? LED作為第四代照明光源，正以其獨有的優(yōu)越性在城市美化、道路照明、庭院照明、室內(nèi)照明以及其他各領(lǐng)域中得到越來越廣的應(yīng)用。尤其在偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，太陽能照明燈具以其不可阻擋的優(yōu)勢得到迅速的推廣應(yīng)用。有作者對LED燈中的太陽能電池板的安裝、控制器的功能、鉛蓄電池的安置和恒流驅(qū)動電路等進行了探討，但沒有給出控制器等關(guān)鍵電路的設(shè)計和仿真。另一些作者從光源設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計和散熱設(shè)計3方面說明了LED路燈設(shè)計中應(yīng)遵循的原則，但使用的電路沒有實現(xiàn)智能化，無法進行程序控制。
本文設(shè)計和仿真了一基于AT89C52單片機智能控制的，功率約為40W太陽能LED路燈。它采用了雙電源供電模式，具備光控和時控功能，抗干擾能力較強。文中主要介紹了太陽能LED路燈發(fā)光面板的設(shè)計、太陽能電池與蓄電池的選擇，同時詳細(xì)分析和討論了路燈各部分的電路設(shè)計及工作原理，并應(yīng)用Protues和keil軟件對LED路燈的充電電路、升壓電路和控制電路進行了仿真。仿真結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)一致。
1. 太陽能LED路燈硬件電路設(shè)計
1.1 系統(tǒng)硬件組成
太陽能LED路燈系統(tǒng)主要由太陽能電池組件、LED燈具、燈桿和控制箱(內(nèi)有充電器、控制器、蓄電池等等)四部分構(gòu)成。本文設(shè)計的太陽能LED路燈總功率約為40 W，電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。從中可以看出，該系統(tǒng)采用的是雙電源供電。系統(tǒng)電路主要由太陽能電池、蓄電池、充電電路、升壓電路、控制電路、電LED驅(qū)動電路和LED陣列組成。
圖1 太陽能LED路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.2 LED工作原理與電路設(shè)計
LED具有對電壓敏感的特性，本設(shè)計選用的是杭科電子公司制造的型號為HKP2D1W1的30顆的白光LED。從圖2(A)所示的LED特性曲線圖可知，當(dāng)正向電壓達(dá)到314 V以后只要稍微改變順向電壓，正向電流就會有很大的變化。為了得到預(yù)期的亮度并且避免正向電流超過LED的最高額定電流，因此本文采用的LED驅(qū)動方式為電流驅(qū)動。
LED陣列采用5行6列的形式，電路如圖2(B)所示。LED選用同一公司同一批次的產(chǎn)品，這樣可以認(rèn)為每顆LED的特性基本相同的。因此流過每一列LED的電流均為350 mA，也就是該一型號的LED的典型工作電流。系統(tǒng)的照明功率約為40 W，光通量約為1200 lm。
圖2 LED特性曲線及整列圖
1.3 太陽能電池與蓄電池的原理及選擇
本設(shè)計的太陽能LED路燈主要應(yīng)用于江南地區(qū)，采用大功率LED光源，路燈功耗為36.75 W，每天工作9小時，正常情況下，蓄電池能保證連續(xù)供電4個陰雨天。
江南地區(qū)峰值日照時間約為3.432 h。LED發(fā)光面板的工作電壓為17.5 V，總功率為36.75 W。因此負(fù)載日耗電量為36.75÷17.5×9=18.9AH。所需太陽能組件的總充電電流為1.05×18.9×(16+4)÷16(3.432×0.85)=8.51A，其中，1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，蓄電池充電效率為0.85，兩個連續(xù)陰雨天的時間間隔假設(shè)不小于16天。太陽能電池的最小功率約為17.5×8.51=148.9 W，因此采用峰值輸出功率為150 W，單塊輸出功率為75 W的太陽能電池組基本可以保證全年大多數(shù)情況下的正常運行。
本設(shè)計選擇了最常見的12 V蓄電池。結(jié)合上面的數(shù)據(jù)，可以算出負(fù)載日耗電量為36.75÷12×9=27.6(AH)，在蓄電池充滿電的情況下保證4個連續(xù)的陰雨天，因而蓄電池的容量為27.6×(4+1)=138(AH)。
