發(fā)布時間:2018/9/25 16:19:08 來源:本站
1.1 系統(tǒng)總體框架
本文設(shè)計的太陽能LED路燈系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、蓄電池充放電控制器、時間和紅外控制器、LED路燈負載等部分組成.其工作原理為白天通過太陽能電池組件采集太陽能,并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池里;天黑時由蓄電池提供電源供控制器和光源負載使用.系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示.
圖1 系統(tǒng)總體框架圖
1.2 太陽能電池板的選擇
蘇中地區(qū)的年總輻射量是4 200~5 400 MJ/m2,南通地區(qū)年日照時長為662~1 287 h.負載年消耗為
式中:V = 12 V為工作電壓;I = 0.5 A為系統(tǒng)的工作電流;T為負載的工作時間,一年日照時數(shù)tmin= 662 h,tmax= 1 287 h,T = 2 920 h;K = 0.6(K包含充電效率、太陽能電池板臟污系數(shù)、電池板溫度補償系數(shù)、并聯(lián)接線損失系數(shù)、最佳輸出補正系數(shù)、蓄電池放電效率、驅(qū)動效率、線損等).
負載功率為
由此選擇一個45 W的多晶硅太陽能板組件作為本系統(tǒng)發(fā)電源.
1.3 蓄電池的選擇
南通東臨黃海,南靠長江,與蘇州,上海相對.地理坐標(biāo)為:東經(jīng)120.86北緯32.01.負載的工作時間設(shè)為8 h,按照1.2節(jié)所選的LED燈具,電壓12 V,電流0.5 A,蓄電池容量如下:
式中:D是連續(xù)陰雨天氣的天數(shù).通常情形下,南通地區(qū)的陰雨天數(shù)不會連續(xù)超過3天.若D選4,需要增大蓄電池的容量,成本提高;若D選2,不能滿足本地區(qū)的需求,綜合以上因素,D選為3.1.1為蓄電池安全系數(shù).本系統(tǒng)選取12 Ah的鉛酸蓄電池.
1.4 太陽能路燈智能控制器
系統(tǒng)控制器選用的太陽能路燈智能控制器功能圖如圖2所示.
圖2 太陽能電池控制器
白天當(dāng)太陽能對蓄電池進行充電時,充電系統(tǒng)對來自太陽能電池板隨光強變化而產(chǎn)生的不穩(wěn)定的電壓電流有自動穩(wěn)壓、自動穩(wěn)流、恒壓限流、浮充/均充自動轉(zhuǎn)換、溫度補償?shù)裙δ?可以對蓄電池起到很好地充電保護的作用,提高蓄電池的使用壽命,其工作參數(shù)如表1所示.
表1 充電系統(tǒng)的工作參數(shù)
1.5 穩(wěn)壓電源
本文使用的LED光源由6個功率為1 W的LED三串兩并組成,每個LED的工作電壓是3.2 V,工作電流約為0.3 A.本文使用的蓄電池規(guī)格是12 V 9 A的,因此需要對蓄電池的輸出電壓電流進行調(diào)控,使其在LED光源的工作電壓、電流范圍之內(nèi).為此,本系統(tǒng)設(shè)計了穩(wěn)壓電路來調(diào)控電壓,原理圖如圖3所示.
在圖3中,IN接蓄電池的正端,由式(5)可以得到可調(diào)電阻R1= 4.2 Ω,其中Vref為LM317H集成塊2、3腳之間的電壓,恒為1.25 V.在計算中,Iadj很小可以忽略. O1端接光源的正極,對光源供電;O2端接單片機和PWM調(diào)光電路.
圖3 穩(wěn)壓電路原理圖
1.6 時間控制電路
時間控制電路由最小單片機系統(tǒng)、DS12887時鐘芯片、鍵盤和1602液晶顯示器組成.以AT89S52單片機為核心,選用11.059 2 MHz的晶振,使得單片機有合理的運行速度,起振電容為30 pF,復(fù)位電路為按鍵高電平復(fù)位. DS12887的引腳如圖4所示.
