交流
  海量資料庫查詢(xún)

摘要: 太陽(yáng)能光伏發(fā)電與白光LED 照明結合構成的照明系統是一個(gè)最優(yōu)的環(huán)保節能照明系統, 是今后的一個(gè)重要發(fā)展方向。在此圍繞著(zhù)太陽(yáng)能與市電互補的LED 照明控制系統, 對其控制器的核心部件處理器進(jìn)行研究。根據系統的實(shí)際構成與應用, 提煉出處理器的設計需求, 進(jìn)而提出一個(gè)精簡(jiǎn)指令集?；诖司?jiǎn)指令集完成了具有5 級流水線(xiàn)的處理器設計,并為處理器添加了必要的外設。最后通過(guò)FPGA 成功實(shí)現了設計功能。本課題的實(shí)現為照明控制系統中控制器的集成化、系統的小型化奠定了設計基礎。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/169152.htm

　　0 引言

　　太陽(yáng)能是一種清潔的綠色能源, 半導體發(fā)光二極管(LED) 也是一種環(huán)保、節能、高效的固態(tài)電光源。將LED 技術(shù)和太陽(yáng)能技術(shù)相結合在一起, 開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能半導體照明, 是最佳的節能、環(huán)保組合, 是新一代能源和新一代光源的完美結合。研究開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能LED 照明技術(shù)將是世界各國政府可持續發(fā)展的戰略決策, 意義重大。

　　本文的研究對象是太陽(yáng)能LED 照明控制系統控制器中的處理器。系統通過(guò)控制器實(shí)現系統工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽(yáng)能電池電源及市電電源的切換控制以及LED 負載半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠處理器的運轉來(lái)實(shí)現上述功能的。

　　1 系統構成

　　太陽(yáng)能LED 照明控制系統主要由太陽(yáng)能電池、蓄電池、系統控制器、LED 照明負載和市電電源5 部分組成, 系統組成原理圖如圖1 所示。系統正常工作時(shí), 由蓄電池向LED 負載供電, 在蓄電池電壓不足時(shí), 由市電( 備用電源) 直接向LED 負載供電, 避免了蓄電池電壓不足時(shí)LED 負載不亮的情況。有了市電作為備用電源, 在設計時(shí)可以適當降低蓄電池的容量, 降低成本。同時(shí)避免了由于利用太陽(yáng)能而導致的市電資源的浪費,達到可靠性和經(jīng)濟性要求。

圖1 太陽(yáng)能LED 照明系統組成原理圖

　　系統工作時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)輻射能轉化為電能, 但是由于太陽(yáng)能電池的輸出受溫度和太陽(yáng)輻射強度影響很大, 輸出功率不穩定, 因而在太陽(yáng)輻射強度足夠大的時(shí)( 白天) 需要利用蓄電池將轉化的電能儲存起來(lái), 以便在需要照明時(shí)( 晚上) 向半導體照明負載供電。在太陽(yáng)能半導體照明系統中, 控制器是其核心部分, 系統工作時(shí)通過(guò)控制器實(shí)現對系統工作狀態(tài)的控制和對蓄電池充放電過(guò)程的管理, 以使系統在不同的工作狀態(tài)下均能穩定可靠地工作。

　　系統各個(gè)組成部分的主要功能如下:

　　( 1) 太陽(yáng)能電池。由許多太陽(yáng)能電池組件串、并聯(lián)而成, 其合成的容量可以是數百峰瓦(Wp) , 也可達數個(gè)兆峰瓦(Wp) 甚至更大, 組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類(lèi)型的太陽(yáng)能電池組成。一般來(lái)說(shuō), 光伏陣列由于多為半導體器件構成, 其伏安特性具有強烈的非線(xiàn)性。

　　( 2) 蓄電池組。蓄電池也稱(chēng)電瓶, 是太陽(yáng)能LED照明系統的關(guān)鍵部分。一般是由一定數量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成, 其容量的選擇應與太陽(yáng)能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲存太陽(yáng)能陣列所產(chǎn)生的電能, 晚上把儲存的能量釋放出來(lái),供負載照明使用。它的最佳充電電流和放電電流, 一般按10 h 充、放電率計算。

