詳解實(shí)時(shí)追光自感應LED路燈系統設計原理

實(shí)時(shí)追光自感應路燈系統使用新能源又節約了電能。太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受關(guān)注，設計通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電，運用于路燈節能照明。路燈系統與市電互聯(lián)，且有空氣質(zhì)量檢測以及天氣情況檢測。大多學(xué)校雖然已采用節能燈，但并沒(méi)有真正意義上將其節能的使用，智能控制可以幫助節能燈實(shí)現真正的節能。此系統雖為校園設計，亦可擴展到工廠(chǎng)、小區等地。

　　2.系統設計

　　2.1 設計思路

　　自發(fā)電節能路燈設計了太陽(yáng)能發(fā)電裝置儲存電能給系統供電，并與市電互通。白天時(shí)，路燈處于熄滅狀態(tài)；晚上時(shí)，燈微亮，檢測有人通過(guò)時(shí)，燈變亮，當人遠離路燈時(shí)，亮度慢慢減弱。

　　系統增加了溫、濕度、煙霧、風(fēng)向、風(fēng)速、雨感等檢測功能，另外檢測出當前蓄電池的電壓、電流、溫度值，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設備實(shí)現信息共享，方便人們了解外界環(huán)境情況和系統的工作狀況。

　　2.2 系統模塊方案設計

　　以Atmegal6作為控制核心，其內部含有多路AD轉換，運算速度快，符合方案設計要求。

　　太陽(yáng)能板控制：經(jīng)過(guò)多次試驗與計算得到了不同季節里每隔半小時(shí)太陽(yáng)轉過(guò)的角度，單片機以此控制步進(jìn)電機轉動(dòng)角度，從而使太陽(yáng)能板始終正對著(zhù)太陽(yáng)光。夜色降臨時(shí)，太陽(yáng)能板自動(dòng)復位。

　　簡(jiǎn)單氣象監測功能：采用溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、雨感傳感器對周邊環(huán)境的氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，然后由無(wú)線(xiàn)設備將信息傳送至信息中心。

　　路燈保護及檢測功能：用AD采集系統的電壓、電流值，控制器通過(guò)這些值實(shí)時(shí)監測系統的工作狀況，一有過(guò)流現象，斷開(kāi)電源，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)設備報警。

　　電源切換功能：系統會(huì )對總電量實(shí)時(shí)進(jìn)行監測，若總電量低于設定值，控制器會(huì )自動(dòng)將電源切換至市電，維持系統正常工作。

　　3.理論分析與計算

　　3.1 太陽(yáng)能板追光與引導原理

　　對合肥地區6-18點(diǎn)的路燈(高3米)影子的觀(guān)察，計算得出每半個(gè)小時(shí)太陽(yáng)的位置。太陽(yáng)能板工作時(shí)為四組蓄電池充電，保證了在長(cháng)時(shí)間沒(méi)有太陽(yáng)光的情況下，系統仍然能正常的工作。由于季節不同太陽(yáng)光的位置和強度不同，所以每個(gè)季節要適時(shí)改變太陽(yáng)能板的位置，即改變太陽(yáng)能板與地面的夾角，以達到最大的吸收光能的效果。

　　3.2 蓄電池和太陽(yáng)能電池板板的配備原理

　　設蓄電池容量為CB，太陽(yáng)能電池板需求峰值為WP，太陽(yáng)能板工作電壓為VS，每日實(shí)際放電時(shí)間為hd，連續陰雨天數為Dr，實(shí)際路燈的功率為WB，系統電壓為VB，當地日光照時(shí)間為hr?？紤]到20%的裕量以及20%的損耗，則蓄電池的容量為：

　　太陽(yáng)能電池板的功率為：

　　以10W的LED燈配置為例，系統電壓為12V。當地日均有效光照以3h計算，每日放電時(shí)間10小時(shí)(以晚7點(diǎn)到晨5點(diǎn)為例)，通過(guò)控制器夜間分時(shí)段調節LED燈的功率，實(shí)際按每日放電6小時(shí)計算(凌晨亮度降低)。滿(mǎn)足連續陰雨天7 天( 另加陰雨前一夜的用電，計8天)。電流I＝10W÷12V＝0.8333A，蓄電池容量W＝I×6h×8d，即W=40AH?？紤]到蓄電池充、放電預留20%容量，路燈的實(shí)際電流在1A以上(加20%損耗，包括恒流源、線(xiàn)損等)，實(shí)際蓄電池需求40AH加20%預留容量，再加20%損耗，計算后得到實(shí)際蓄電池容量為57.6AH。所以實(shí)際蓄電池為12V/60AH，故需要四組12V/15AH的蓄電池。

