詳解實(shí)時(shí)追光自感應(yīng)LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

實(shí)時(shí)追光自感應(yīng)路燈系統(tǒng)使用新能源又節(jié)約了電能。太陽(yáng)能的利用越來(lái)越受關(guān)注，設(shè)計(jì)通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電，運(yùn)用于路燈節(jié)能照明。路燈系統(tǒng)與市電互聯(lián)，且有空氣質(zhì)量檢測(cè)以及天氣情況檢測(cè)。大多學(xué)校雖然已采用節(jié)能燈，但并沒(méi)有真正意義上將其節(jié)能的使用，智能控制可以幫助節(jié)能燈實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能。此系統(tǒng)雖為校園設(shè)計(jì)，亦可擴(kuò)展到工廠、小區(qū)等地。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 設(shè)計(jì)思路

　　自發(fā)電節(jié)能路燈設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能發(fā)電裝置儲(chǔ)存電能給系統(tǒng)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(cè)有人通過(guò)時(shí)，燈變亮，當(dāng)人遠(yuǎn)離路燈時(shí)，亮度慢慢減弱。

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

　　2.2 系統(tǒng)模塊方案設(shè)計(jì)

　　以Atmegal6作為控制核心，其內(nèi)部含有多路AD轉(zhuǎn)換，運(yùn)算速度快，符合方案設(shè)計(jì)要求。

　　太陽(yáng)能板控制：經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)與計(jì)算得到了不同季節(jié)里每隔半小時(shí)太陽(yáng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，單片機(jī)以此控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而使太陽(yáng)能板始終正對(duì)著太陽(yáng)光。夜色降臨時(shí)，太陽(yáng)能板自動(dòng)復(fù)位。

　　簡(jiǎn)單氣象監(jiān)測(cè)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(duì)周邊環(huán)境的氣象進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后由無(wú)線設(shè)備將信息傳送至信息中心。

　　路燈保護(hù)及檢測(cè)功能：用AD采集系統(tǒng)的電壓、電流值，控制器通過(guò)這些值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀況，一有過(guò)流現(xiàn)象，斷開(kāi)電源，并通過(guò)無(wú)線設(shè)備報(bào)警。

　　電源切換功能：系統(tǒng)會(huì)對(duì)總電量實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若總電量低于設(shè)定值，控制器會(huì)自動(dòng)將電源切換至市電，維持系統(tǒng)正常工作。

　　3.理論分析與計(jì)算

　　3.1 太陽(yáng)能板追光與引導(dǎo)原理

　　對(duì)合肥地區(qū)6-18點(diǎn)的路燈(高3米)影子的觀察，計(jì)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(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有太陽(yáng)光的情況下，系統(tǒng)仍然能正常的工作。由于季節(jié)不同太陽(yáng)光的位置和強(qiáng)度不同，所以每個(gè)季節(jié)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(dá)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(shè)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(xù)陰雨天數(shù)為Dr，實(shí)際路燈的功率為WB，系統(tǒng)電壓為VB，當(dāng)?shù)厝展庹諘r(shí)間為hr。考慮到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(tǒng)電壓為12V。當(dāng)?shù)厝站行Ч庹找?h計(jì)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(diào)節(jié)LED燈的功率，實(shí)際按每日放電6小時(shí)計(jì)算(凌晨亮度降低)。滿足連續(xù)陰雨天7 天( 另加陰雨前一夜的用電，計(jì)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(yù)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、線損等)，實(shí)際蓄電池需求40AH加20%預(yù)留容量，再加20%損耗，計(jì)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(diào)功后實(shí)際按6小時(shí)計(jì)算(調(diào)功同上蓄電池)?？紤]到電池板預(yù)留最少20%電量，當(dāng)?shù)赜行Ч庹找匀站?h計(jì)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(shè)計(jì)

　　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(dá)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(wěn)定。

　　4.2 太陽(yáng)能充電設(shè)計(jì)

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

　　當(dāng)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(dāng)驅(qū)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(dāng)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(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

　　4.3.1 燈驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　路燈啟動(dòng)時(shí)，需要控制燈的亮度，所以系統(tǒng)需要一個(gè)LED燈驅(qū)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(dá)5000：1的PWM調(diào)光比等特點(diǎn)，給芯片輸入不同占空比的PWM波實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

　　4.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。單個(gè)芯片可驅(qū)動(dòng)四相的步進(jìn)電機(jī)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

　　4.4 數(shù)據(jù)采集與處理

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

　　無(wú)線收發(fā)電路采用nRF905模塊，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)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(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　5.軟件設(shè)計(jì)

　　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(jù)當(dāng)時(shí)的時(shí)間調(diào)整太陽(yáng)能板的大體位置，再根據(jù)光強(qiáng)微調(diào)太陽(yáng)能電池板，對(duì)準(zhǔn)后一段時(shí)間后(預(yù)設(shè)半個(gè)小時(shí))重新校準(zhǔn)，接著進(jìn)行充電控制；否則進(jìn)行行人檢測(cè)，若有行人，則將燈光調(diào)制最大亮度，人遠(yuǎn)離后漸漸變暗，若沒(méi)有行人，則保持較暗的燈光。緊接著就是過(guò)流保護(hù)，若系統(tǒng)過(guò)流，則切斷電源，無(wú)線發(fā)射通知信息進(jìn)行報(bào)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(yù)設(shè)值，若大于，將信息通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去，否則返回是否為夜晚的判斷。

　　6.結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)時(shí)追光自感應(yīng)路燈系統(tǒng)旨在使太陽(yáng)能板始終面向太陽(yáng)，儲(chǔ)存更多的太陽(yáng)能。路燈自動(dòng)檢測(cè)周圍行人，智能調(diào)節(jié)燈光的亮度，路燈上面配備監(jiān)測(cè)天氣信息的多種傳感器，并通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)信息的共享，方便人們的生活。整個(gè)系統(tǒng)圍繞新能源利用及節(jié)能開(kāi)展，在保證必要照明的同時(shí)，有效的節(jié)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(jì)效益及社會(huì)價(jià)值。