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
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。