　　以每日放電時(shí)間10小時(shí)為例，調功后實(shí)際按6小時(shí)計算(調功同上蓄電池)?？紤]到電池板預留最少20%電量，當地有效光照以日均3h計算：WP÷18V＝(I×6h×120%)÷3h，WP＝36W(電池板實(shí)際需求峰值)。然而由于實(shí)際恒流源損耗、線(xiàn)損等綜合因素，損耗在20%左右，電池板實(shí)際需求峰值：

　　WP=36W×120%=43.2W

　　所以實(shí)際電池板需18V/45W，故需要18V電池板兩塊。

　　4.硬件設計

　　4.1 太陽(yáng)能電池板升降壓電路

　　由于所選的蓄電池充電的時(shí)候僅需要14V的電壓，所以需要一個(gè)變壓電路來(lái)使電壓達到14V。因此，我們采用EK8003芯片，這款芯片為同步升降壓芯片，可通過(guò)輸出PWM波來(lái)控制輸出電壓，使之穩定。

　　4.2 太陽(yáng)能充電設計

　　采用芯片UC3906控制蓄電池充電，該芯片內含獨立的限流放大器和電壓控制回路，片內的驅動(dòng)器可控。驅動(dòng)器輸出電流可達25mA，能夠直接驅動(dòng)外部串聯(lián)調整管，以調整充電電路的輸出電流和電壓。

　　當電池電壓或溫度較低時(shí)，充電使能比較器可控制充電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)。當驅動(dòng)器截止時(shí)，該比較器還能輸出25mA涓流充電電流。這樣，當電池短路或反接時(shí)，充電器只能以小電流充電，從而避免了因充電電流過(guò)大而損壞電池。

　　4.3 驅動(dòng)的設計

　　4.3.1 燈驅動(dòng)設計

　　路燈啟動(dòng)時(shí)，需要控制燈的亮度，所以系統需要一個(gè)LED燈驅動(dòng)電源來(lái)控制路燈的亮度，基于此采用芯片PT4115。該芯片具有高達5000：1的PWM調光比等特點(diǎn)，給芯片輸入不同占空比的PWM波實(shí)現調光。

　　4.3.2 電機驅動(dòng)電路

　　太陽(yáng)能電池板的轉動(dòng)由步進(jìn)電機驅動(dòng)，而步進(jìn)電機驅動(dòng)電路采用L298N電機驅動(dòng)芯片。單個(gè)芯片可驅動(dòng)四相的步進(jìn)電機，電路設計簡(jiǎn)單。

　　4.4 數據采集與處理

　　溫濕度檢測電路采用SHT10傳感器，該傳感器包括一個(gè)測濕敏感元件和一個(gè)測溫元件，并接有14位的A/D轉換器以及串行接口電路，抗干擾能力強。電流檢測采用CSM006NPT霍爾電流傳感器，電壓檢測采用單片機內部的AD檢測。

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路采用nRF905模塊，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統設計。

　　5.軟件設計

　　程序開(kāi)始時(shí)判斷是否為夜晚，若不是，則進(jìn)行太陽(yáng)能板面向太陽(yáng)的控制，根據當時(shí)的時(shí)間調整太陽(yáng)能板的大體位置，再根據光強微調太陽(yáng)能電池板，對準后一段時(shí)間后(預設半個(gè)小時(shí))重新校準，接著(zhù)進(jìn)行充電控制；否則進(jìn)行行人檢測，若有行人，則將燈光調制最大亮度，人遠離后漸漸變暗，若沒(méi)有行人，則保持較暗的燈光。緊接著(zhù)就是過(guò)流保護，若系統過(guò)流，則切斷電源，無(wú)線(xiàn)發(fā)射通知信息進(jìn)行報修，若沒(méi)有過(guò)流，將進(jìn)行傳感器的信息采集，并判斷信息的變化是否大于預設值，若大于，將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射出去，否則返回是否為夜晚的判斷。

　　6.結束語(yǔ)

　　實(shí)時(shí)追光自感應路燈系統旨在使太陽(yáng)能板始終面向太陽(yáng)，儲存更多的太陽(yáng)能。路燈自動(dòng)檢測周?chē)腥?，智能調節燈光的亮度，路燈上面配備監測天氣信息的多種傳感器，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸實(shí)現信息的共享，方便人們的生活。整個(gè)系統圍繞新能源利用及節能開(kāi)展，在保證必要照明的同時(shí)，有效的節省了不必要的能源開(kāi)支。使用太陽(yáng)能，自給自足的“生存”，具有良好的經(jīng)濟效益及社會(huì )價(jià)值。