1.4 充電電路的設(shè)計
本文采用的充電電路單路示意圖如圖3所示。
圖3 單路充電電路
由集成開關(guān)元件MC34063構(gòu)成的充電電路，該充電電路輸入電壓為17.5 V，輸出電壓為14.3 V，單路輸出電流達(dá)600 mA，紋波系數(shù)小于等于10 mV，圖中D1則是起到一個過充保護的作用。由于二極管的壓降和單向?qū)ㄐ裕铍姵氐碾妷哼_(dá)到14.3 V以后將自動停止充電，并保證蓄電池的電流不會逆流。
1.5 升壓電路與控制電路的設(shè)計
一個良好的系統(tǒng)控制電路對太陽能LED路燈來說是至關(guān)重要的。其基本功能是實現(xiàn)對蓄電池過放保護、自動識別周圍環(huán)境以及路燈的自動控制等。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本文所設(shè)計的太陽能LED路燈支持雙電源供電，即：當(dāng)連續(xù)的陰雨天超過4天時或者蓄電池電壓降低時，系統(tǒng)將會開啟市電模式，并及時對蓄電池充電。設(shè)計的升壓和控制電路如圖4所示。
圖4 升壓與控制電路
該電路作為太陽能LED路燈的控制電路，其核心元件是AT89C52單片機。為了保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文研究的太陽能LED路燈包括太陽能模式和市電模式兩種供電模式，AC-DC電源的輸出功率一般選擇比額定總功率高出1.5倍～2.5倍之間。太陽能LED路燈總功率約為40 W左右，因此選擇了型號為HTSP-100F-24，輸出電壓為24 V，最大輸出電流為4.5 A的開關(guān)電源。K2連接著蓄電池和升壓電路，K1連接著充電電路和蓄電池，K3連接著24 V開關(guān)電源和驅(qū)動電路。單片機和比較器等所需要的5 V正電源由24 V開關(guān)電源經(jīng)過7805變壓后產(chǎn)生，C5和C6是濾波電容。比較器采用了最普通的集成運放LM358。其輸出端接單片機，正端連接到一個基準(zhǔn)電壓源上，該基準(zhǔn)電壓源的型號為LM385-2.5，用于產(chǎn)生2.5 V的比較電壓，R3是限流電阻。蓄電池的電壓經(jīng)過R1和R2分壓后接比較器的負(fù)端。當(dāng)反饋后來的電壓低于2.5 V時，比較器反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就認(rèn)為蓄電池電量不足，于是就啟動欠壓保護并進入市電供電模式。D4是光敏二極管，R7是限流電阻。當(dāng)有一定強度的光線照到光敏二極管上時，光敏二極管導(dǎo)通，R4上面將產(chǎn)生一個4.3 V左右的電壓，否則，光敏二極管截止，R4上面的電壓幾乎為0。單片機實時接收R4上面反饋回來的電壓，從而判斷周圍光線的強弱。蓄電池的電壓只有12 V，而驅(qū)動電路要求的輸入電壓要高于19 V，因此需要設(shè)計一個升壓電路。
本文采用的是倍壓電路，即通過單片機控制Q1、Q2和Q3的通斷，加上D1、D2這兩個二極管的單向?qū)ㄌ匦?，使得電容C1上的電壓達(dá)到蓄電池兩端電壓的二倍。當(dāng)Q1截止時，Q2和Q3導(dǎo)通，蓄電池對C1和C2充電，VC1=VC2=Vin;當(dāng)Q1導(dǎo)通時，Q2和Q3導(dǎo)截止，蓄電池和C1串聯(lián)給C2充電，此時VC2=Vin+VC1≈2Vin=24 V?？紤]到實際中倍壓電路的帶負(fù)載能力不太強，輸出功率較高時會導(dǎo)致電壓的大幅度跌落，為了保證蓄電池輸出電壓在19 V(LED陣列驅(qū)動電路能正常工作的最小電壓)以上，本文選取C1=C2=4400uF/50 V，單片機控制開關(guān)的頻率f=1000 Hz，ΔU=I/6fC(4N3+3N2+2N)=(4×8+3×4+2×2)I/(6×1000×0.0044) ≈2I≈4 V，實際輸出電壓Vout=24-4=20 V。輸出電壓波紋為(N+1)NI/4fC=3×2I/(4×2000×0.0022) ≈0.375I≈0.5 V。
