在城市化建設進程中,城市道路中的光伏
LED路燈照明系統(tǒng)引發(fā)了極大的關注。其具有響應速度快、耗電量小、使用壽命長的特點,成為替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。本文重點研究和探討城市道路LED路燈照明設計系統(tǒng),遵循城市道路LED路燈照明設計系統(tǒng)的設計原則,從硬件、軟件等方面進行設計和研究,使之具有更為優(yōu)越的使用性能。
1 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的基本構成及設計原則
1.1 城市道路LED
路燈照明系統(tǒng)的基本結(jié)構
LED路燈照明系統(tǒng)主要由以下部件構成:太陽能電池板(光伏組件、發(fā)電板)、燈具(LED光源)、外殼、太陽能儲能蓄電池、太陽能充放電控制器和燈桿。其中,太陽能電池的主要功能是將光能轉(zhuǎn)換成電能;燈具外殼包括外殼(常規(guī)燈殼、壓鑄鋁燈殼)和散熱板(鋁基板散熱板);太陽能儲能蓄電池的作用是存儲白天太陽能電池組件的能量;太陽能控制器的基本功能是光控、時控、溫控等;燈桿主要分為等徑桿(上口、下口一樣大)、錐型桿(上口小、下口大)、異形桿等。
1.2 城市道路LED
路燈照明系統(tǒng)的設計原則
①降低功耗。城市道路LED路燈照明系統(tǒng)要處于穩(wěn)定運行的狀態(tài),并在最大程度上控制功耗,確保其使用的可靠性。②高效簡潔。城市道路LED路燈照明系統(tǒng)要在自身性能穩(wěn)定的條件下,盡可能保證高效性和簡潔性。③可擴展性。要對城市道路LED路燈照明系統(tǒng)進行模塊化設計,使之具有獨立功能,并具有可擴展性,能較好地進行后繼的升級。
2 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的硬件設計
2.1 LED路燈照明系統(tǒng)的硬件設計
①電源及復位電路模塊。該模塊主要向LED路燈照明系統(tǒng)提供3.3V和12V的電壓,電源紋波及噪聲比對電源電路的性能有較大影響,如果其值較大,則會降低系統(tǒng)的精度,甚至會使系統(tǒng)癱瘓。同時,對于大功率的LED路燈而言,驅(qū)動電路要能提供恒定的電流,這就要采用DC/DC升壓驅(qū)動電路,以恒流源驅(qū)動高電流LED,使電流、輸出電壓處于穩(wěn)定操作的狀態(tài)。
②太陽能電池板電壓采集模塊。該模塊主要以太陽能電池板為對象,實現(xiàn)對電壓的監(jiān)測和控制。
③蓄電池電壓電流采集模塊。該模塊主要實現(xiàn)對蓄電池電壓、電流的實時監(jiān)測。通常來說,可以選擇12V的鉛酸蓄電池,采用三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器LM317,以滿足輸出電壓為3.3V的要求。
④鍵盤顯示模塊。該模塊主要顯示LED路燈照明系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。
⑤溫度采樣模塊。該模塊重點對蓄電池的溫度進行監(jiān)測,并自動充電,表現(xiàn)出溫度補償?shù)男阅堋.斕柲茈姵匕鍖π铍姵剡M行充電時,要采用負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)等測溫元件檢測蓄電池的溫度,以避免電池過熱而導致其受損。在設計溫度檢測電路時,要實現(xiàn)單片機對溫度的監(jiān)測,合理控制充電進度,并較好地抑制紋波、噪聲的干擾,增強測量的精度。
⑥輸出驅(qū)動模塊。該模塊主要是向系統(tǒng)提供驅(qū)動及保護。
⑦實時時鐘模塊。該模塊主要以季節(jié)的變換為出發(fā)點,自動調(diào)節(jié)LED燈的工作時間。
⑧無線通信模塊。該模塊是在高靈敏度、低發(fā)射功率條件下進行無線數(shù)據(jù)傳輸。其主要采用TTL、RS-485或RS-232接口,載波頻率通常為433MHz,支持用戶的不同協(xié)議應用,呈現(xiàn)出透明的、點對點或點對多點的傳輸狀態(tài)。單片機主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理,并根據(jù)控制指令進行操作。
2.2 硬件電路的保護功能設計