　　由于蓄電池對電壓的波動(dòng)具有/ 緩沖0作用, 還可使得負載系統的運行更加平穩可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn), 但若使用不當, 很容易加速蓄電池的老化, 使蓄電池的壽命急劇縮短, 造成系統運行成本的增加, 充、放電電流過(guò)大都會(huì )對電瓶的壽命有一定的影響。因此對蓄電池的充放電進(jìn)行合理規劃和控制是光伏充電系統中必不可少的環(huán)節。

　　( 3) 控制器?？刂破鞯淖饔檬菍μ?yáng)能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED 負載進(jìn)行總體監控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓, 同時(shí)保護蓄電池, 避免過(guò)充電和過(guò)放電現象的發(fā)生。需要時(shí)完成太陽(yáng)能電池和市電2 個(gè)電源之間的轉換, 保證LED 負載穩定可靠的工作。

　　以處理器為核心的控制器結構可以給系統帶來(lái)極大的可配置型, 增強系統的應用范圍。

　　( 4) LED 照明光源。半導體LED 照明光源是系統的重要組成部分。LED 應保證亮度高, 亮度輻射范圍大且均勻, 所使用的白光LED 數量少?？刂破髦械呢撦d控制策略和LED 驅動(dòng)電路的設計直接決定了系統的照明效果。因此, 需要根據LED 響應速度快和低壓直流驅動(dòng)等特性, 選擇合適的驅動(dòng)方案及控制策略, 實(shí)現與蓄電池電壓的匹配, 以充分發(fā)揮LED 照明的優(yōu)點(diǎn)。

　　( 5) 市電電源。在出現陰雨天時(shí), 蓄電池不能及時(shí)充電, 出現蓄電池電壓不足, 不能正常向負載供電時(shí), 由開(kāi)關(guān)電源將220 V 交流市電變換成低壓直流電, 供LED 負載使用?？刂破飨到y設計中為市電電源提供了一個(gè)低壓直流電輸入接口。

　　2 處理器需求分析

　　控制器是系統的核心部分, 系統工作過(guò)程通過(guò)它進(jìn)行管理和控制。系統通過(guò)控制器實(shí)現系統工作狀態(tài)的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽(yáng)能電池電源及市電電源的切換控制以及LED 負載半功率控制等主要功能。而處理器又是控制器的核心。其負責根據程序指揮控制器中元器件實(shí)現控制器的上述功能。

　　在此設計的太陽(yáng)能LED 照明控制系統供街道和住宅小區照明使用, 設計控制器中的處理器具有如下功能:

　　( 1) 支持5 V 直流系統工作電壓;

　　( 2) 可提供輸出接口, 控制狀態(tài)指示燈或顯示屏指示工作狀態(tài);

　　( 3) 可提供輸入接口, 接受外部按鍵輸入;

　　( 4) 可控制大功率MOS 管支持最大至9 A 的充放電電流;

　　( 5) 可提供直流、脈沖兩種充電方式的控制;

　　( 6) 可精確計時(shí)以提供深夜使半導體照明燈具亮度減半的功能;

　　( 7) 可接收一路A/ D 轉換器指示, 能檢測蓄電池的電壓, 對蓄電池的充、放電過(guò)程進(jìn)行控制, 并當蓄電池電量不足時(shí), 自動(dòng)切換到市電電源供電;

　　( 8) 可接收另一路A/ D 轉換器指示, 能檢測太陽(yáng)能電池的電壓, 自動(dòng)轉換工作模式;

　　( 9) 可提供運算指令以計算各輸入信號關(guān)系判斷系統運行轉態(tài);

　　( 10) 可提供跳轉指令以使控制器在各狀態(tài)間切換;

　　( 11) 可暫存狀態(tài)標志, 以供處理器智能判斷狀態(tài);