智能實時追光、感應(yīng)式 LED路燈設(shè)計方案

　　1、方案設(shè)計原理

　　方案靈感來自向日葵，向日葵具有自動跟蹤太陽方向的能力，我們設(shè)計出一種太陽能路燈方案，可隨著太陽方位變化自動調(diào)整太陽能接收板方向。本設(shè)計采用太陽能發(fā)電裝置儲存電能給系統(tǒng)供電，并與市電互通。白天時，路燈處于熄滅狀態(tài);晚上時，燈微亮，檢測有人通過時，燈變亮，當(dāng)人遠(yuǎn)離路燈時，亮度慢慢減弱。

　　系統(tǒng)增加了溫、濕度、煙霧、風(fēng)向、風(fēng)速、雨感等檢測功能，另外檢測出當(dāng)前蓄電池的電壓、電流、溫度值，并通過無線傳輸設(shè)備實現(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、 系統(tǒng)模塊方案設(shè)計

　　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)計要求。

　　太陽能板控制：經(jīng)過多次試驗與計算得到了不同季節(jié)里每隔半小時太陽轉(zhuǎn)過的角度，單片機(jī)以此控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度，從而使太陽能板始終正對著太陽光。夜色降臨時，太陽能板自動復(fù)位。

　　簡單氣象監(jiān)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)行實時檢測，然后由無線設(shè)備將信息傳送至信息中心。

　　路燈保護(hù)及檢測功能：用AD采集系統(tǒng)的電壓、電流值，控制器通過這些值實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀況，一有過流現(xiàn)象，斷開電源，并通過無線設(shè)備報警。

　　電源切換功能：系統(tǒng)會對總電量實時進(jìn)行監(jiān)測，若總電量低于設(shè)定值，控制器會自動將電源切換至市電，維持系統(tǒng)正常工作。

　　3、理論分析與計算

　　3.1 太陽能板追光與引導(dǎo)原理

　　對合肥地區(qū)6-18點的路燈(高3米)影子的觀察，計算得出每半個小時太陽的位置。太陽能板工作時為四組蓄電池充電，保證了在長時間沒有太陽光的情況下，系統(tǒng)仍然能正常的工作。由于季節(jié)不同太陽光的位置和強(qiáng)度不同，所以每個季節(jié)要適時改變太陽能板的位置，即改變太陽能板與地面的夾角，以達(dá)到最大的吸收光能的效果。

　　3.2 蓄電池和太陽能電池板板的配備原理

　　設(shè)蓄電池容量為CB，太陽能電池板需求峰值為WP，太陽能板工作電壓為VS，每日實際放電時間為hd，連續(xù)陰雨天數(shù)為Dr，實際路燈的功率為WB，系統(tǒng)電壓為VB，當(dāng)?shù)厝展庹諘r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計算，每日放電時間10小時(以晚7點到晨5點為例)，通過控制器夜間分時段調(diào)節(jié)LED燈的功率，實際按每日放電6小時計算(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，路燈的實際電流在1A以上(加20%損耗，包括恒流源、線損等)，實際蓄電池需求40AH加20%預(yù)留容量，再加20%損耗，計算后得到實際蓄電池容量為57.6AH。所以實際蓄電池為12V/60AH，故需要四組12V/15AH的蓄電池。

　　以每日放電時間10小時為例，調(diào)功后實際按6小時計算(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計算：WP÷18V=(I×6h×120%)÷3h，WP=36W(電池板實際需求峰值)。然而由于實際恒流源損耗、線損等綜合因素，損耗在20%左右，電池板實際需求峰值：

　　WP=36W×120%=43.2W

　　所以實際電池板需18V/45W，故需要18V電池板兩塊。

　　4、硬件設(shè)計

　　4.1 太陽能電池板升降壓電路

　　由于所選的蓄電池充電的時候僅需要14V的電壓，所以需要一個變壓電路來使電壓達(dá)到14V。因此，我們采用EK8003芯片，這款芯片為同步升降壓芯片，可通過輸出PWM波來控制輸出電壓，使之穩(wěn)定。

　　4.2 太陽能充電設(shè)計

　　采用芯片UC3906控制蓄電池充電，該芯片內(nèi)含獨立的限流放大器和電壓控制回路，片內(nèi)的驅(qū)動器可控。驅(qū)動器輸出電流可達(dá)25mA，能夠直接驅(qū)動外部串聯(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，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)動器截止時，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，充電器只能以小電流充電，從而避免了因充電電流過大而損壞電池。

　　4.3 驅(qū)動的設(shè)計

　　4.3.1 燈驅(qū)動設(shè)計

　　路燈啟動時，需要控制燈的亮度，所以系統(tǒng)需要一個LED燈驅(qū)動電源來控制路燈的亮度，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，給芯片輸入不同占空比的PWM波實現(xiàn)調(diào)光。

　　4.3.2 電機(jī)驅(qū)動電路

　　太陽能電池板的轉(zhuǎn)動由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片。單個芯片可驅(qū)動四相的步進(jìn)電機(jī)，電路設(shè)計簡單。

　　4.4 數(shù)據(jù)采集與處理

　　溫濕度檢測電路采用SHT10傳感器，該傳感器包括一個測濕敏感元件和一個測溫元件，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)。電流檢測采用CSM006NPT霍爾電流傳感器，電壓檢測采用單片機(jī)內(nèi)部的AD檢測。

　　無線收發(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。

　　5、軟件設(shè)計

　　程序開始時判斷是否為夜晚，若不是，則進(jìn)行太陽能板面向太陽的控制，根據(jù)當(dāng)時的時間調(diào)整太陽能板的大體位置，再根據(jù)光強(qiáng)微調(diào)太陽能電池板，對準(zhǔn)后一段時間后(預(yù)設(shè)半個小時)重新校準(zhǔn)，接著進(jìn)行充電控制;否則進(jìn)行行人檢測，若有行人，則將燈光調(diào)制最大亮度，人遠(yuǎn)離后漸漸變暗，若沒有行人，則保持較暗的燈光。緊接著就是過流保護(hù)，若系統(tǒng)過流，則切斷電源，無線發(fā)射通知信息進(jìn)行報修，若沒有過流，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，將信息通過無線發(fā)射出去，否則返回是否為夜晚的判斷。

　　6、結(jié)束語

　　實時追光自感應(yīng)路燈系統(tǒng)旨在使太陽能板始終面向太陽，儲存更多的太陽能。路燈自動檢測周圍行人，智能調(diào)節(jié)燈光的亮度，路燈上面配備監(jiān)測天氣信息的多種傳感器，并通過無線傳輸實現(xiàn)信息的共享，方便人們的生活。整個系統(tǒng)圍繞新能源利用及節(jié)能開展，在保證必要照明的同時，有效的節(jié)省了不必要的能源開支。使用太陽能，自給自足的“生存”，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會價值。