2.2.1 雷電安全保護。當出現(xiàn)惡劣的雷電天氣時,太陽能電池板的電壓會隨著外部環(huán)境光強的增大而相應上升。當其超出自身所能承受的額定電壓時,則會使太陽能電池板損壞。為此,應在設計LED路燈照明系統(tǒng)時,將壓敏電阻07D820K并聯(lián)安裝于太陽能電池板的兩側(cè),以在電路承受過壓時進行電壓鉗位,吸收多余的電流,確保各組件免受雷電的襲擊和破壞。此外,還可以將瞬變抑制二極管SMBJ30A并聯(lián)于蓄電池的兩側(cè),以達到防雷電的保護效果。瞬變抑制二極管響應速度快、體積小、瞬間吸收功率大,是一種高效能的保護器件。
2.2.2 蓄電池反充電保護。為了避免太陽能電池板的電壓小于蓄電池電壓,要在LED路燈照明系統(tǒng)的充電回路中串聯(lián)肖特基二極管,實現(xiàn)對LED路燈照明控制系統(tǒng)的反充電保護,杜絕蓄電池對太陽能電池板反向充電的現(xiàn)象。肖特基二極管的反向恢復速度極快,可以利用其較低的正向壓降,有效降低二極管上的電壓和功率損耗[1]。
2.2.3 蓄電池反接保護。蓄電池的反接保護可以避免因蓄電池極性接反而引發(fā)的蓄電池極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,并避免在太陽能電池無輸出時蓄電池對太陽能電池反充電。LED路燈照明系統(tǒng)的指示燈可以顯示蓄電池的工作狀態(tài):當指示燈亮時,則表明蓄電池處于正常工作狀態(tài);當指示燈熄滅時,則說明蓄電池尚未連接使用;當指示燈快閃時,表明蓄電池過放。為了正常發(fā)揮蓄電池的工作性能,在電路中可以選取二極管和保險絲,將肖特基二極管D10串聯(lián)在蓄電池和太陽能電池之間,對其實施反接保護。利用肖特基二極管正向?qū)妷狠^低的特性,降低二極管上的電壓和功率損耗。
2.2.4 負載短路和過流保護。LED路燈照明系統(tǒng)出現(xiàn)過流或短路的現(xiàn)象,都會極大損壞硬件電路,降低系統(tǒng)的使用壽命。為此,從硬件設計來看,注重采用自恢復保險絲的方式實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的保護。從軟件設計來看,可以在單片機程序編譯中設定電流值,實現(xiàn)對系統(tǒng)的過流保護。當系統(tǒng)的放電電流超出額定電流的3倍時,則系統(tǒng)自動關閉負載開關,從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的短路保護。
3 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的軟件設計
城市道路LED路燈照明嵌入式系統(tǒng)還要基于單片機進行軟件設計,使之能對負載的控制更加靈活和智能化。LED路燈照明系統(tǒng)的軟件設計思路為:由單片機負責對蓄電池、太陽能電池的電壓和電流的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和輸送,對輸出控制信號進行準確判斷,并實現(xiàn)對蓄電池的充放電控制、開關控制、LED路燈的PWM調(diào)光控制[2]。
3.1 主程序
主程序主要由LED路燈照明系統(tǒng)的太陽能控制器判斷和檢測太陽能電池板端電壓,選取最佳的信號驅(qū)動方式,確保蓄電池處于最優(yōu)的充放電狀態(tài)。
3.2 充放電程序
要注重對蓄電池進行合理維護,采用不同的充電策略和方式,確保光伏照明系統(tǒng)正常運作。具體可采用以下幾種充電方式。①恒流充電法。充電過程中,鉛酸蓄電池的端電壓不斷增高,這使其相對應的充電電流不斷降低,由此要不斷提高電源電壓。②恒壓充電法。其特點為充電電壓始終處于恒定狀態(tài)。③浮充電法。④階段充電法。這種方法可以減小熱損傷,提升充電電能的利用率。
綜上所述,城市道路LED路燈照明系統(tǒng)以STC5608控制器為核心,在把握蓄電池和太陽能電池板特性的前提下,從各功能的數(shù)據(jù)采集、分析和計算模塊入手,從硬件和軟件兩個方面進行設計,使之具有相對完善的保護和控制功能。今后,還要進行LED路燈照明系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)調(diào)試工作,深入研究太陽能電池板的最大功率跟蹤算法。