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圖1 市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)

2、路燈控制器硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能路燈控制器的硬件框圖如圖2所示，它主要由電源輸入、數(shù)據(jù)采集顯示控制、ARM處理器、輸出部分組成?？刂破饕訟RM處理器為核心，通過(guò)ARM微處理器對(duì)蓄電池電壓、太陽(yáng)能電池電壓、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，ARM運(yùn)算決策，選擇符合蓄電池特性的溫度補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確控制，同時(shí)，采用智能高效的PWM模糊充電方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)?？刂破鲙в邪存I、顯示電路，可以方便地設(shè)置運(yùn)行模式和運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)顯示電路也可直觀地顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 太陽(yáng)能路燈控制器的硬件框圖

2.1 電源輸入部分

電源輸入部分包括對(duì)市電輸入、蓄電池輸入、太陽(yáng)能電池輸入起保護(hù)作用的反接保護(hù)電路和充放電及供電切換電路。充放電及供電切換電路實(shí)現(xiàn)市電供電和蓄電池供電的切換，以及實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池的充電控制、蓄電池的放電控制，同時(shí)，向輸出部分的MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路提供電源。

2.2 數(shù)據(jù)采集顯示控制部分

數(shù)據(jù)采集顯示控制部分包括控制按鍵、LED顯示電路，電壓電流采集、溫度采集，感光采集和均衡電路?？刂瓢存I包括測(cè)試按鍵、菜單選擇鍵和參數(shù)選擇鍵。測(cè)試按鍵可使控制器進(jìn)入測(cè)試狀態(tài);菜單選擇鍵用來(lái)選擇工作模式，每按一下菜單選擇按鍵，模式值將會(huì)變換一次，同時(shí)也會(huì)顯示該模式下的對(duì)應(yīng)參數(shù)，此時(shí)，按下參數(shù)選擇按鍵則可設(shè)置該模式下的運(yùn)行參數(shù);系統(tǒng)的運(yùn)行模式和參數(shù)等重要數(shù)據(jù)均保存在芯片內(nèi)部，掉電后不丟失，使調(diào)節(jié)更加方便，系統(tǒng)工作更可靠。LED顯示電路包括5個(gè)發(fā)光二極管的狀態(tài)顯示和2個(gè)數(shù)碼管的運(yùn)行參數(shù)顯示，5個(gè)LED發(fā)光二極管用來(lái)顯示太陽(yáng)能電池、蓄電池、市電、負(fù)載1、負(fù)載2的工作狀態(tài)，2個(gè)數(shù)碼管在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)分別顯示模式和該模式下的參數(shù)，在沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)顯示溫度。電壓采集、電流采集、溫度采集、感光采集分別完成對(duì)蓄電池和太陽(yáng)能電池電壓、放電電流、溫度狀態(tài)、光照情況的采集，并將這些信號(hào)供ARM處理器運(yùn)算處理，電壓電流采集電路受ARM處理器的控制，從而控制均衡電路是否工作。

2.3 ARM處理器部分

ARM處理器采用飛利浦公司ARM芯片LPC2134，該芯片是高端的32位實(shí)時(shí)處理器，在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心地位。對(duì)采集模塊采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出相應(yīng)決策，控制充放電及供電切換電路、電壓電流采集電路、MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制、對(duì)控制器的保護(hù)控制、對(duì)輸出負(fù)載的通斷控制。當(dāng)太陽(yáng)能電池不能正常向負(fù)載供電時(shí)，市電通過(guò)控制器上的充放電及供電切換電路、穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)，可自動(dòng)單獨(dú)給負(fù)載供電而非市電直接加到蓄電池上面的接入方式，可減小市電對(duì)蓄電池和市電電源造成的損壞，能有效減少市電電源功率配置。整個(gè)切換過(guò)程實(shí)現(xiàn)軟切換，不會(huì)對(duì)負(fù)載和蓄電池造成沖擊，負(fù)載工作不受影響。

2.4 輸出部分

輸出部分包括MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路和軟開(kāi)關(guān)。在ARM處理器的控制下，MOSFET穩(wěn)壓及短路保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)和穩(wěn)壓輸出，軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙路輸出獨(dú)立的通斷控制。

3、路燈控制器軟件設(shè)計(jì)

本控制器在完成自檢及初始化程序后，讀取各種設(shè)定的參數(shù)，如工作模式、蓄電池類(lèi)型等，然后進(jìn)入白天、黑夜判斷程序，根據(jù)所判斷的情況分別進(jìn)入白天處理程序或黑夜處理程序。白天黑夜的判斷可以通過(guò)讀取太陽(yáng)能電池兩端的電壓來(lái)判斷，也可以通過(guò)采集控制器預(yù)留的光敏傳感器接口信號(hào)來(lái)判斷，根據(jù)太陽(yáng)能電池的電壓來(lái)判斷的白天、黑夜判斷程序如圖3所示。

