光伏供电的LED照明路灯测控电路设计
尤 泳 王永清 计鑫山 李紫倩
(河北大学电子信息工程学院 保定市 071002)
摘 要:针对不同环境下对路灯照明亮度要求不同,设计了太阳能电池与蓄电池供电的白光LED路灯测控电路,具有光控、延时熄灭、延时后低功率输出3种照明控制模式。系统由光电池作为光敏检测元件实现亮度检测,通过单片机完成定时和可调PWM功率输出、实现路灯延时熄灭或延时后低功率照明,采用VMOS管驱动LED路灯。实验表明系统实现了光控模式时,路灯白天熄灭、晚上自动点亮;延时熄灭模式时,路灯晚上自动亮并经过设定的延时后自动熄灭;延时加低功率模式时,路灯晚上自动点亮,经延时后自动改为低功率照明控制功能,并具有蓄电池欠压和过压保护功能。
关键字:太阳能电池;白光LED路灯;亮度检测;蓄电池
Design of the measurement and control circuit for LED streetlight powered by photovoltaic source
You Yong Wang Yongqing Ji Xinshan Li Ziqian
(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002)
Abstract:According to different requirement of the streetlight intensity in different environments, a measurement and control circuit for white LED streetlight powered by the solar cell and accumulator is designed in this paper. There are three control modes of light controlling, delay off and low power output after delay in this circuit. The brightness detection is accomplished by photocell as a photosensitive test component in this system. The single-chip microcomputer is used to complete timing, adjustable PWM power output, and the streetlight delay off or low power output light after delay. VMOS transistor is used to drive LED streetlight. The test indicated that lights off during the day, lights up automatically at night when use light control mode. Lights on automatically at night and off after a set delay when use delay off mode. While in the low power output after delay mode, streetlight light up automatically, and change to low power light control after a delay. This circuit also has protection function forlow-voltage and over-voltage of accumulator.Keywords:solar cells; white LED streetlights; brightness detection; accumulator
0 引 言
随着能源危机日益严重,光伏能源作为一种清洁、高效的绿色能源应用越来越广泛。光伏照明具有安全可靠、无噪声、无污染等优点[1]。为了充分利用太阳能,根据环境光线亮暗控制太阳能LED照明路灯亮灭,设计了多功能光伏照明测控电路,实现光控、延时熄灭、延时低亮度3种工作模式[2],控制LED路灯自动根据环境亮暗点亮和熄灭,以便节约能源,替代其他非可再生能源,降低能源消耗[3]。
1 系统结构
系统主要由太阳能电池、蓄电池、LED控制器[4]、驱动及LED照明、充放电保护电路组成[5],见图1所示。
系统利用太阳能电池将太阳能转换为电能,用蓄电池储存电能[6]。并具有蓄电池欠压、过压保护功能。
2 工作原理
光伏照明路灯测控系统电路原理图如图2所示。
白天光照较强时太阳能电池板两端因光电效应产生电压,其值高于蓄电池电压时,通过继电器常闭触点对蓄电池充电,此时比较器U2D反相输入端电压高于同相输入端电压,比较器输出低电平。直到蓄电池电压达到设定充满值时,同相输入端电压高于反相输入,比较器输出变高电平,Q3导通,常闭触点断开,太阳能电池停止对蓄电池充电[7],常开触点闭合,充满指示灯LED3亮。白天U2C输出低电平,LED路灯熄灭。
晚上环境光线变弱时太阳能电池两端电压迅速下降,比较器U2C的同相输入端电压高于反相输入端电压,U2C输出高电平,使电容C1两端产生电压,送到比较器U2A同相输入端,U2A反相输入端电压由R10与R11分压,即3.0 V左右。当比较器U2C输出高电平时,电容C1上电压高于R11上分压,比较器U2A输出高电平,Q3导通,LED路灯亮。
闭合模式2开关,当U2C输出高电平时,Q4导通,AT89C2051单片机开始工作,设定的延时时间未到之前,P1.7输出低电平,Q2导通,LED一直点亮;延时时间到,P1.7输出跳变为高电平,使Q1导通,将U2A同相端电压拉低,使U2A输出低电平,LED路灯熄灭。
若同时闭合模式2和模式3选择开关。延时时间到后,P1.7输出高电平,LED熄灭。此时单片机查询到P1.7和P3.3都为高电平,P1.6开始输出脉冲PWM信号,Q2导通,此时Q2只由P1.6驱动,调节P1.6高低电平的宽度即可调节Q2导通和关断时间,使LED工作在特定低功率下。当频率足够高时,由于肉眼的视觉暂留现象而看不出LED路灯闪烁。
当连续阴雨天蓄电池欠压时,R2上分压下降,U2B同相输入端电压高于反相输入端电压,输出高电平,U2C反相输入端电压高于同相输入端电压,LED路灯熄灭,单片机停止工作。晴天后太阳能电池重新对蓄电池充电,电压值上升到设定值时U2B恢复输出低电平。
蓄电池欠压时,D4防止U2C的反相端电压被太阳能电池板电压拉低,保证蓄电池欠压时能可靠停止放电。设置D6可防止继电器释放时形成的感应电压[8]。
3 软件设计
主程序设计流程如图3所示.
根据P3.3(延时低功率标志位)的状态设定不同的定时时间以满足两种模式需要。当P3.3为低电平时,LED在模式2下工作,即LED点亮8小时后P1.7(延时熄灭)输出高电平,控制LED灯熄灭,实现延时熄灭的功能。
当P3.3为高电平时,LED在模式3下工作,即LED点亮4小时后P1.7输出高电平,LED灯熄灭,单片机P1.6引脚输出脉冲信号控制LED灯以低功率方式工作,实现延时后,低功率输出。
4 实验测试
连接控制电路、光电池、蓄电池、LED照明灯构成自动控制光伏照明系统。测试时间为早晨7点,为测试与分析控制电路工作情况,将电路分别设置在3种工作模式下,每种模式测量两组数据,测量数据如表1所示。
表1中模式1为光控状态,即天黑路灯亮,天亮路灯熄灭。中模式2为光控+延时关闭状态,即天黑路灯亮,延时8小时路灯熄灭。模式3为光控+延时低功率状态,即天黑灯亮+延时4小时后LED灯以低功率状态照明,天亮后路灯熄灭。
为了增加可靠性,进行了保护实验,模拟蓄电池欠压状态,即使蓄电池电压低于10.8 V时欠压指示灯亮[9],单片机停止工作,LED路灯熄灭;模拟白天蓄电池过压状况,即使蓄电池电压超过14.4 V时,过压指示灯亮,充电回路断开。蓄电池电压下降到13.2 V时,观察到充电回路继电器再次接通,继续充电,可以防止蓄电池欠压[10],有助延长电池使用寿命。
5 结 论
设计的光伏照明路灯测控电路实现了蓄电池的欠压、过压保护,有助于延长蓄电池的使用寿命;通过光控实现LED路灯按照预先设定的环境光照强度自动点亮或熄灭;在后半夜不需要照明的场合通过延时电路来实现LED的延时熄灭,达到节约能源的目的;可以在延时后使LED在特定低功率下工作,即通过调节脉宽占空比实现对LED照明功率的调整,用于后半夜车辆和行人少时低亮度照明,以便节约能源。