常见问题

1 太阳能LED路灯设计

1.1 系统总体框架

本文设计的太阳能LED路灯系统由太阳能电池板、蓄电池、蓄电池充放电控制器、时间和红外控制器、LED路灯负载等部分组成.其工作原理为白天通过太阳能电池组件采集太阳能，并将其转化为电能存储在蓄电池里；天黑时由蓄电池提供电源供控制器和光源负载使用.系统总体框架图如图1所示.

图1 系统总体框架图

1.2 太阳能电池板的选择

苏中地区的年总辐射量是4 200～5 400 MJ/m2，南通地区年日照时长为662～1 287 h.负载年消耗为

式中：V = 12 V为工作电压；I = 0.5 A为系统的工作电流；T为负载的工作时间，一年日照时数tmin= 662 h，tmax= 1 287 h，T = 2 920 h；K = 0.6（K包含充电效率、太阳能电池板脏污系数、电池板温度补偿系数、并联接线损失系数、最佳输出补正系数、蓄电池放电效率、驱动效率、线损等）.

负载功率为

由此选择一个45 W的多晶硅太阳能板组件作为本系统发电源.

1.3 蓄电池的选择

南通东临黄海，南靠长江，与苏州，上海相对.地理坐标为：东经120.86北纬32.01.负载的工作时间设为8 h，按照1.2节所选的LED灯具，电压12 V，电流0.5 A，蓄电池容量如下：

式中：D是连续阴雨天气的天数.通常情形下，南通地区的阴雨天数不会连续超过3天.若D选4，需要增大蓄电池的容量，成本提高；若D选2，不能满足本地区的需求，综合以上因素，D选为3.1.1为蓄电池安全系数.本系统选取12 Ah的铅酸蓄电池.

1.4 太阳能路灯智能控制器

系统控制器选用的太阳能路灯智能控制器功能图如图2所示.

图2 太阳能电池控制器

白天当太阳能对蓄电池进行充电时，充电系统对来自太阳能电池板随光强变化而产生的不稳定的电压电流有自动稳压、自动稳流、恒压限流、浮充/均充自动转换、温度补偿等功能.可以对蓄电池起到很好地充电保护的作用，提高蓄电池的使用寿命，其工作参数如表1所示.

表1 充电系统的工作参数

1.5 稳压电源

本文使用的LED光源由6个功率为1 W的LED三串两并组成，每个LED的工作电压是3.2 V，工作电流约为0.3 A.本文使用的蓄电池规格是12 V 9 A的，因此需要对蓄电池的输出电压电流进行调控，使其在LED光源的工作电压、电流范围之内.为此，本系统设计了稳压电路来调控电压，原理图如图3所示.

在图3中，IN接蓄电池的正端，由式（5）可以得到可调电阻R1= 4.2 Ω，其中Vref为LM317H集成块2、3脚之间的电压，恒为1.25 V.在计算中，Iadj很小可以忽略. O1端接光源的正极，对光源供电；O2端接单片机和PWM调光电路.

图3 稳压电路原理图

1.6 时间控制电路

时间控制电路由最小单片机系统、DS12887时钟芯片、键盘和1602液晶显示器组成.以AT89S52单片机为核心，选用11.059 2 MHz的晶振，使得单片机有合理的运行速度，起振电容为30 pF，复位电路为按键高电平复位. DS12887的引脚如图4所示.

其中用于产生输出时间的DS12887时钟芯片的数据段与单片机的P0口连接.实验中用到键盘的3个按钮S1、S2、S3用于对时间的调整，他们分别连接单片机的P17，P15，P14.当用于设定开关时间时，S2键用于在秒、分、时、是否开启定时之间切换；S1是增加键；S3是减小键. 1602液晶显示器用于显示时间，第一行显示世纪、年、月、星期；第二行显示开关标志、时、分、秒.液晶显示器E、RW、RS分别与单片机的P26，P25，P24相连接，其数据接口与单片机的P0口相连接.

1.7 红外控制电路

本系统采用HC-SR501人体红外感应模块.当有人进入其感应范围则输出高电平；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平.该模块有2种触发方式：L不可重复，即感应输出高电平后，待延时时间一结束，输出自动从高电平变为低电平；H可重复，即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）.具有感应封锁时间（默认设置：0.2 s）：感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号.此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰.红外控制电路与单片机的连接如图5所示.

图4 DS12887管脚连接图

图5 红外感应工作原理图

1.8 PWM调制电路

基于PWM的LED调光控制法采用大于100 Hz的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实现LED的调光控制.选用大于100 Hz开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，在PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，可以在高度调光比范围内保持LED的发光颜色不变. PWM调制电路与光源电路连接如图6所示.

当达到晚上预设的时间时，由单片机产生PWM通过P2∧2端口输出从而实现光源的2/3功率发光.当有人通过时，由红外控制电路产生的高电平输入单片机中由程序处理，在P1∧2产生一个高电平从而控制继电器工作，开关闭合使光源全功率发光并延迟一段时间.

本文主要程序任务是通过51单片机控制DS12887实现时钟的运行并读取显示在1602液晶显示器上，并可以通过键盘进行调整，可以设置时钟（即控制太阳能路灯的开关时间），并接受红外感应模块的信息实现全功率和2/3功率的转换功能.

2 太阳能LED路灯的测试

整个系统实现功能的程序流程图如图7所示.

对本文设计的太阳能LED路灯进行测试，部分测试数据见表2～3.

该路灯系统功耗较低，在2种工作状态下测试结果为：以全功率工作时，电压13.6 V，电流0.375 A，消耗功率5.1 W；以2/3功率工作时，电压13.5 V，电流0.270 A，消耗功率3.6 W.

图7 系统功能程序流程图

表2 白天充电测试数据

表3 夜晚放电测试数据

3 结论

本文设计的路灯系统使用太阳能电池板作为能量来源较好地达到了低碳环保的目的，并且采用时控和红外控制，既利用了时控不易受外界干扰的特点，又利用红外控制调控有人与无人情况下灯的亮度，使得路灯照明更加节能，合理选取了LED光源、太阳能电池板和蓄电池参数，在连续3个阴雨天的情形下路灯也可以正常工作，具有较高的实用价值.