圖3 白天、黑夜判斷程序流程

白天處理程序如圖4所示，進(jìn)入白天處理程序后首先關(guān)閉LED路燈并打開(kāi)測(cè)試按鍵所對(duì)應(yīng)的中斷，然后采集太陽(yáng)能電池的電壓U1，蓄電池的電壓U2，環(huán)境溫度T，根據(jù)環(huán)境溫度T及溫度補(bǔ)償系數(shù)(鉛酸電池-5mV/℃，鋰電池-4mV/℃，這一系數(shù)也可在程序中調(diào)整)計(jì)算確定蓄電池浮充點(diǎn)電壓Uf，過(guò)充保護(hù)電壓Uhvd，并根據(jù)采集到的U1，U2之間的大小關(guān)系決定是否執(zhí)行充電程序，進(jìn)入充電狀態(tài)后，又根據(jù)U2的大小決定是直充、浮充、還是過(guò)充保護(hù)。

圖4 白天處理程序流程

圖5 黑夜處理程序流程

黑夜處理程序如圖5所示。進(jìn)入黑夜處理程序后，首先判斷開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間是否到了，如果沒(méi)有到，則一直等到開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間到，開(kāi)燈延時(shí)時(shí)間到了，則采集蓄電池的電壓U2、環(huán)境溫度T，根據(jù)環(huán)境溫度T及溫度補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算確定蓄電池過(guò)放保護(hù)電壓Ulvd，并根據(jù)采集到的U2決定進(jìn)入過(guò)放保護(hù)、切換至市電供電或開(kāi)啟蓄電池放電以開(kāi)啟LED路燈，LED路燈開(kāi)啟后又要判斷關(guān)燈時(shí)間到否，若關(guān)燈時(shí)間到了，則關(guān)閉LED路燈，兩路LED路燈可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。

控制器在進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)也可增加兩路負(fù)載的雙時(shí)段控制功能，雙時(shí)段控制是指兩路負(fù)載的晚上亮燈時(shí)間和早晨亮燈時(shí)間均可設(shè)置，設(shè)置為雙時(shí)段功能后，負(fù)載晚上亮燈一段時(shí)間后關(guān)閉，天亮之前再次亮燈，等到白天時(shí)再關(guān)閉，并且亮燈時(shí)間可調(diào)。雙時(shí)段控制的示意圖如圖6所示，控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)光控點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)純光控，也可以實(shí)現(xiàn)光控和雙時(shí)段定時(shí)配合控制。光控點(diǎn)是指晚上亮燈時(shí)太陽(yáng)能電池板的電壓值，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整光控開(kāi)啟電壓，比如晚上太陽(yáng)能電池板有其他光線干擾而開(kāi)不了燈時(shí)，可調(diào)高此值，濾除雜光干擾，但開(kāi)燈時(shí)間可能提前。光控判斷時(shí)間指電池板電壓達(dá)到光控點(diǎn)時(shí)需要判斷的時(shí)間，時(shí)間越長(zhǎng)濾波效果越好，調(diào)小此值可以達(dá)到提前開(kāi)燈的目的，但容易受外界雜光干擾。延時(shí)開(kāi)燈指晚上延時(shí)一定時(shí)間再開(kāi)燈，調(diào)節(jié)此時(shí)間，可以達(dá)到推遲開(kāi)燈的目的。

控制器還設(shè)有測(cè)試功能，測(cè)試按鍵采用中斷模式，當(dāng)有測(cè)試按鍵按下時(shí)，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)中斷服務(wù)程序。白天時(shí)，按下控制器上的測(cè)試按鍵，可以直接打開(kāi)LED路燈負(fù)載，再次按下則關(guān)閉負(fù)載。打開(kāi)后沒(méi)有再按鍵關(guān)閉負(fù)載，則1min后自動(dòng)關(guān)閉，方便現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)試使用。測(cè)試功能的軟件流程如圖7所示。

圖6 雙時(shí)段控制的示意圖

圖7 測(cè)試功能軟件流程

控制器通電工作后可通過(guò)按鍵設(shè)置工作模式及相關(guān)參數(shù)。控制器軟件程序設(shè)計(jì)時(shí)增加了蓄電池選擇程序，支持密封電池、開(kāi)口電池、膠體電池、鋰電池等蓄電池的使用，使用前，需選擇正確的蓄電池類(lèi)型，通過(guò)按壓設(shè)置在控制電路板上的菜單選擇鍵進(jìn)入蓄電池類(lèi)型選擇模式，再通過(guò)按壓設(shè)置在控制電路板上的參數(shù)選擇鍵選定蓄電池類(lèi)型，設(shè)定完畢后等待30s，參數(shù)將自動(dòng)保存，控制器在運(yùn)行時(shí)將根據(jù)設(shè)定的蓄電池參數(shù)在ARM處理器程序的作用下自動(dòng)選擇匹配的參數(shù)運(yùn)行。當(dāng)設(shè)定的蓄電池為鋰電池時(shí)，ARM處理器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)讓均衡電路有效，使鋰電池各電芯的容量保持均衡，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

4、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的LED路燈控制器具有蓄電池選擇功能，支持多種不同的蓄電池，具備溫度補(bǔ)償功能，可有效地延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，并且具有市電互補(bǔ)自動(dòng)切換功能。該控制器應(yīng)用于路燈改造，可保持原市電供電線路和燈桿不動(dòng)，更換LED光源，就構(gòu)成了市電互補(bǔ)LED太陽(yáng)能路燈，投資將大大減少，節(jié)能效果顯著。