其中用于產(chǎn)生輸出時間的DS12887時鐘芯片的數(shù)據(jù)段與單片機的P0口連接.實驗中用到鍵盤的3個按鈕S1、S2、S3用于對時間的調(diào)整,他們分別連接單片機的P17,P15,P14.當(dāng)用于設(shè)定開關(guān)時間時,S2鍵用于在秒、分、時、是否開啟定時之間切換;S1是增加鍵;S3是減小鍵. 1602液晶顯示器用于顯示時間,第一行顯示世紀、年、月、星期;第二行顯示開關(guān)標(biāo)志、時、分、秒.液晶顯示器E、RW、RS分別與單片機的P26,P25,P24相連接,其數(shù)據(jù)接口與單片機的P0口相連接.
1.7 紅外控制電路
本系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊.當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍則輸出高電平;人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平,輸出低電平.該模塊有2種觸發(fā)方式:L不可重復(fù),即感應(yīng)輸出高電平后,待延時時間一結(jié)束,輸出自動從高電平變?yōu)榈碗娖;H可重復(fù),即感應(yīng)輸出高電平后,在延時時間段內(nèi),如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動,其輸出將一直保持高電平,直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段,并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點).具有感應(yīng)封鎖時間(默認設(shè)置:0.2 s):感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖剑,可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間,在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號.此功能可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾.紅外控制電路與單片機的連接如圖5所示.
圖4 DS12887管腳連接圖
圖5 紅外感應(yīng)工作原理圖
1.8 PWM調(diào)制電路
基于PWM的LED調(diào)光控制法采用大于100 Hz的開關(guān)工作頻率,以脈寬調(diào)制的方法改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來實現(xiàn)LED的調(diào)光控制.選用大于100 Hz開關(guān)調(diào)光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調(diào)光閃爍現(xiàn)象,在PWM調(diào)光控制下,LED的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比,可以在高度調(diào)光比范圍內(nèi)保持LED的發(fā)光顏色不變. PWM調(diào)制電路與光源電路連接如圖6所示.
圖6 PWM調(diào)制電路與光源電路連接圖
當(dāng)達到晚上預(yù)設(shè)的時間時,由單片機產(chǎn)生PWM通過P2∧2端口輸出從而實現(xiàn)光源的2/3功率發(fā)光.當(dāng)有人通過時,由紅外控制電路產(chǎn)生的高電平輸入單片機中由程序處理,在P1∧2產(chǎn)生一個高電平從而控制繼電器工作,開關(guān)閉合使光源全功率發(fā)光并延遲一段時間.
本文主要程序任務(wù)是通過51單片機控制DS12887實現(xiàn)時鐘的運行并讀取顯示在1602液晶顯示器上,并可以通過鍵盤進行調(diào)整,可以設(shè)置時鐘(即控制太陽能路燈的開關(guān)時間),并接受紅外感應(yīng)模塊的信息實現(xiàn)全功率和2/3功率的轉(zhuǎn)換功能.
整個系統(tǒng)實現(xiàn)功能的程序流程圖如圖7所示.
對本文設(shè)計的太陽能LED路燈進行測試,部分測試數(shù)據(jù)見表2~3.
該路燈系統(tǒng)功耗較低,在2種工作狀態(tài)下測試結(jié)果為:以全功率工作時,電壓13.6 V,電流0.375 A,消耗功率5.1 W;以2/3功率工作時,電壓13.5 V,電流0.270 A,消耗功率3.6 W.
圖7 系統(tǒng)功能程序流程圖
表2 白天充電測試數(shù)據(jù)
表3 夜晚放電測試數(shù)據(jù)
本文設(shè)計的路燈系統(tǒng)使用太陽能電池板作為能量來源較好地達到了低碳環(huán)保的目的,并且采用時控和紅外控制,既利用了時控不易受外界干擾的特點,又利用紅外控制調(diào)控有人與無人情況下燈的亮度,使得路燈照明更加節(jié)能,合理選取了LED光源、太陽能電池板和蓄電池參數(shù),在連續(xù)3個陰雨天的情形下路燈也可以正常工作,具有較高的實用價值.
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