為了增加路燈控制的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)還增加了時控功能。電路圖中的DS1302即為一種低功耗的時鐘芯片，它能準(zhǔn)確地輸出年月日時分秒，從而供系統(tǒng)參考使用，還可以用來設(shè)定路燈的工作時間。時控電路和光控電路的同時存在還能增加太陽能LED路燈抗干擾的能力。因為光控電路雖然能判斷周圍環(huán)境的光線強弱，但是也存在被閃電等其他光源干擾的可能性，因此，它與時控電路一起配合，使得太陽能LED路燈系統(tǒng)既能判斷周圍的光照強弱，又能防止被誤觸發(fā)。
1.6 LED驅(qū)動電路的設(shè)計
該電路主要由兩片AMC7150構(gòu)成兩路驅(qū)動，每一路的參數(shù)也都一樣。AMC7150所需的外圍元件較少，C1、C2是濾波電容，C3、C4是定時電容，決定AMC7150的開關(guān)管工作頻率。D1、D2是快速開關(guān)二極管，L1、L2是電感，其作用也是為了穩(wěn)定輸出端的電流。R1、R2是限流電阻，其大小取決于輸出的平均電流大小和紋波電流大小。本文中設(shè)計的驅(qū)動器每路輸出電流大小為1050 mA，紋波電流不大于100 mA。因此計算公式為：Rse=330 mV/(1050 mA+0.5×100 mA)=0.3 Ω。電路圖如圖5所示。
圖5 LED驅(qū)動電路
2. 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本設(shè)計采用了AT89C52單片機，所以除了硬件部分的設(shè)計外，還需要軟件支持。該路燈的時控、光控和防閃電等功能均是通過編程實現(xiàn)的。圖6為系統(tǒng)控制軟件流程圖。
當(dāng)系統(tǒng)開機以后，首先將進行初始化。初始化結(jié)束以后開始讀取時鐘芯片上的信息，再將讀取的信息與設(shè)定的時間比較，如果符合條件則讀取蓄電池上的電壓反饋，不符合條件的話就繼續(xù)返回讀取時鐘芯片。如果反饋顯示蓄電池電壓偏低則啟用市電模式，否則開啟蓄電池供電電路。隨后，系統(tǒng)讀取光控電路上的反饋信號，判斷周圍光線強弱。如果光線較弱就開燈，否則延遲1秒鐘重新判斷光線強弱，這樣做是為了屏蔽閃電的干擾。假如光線還是很強，那么系統(tǒng)就認(rèn)為周圍光線確實很強，不需要開燈;否則就認(rèn)為是閃電的干擾，繼續(xù)工作。
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖
3. 電路的仿真與結(jié)果討論
本文應(yīng)用Protues和keil軟件對充電電路、升壓和控制電路進行如下仿真。
圖7是對充電電路進行的軟件仿真，從圖中我們可以看到，輸出電壓為17.5 V時，其輸出端的電壓為15.1 V，與理論值基本一致。
圖7 充電電路仿真圖
圖8是對升壓電路進行的仿真，圖中電子繼電器線圈的兩端加上5 V電壓后，蓄電池到倍壓電路的開關(guān)導(dǎo)通，此時在方波信號產(chǎn)生器(頻率1 kH)的驅(qū)動下，倍壓電路開始工作。從圖中的電壓探針上，我們可以看到，倍壓電路輸入端電壓為12 V，輸出端約為24 V，確實達(dá)到了預(yù)期的效果。
圖8 升壓電路仿真圖
圖9是正常工作狀態(tài)下的太陽能LED路燈的仿真圖。從圖中可以看出，該路燈現(xiàn)在是在晚上8:32，此時周圍沒有強光，蓄電池電壓正常。這個時候，單片機P1.3口上輸出一個高電平，連接蓄電池到倍壓電路的電子繼電器觸點閉合，同時P1.2口上輸出約1 kH的方波信號，于是倍壓電路開始正常工作，LED路燈開始發(fā)光。
圖9 正常狀態(tài)路燈仿真
圖10是模擬在工作狀態(tài)下的路燈檢測到蓄電池低電壓時的反應(yīng)。從圖中可以看出，這個時候連接P1.1口的LED燈亮了，表示市電模式的開關(guān)已經(jīng)打開。而P1.2口上沒有信號產(chǎn)生，P1.3口上出現(xiàn)低電平，表示蓄電池供電電路已經(jīng)斷開，系統(tǒng)已經(jīng)進入市電模式。
圖10 欠壓狀態(tài)路燈仿真
圖11是模擬白天太陽照射下的太陽能LED路燈，從圖中可以看出，這個時候，P1.2口上沒有信號，P1.3口上出現(xiàn)低電平，蓄電池供電電路已經(jīng)斷開。連接P1.1口的LED燈沒亮，市電模式開關(guān)也沒有打開，也就是說這時路燈已經(jīng)被關(guān)閉了。同時我們發(fā)現(xiàn)連接P1.0口的LED亮了，說明充電電路的開關(guān)已經(jīng)打開，系統(tǒng)此時正在充電。
圖11 充電狀態(tài)路燈仿真
