全自動(dòng)太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)

李志敏 付芳芳 葉金鑫 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

引言

在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，并開(kāi)始大量使用可再生能源，如風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等。而太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)需燃料、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、維護(hù)費(fèi)用低，這使得太陽(yáng)能發(fā)電成為一種性價(jià)比極高的發(fā)電方式，得到了人們的青睞。

本文設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)，其蓄電池充電具有保護(hù)功能，保證電池不會(huì)過(guò)充過(guò)放，使電路工作安全、穩(wěn)定。而選用的LED 燈體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)且環(huán)保。在無(wú)交流供電、無(wú)人值守情況下，此路燈可以長(zhǎng)期自動(dòng)運(yùn)行，具有價(jià)高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)由以下幾部分組成：太陽(yáng)能電池板、蓄電池充放電控制器、時(shí)間控制電路、電量顯示電路、聲音傳感器電路、紅外傳感器電路、LED 驅(qū)動(dòng)電路、LED 負(fù)載等。由太陽(yáng)能電池板和以CN3722 為核心的集成電路構(gòu)成太陽(yáng)能電池組件，它在白天采集太陽(yáng)，并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到蓄電池中以供夜晚使用；夜晚，蓄電池放電，將白天存儲(chǔ)的電能用于為控制器和光源負(fù)載供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 器件選擇

太陽(yáng)能電池板：多晶硅電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20.3%。它不會(huì)出現(xiàn)效率衰退的問(wèn)題，而且成本價(jià)低、效率高。經(jīng)過(guò)多方面綜合考慮，選擇多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池作為本系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板。

1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

1.3.1 蓄電池充電電路

采用CN3722 搭建蓄電池充電電路，D1、D2為充電狀態(tài)指示燈。

恒壓充電模式時(shí)的電壓記為U1、電池電壓大小記為U，記U1的66.7%為U2。U 大小不同時(shí)，充電器的充電模式不同：設(shè)定好U2，當(dāng)U＜U2 時(shí)，進(jìn)入涓流充電模式；U 增大至U＞U2時(shí)，充電模式是恒定電流充電，用兩個(gè)0.05R 的電阻并聯(lián)作為電流檢測(cè)電阻，與內(nèi)部200m V 的基準(zhǔn)電壓共同對(duì)充電電流進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)U 繼續(xù)增大至接近U1時(shí)，進(jìn)入恒定電壓充電模式。充電電流逐漸減小，充電過(guò)程一直持續(xù)到充電電流減小為0。

由太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電的好處是，即使輸出功率很小，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電；并且，不用擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)對(duì)電池過(guò)充電的情況，因?yàn)锽AT 管腳（電池連接端）上的電壓保持恒定，不會(huì)過(guò)充。

通過(guò)100KΩ 和10KΩ 這兩個(gè)電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓，使MPPT 管腳獲

得最大功率點(diǎn)電壓，在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能。

1.3.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

以芯片SN3350 為核心搭建成LED 驅(qū)動(dòng)集成電路，電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

SN3350 作為降壓型電感電流連續(xù)模式的驅(qū)動(dòng)芯片，輸入電壓范圍是6V-40V，輸出電流最高達(dá)到750m A，它的平均工作電流大小取決于外部電阻的大小及分壓情況。

1.3.3 時(shí)鐘控制模塊

由STM32F103C8T6 單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器構(gòu)成本系統(tǒng)的定時(shí)器。在程序中設(shè)定好4 個(gè)小時(shí)的時(shí)長(zhǎng)以及開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)刻。LED 從設(shè)定的時(shí)間開(kāi)始自動(dòng)照明4 小時(shí)，時(shí)限一到，自動(dòng)關(guān)機(jī)。

圖2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

1.3.4 聲音控制模塊及紅外控制模塊

聲音傳感器在正常情況下，即沒(méi)有聲音信號(hào)時(shí)，輸出高電平，送至單片機(jī)；一旦出現(xiàn)聲音，聲音傳感器輸出低電平，送至單片機(jī)。單片機(jī)讀到低電平，繼電器工作，使LED 燈亮。由此，達(dá)到了聲音控制路燈的亮滅的設(shè)計(jì)要求。

沒(méi)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外傳感器處于正常情況下，輸出低電平，送單片機(jī)。當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，紅外傳感器感測(cè)到此信號(hào)，輸出高電平，并送單片機(jī)。單片機(jī)讀到高電平，繼電器工作，LED 燈亮。紅外傳感器控制路燈照明的方式與聲音控制的目的相同，都是為了使系統(tǒng)工作更加智能、高效、節(jié)能。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

經(jīng)過(guò)多次嚴(yán)格測(cè)試，設(shè)計(jì)的全自動(dòng)太陽(yáng)能路燈完全實(shí)現(xiàn)了聲控、光控、時(shí)間控制的功能，達(dá)到節(jié)約能源的目的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的蓄電池充電電路在最大功率點(diǎn)跟蹤方面也有較好的實(shí)驗(yàn)效果。且蓄電池可以自動(dòng)均衡，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放的情況，使充電、放電都更安全、高效。本系統(tǒng)器件的主要參數(shù)是：太陽(yáng)能電池額定輸出功率為10W，額定工作電壓為18V。LED 路燈數(shù)量為10只，每只0.5W。蓄電池的參數(shù)為12V10Ah。

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3 所示。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用CN3722 及其他部件構(gòu)成蓄電池充放電電路，能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能，大大提高了充電效率。結(jié)合聲控、光控、定時(shí)等模塊，使得照明更加智能高效。具有較高的實(shí)用價(jià)值。