光伏供電的LED照明路燈測控電路設計
尤 泳 王永清 計鑫山 李紫倩
(河北大學電子信息工程學院 保定市 071002)
摘 要：針對不同環境下對路燈照明亮度要求不同，設計了太陽能電池與蓄電池供電的白光LED路燈測控電路，具有光控、延時熄滅、延時后低功率輸出3種照明控制模式。系統由光電池作為光敏檢測元件實現亮度檢測，通過單片機完成定時和可調PWM功率輸出、實現路燈延時熄滅或延時后低功率照明，采用VMOS管驅動LED路燈。實驗表明系統實現了光控模式時，路燈白天熄滅、晚上自動點亮；延時熄滅模式時，路燈晚上自動亮并經過設定的延時后自動熄滅；延時加低功率模式時，路燈晚上自動點亮，經延時后自動改為低功率照明控制功能，并具有蓄電池欠壓和過壓保護功能。
關鍵字：太陽能電池；白光LED路燈；亮度檢測；蓄電池
Design of the measurement and control circuit for LED streetlight powered by photovoltaic source
You Yong Wang Yongqing Ji Xinshan Li Ziqian
(College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002)
Abstract:According to different requirement of the streetlight intensity in different environments, a measurement and control circuit for white LED streetlight powered by the solar cell and accumulator is designed in this paper. There are three control modes of light controlling, delay off and low power output after delay in this circuit. The brightness detection is accomplished by photocell as a photosensitive test component in this system. The single-chip microcomputer is used to complete timing, adjustable PWM power output, and the streetlight delay off or low power output light after delay. VMOS transistor is used to drive LED streetlight. The test indicated that lights off during the day, lights up automatically at night when use light control mode. Lights on automatically at night and off after a set delay when use delay off mode. While in the low power output after delay mode, streetlight light up automatically, and change to low power light control after a delay. This circuit also has protection function forlow-voltage and over-voltage of accumulator.Keywords：solar cells; white LED streetlights; brightness detection; accumulator
0 引 言
隨著能源危機日益嚴重，光伏能源作為一種清潔、高效的綠色能源應用越來越廣泛。光伏照明具有安全可靠、無噪聲、無污染等優點[1]。為了充分利用太陽能，根據環境光線亮暗控制太陽能LED照明路燈亮滅，設計了多功能光伏照明測控電路，實現光控、延時熄滅、延時低亮度3種工作模式[2]，控制LED路燈自動根據環境亮暗點亮和熄滅，以便節約能源，替代其他非可再生能源，降低能源消耗[3]。
1 系統結構
系統主要由太陽能電池、蓄電池、LED控制器[4]、驅動及LED照明、充放電保護電路組成[5]，見圖1所示。
系統利用太陽能電池將太陽能轉換為電能，用蓄電池儲存電能[6]。并具有蓄電池欠壓、過壓保護功能。
2 工作原理
光伏照明路燈測控系統電路原理圖如圖2所示。
白天光照較強時太陽能電池板兩端因光電效應產生電壓，其值高于蓄電池電壓時，通過繼電器常閉觸點對蓄電池充電，此時比較器U2D反相輸入端電壓高于同相輸入端電壓，比較器輸出低電平。直到蓄電池電壓達到設定充滿值時，同相輸入端電壓高于反相輸入，比較器輸出變高電平，Q3導通，常閉觸點斷開，太陽能電池停止對蓄電池充電[7]，常開觸點閉合，充滿指示燈LED3亮。白天U2C輸出低電平，LED路燈熄滅。
晚上環境光線變弱時太陽能電池兩端電壓迅速下降，比較器U2C的同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓，U2C輸出高電平，使電容C1兩端產生電壓，送到比較器U2A同相輸入端，U2A反相輸入端電壓由R10與R11分壓，即3.0 V左右。當比較器U2C輸出高電平時，電容C1上電壓高于R11上分壓，比較器U2A輸出高電平，Q3導通，LED路燈亮。
閉合模式2開關，當U2C輸出高電平時，Q4導通，AT89C2051單片機開始工作，設定的延時時間未到之前，P1.7輸出低電平，Q2導通，LED一直點亮；延時時間到，P1.7輸出跳變為高電平，使Q1導通，將U2A同相端電壓拉低，使U2A輸出低電平，LED路燈熄滅。
若同時閉合模式2和模式3選擇開關。延時時間到后，P1.7輸出高電平，LED熄滅。此時單片機查詢到P1.7和P3.3都為高電平，P1.6開始輸出脈沖PWM信號，Q2導通，此時Q2只由P1.6驅動，調節P1.6高低電平的寬度即可調節Q2導通和關斷時間，使LED工作在特定低功率下。當頻率足夠高時，由于肉眼的視覺暫留現象而看不出LED路燈閃爍。
當連續陰雨天蓄電池欠壓時，R2上分壓下降，U2B同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓，輸出高電平，U2C反相輸入端電壓高于同相輸入端電壓，LED路燈熄滅，單片機停止工作。晴天后太陽能電池重新對蓄電池充電，電壓值上升到設定值時U2B恢復輸出低電平。
蓄電池欠壓時，D4防止U2C的反相端電壓被太陽能電池板電壓拉低，保證蓄電池欠壓時能可靠停止放電。設置D6可防止繼電器釋放時形成的感應電壓[8]。
3 軟件設計
主程序設計流程如圖3所示.
根據P3.3（延時低功率標志位）的狀態設定不同的定時時間以滿足兩種模式需要。當P3.3為低電平時，LED在模式2下工作，即LED點亮8小時后P1.7（延時熄滅）輸出高電平，控制LED燈熄滅，實現延時熄滅的功能。
當P3.3為高電平時，LED在模式3下工作，即LED點亮4小時后P1.7輸出高電平，LED燈熄滅，單片機P1.6引腳輸出脈沖信號控制LED燈以低功率方式工作，實現延時后，低功率輸出。
4 實驗測試
連接控制電路、光電池、蓄電池、LED照明燈構成自動控制光伏照明系統。測試時間為早晨7點，為測試與分析控制電路工作情況，將電路分別設置在3種工作模式下，每種模式測量兩組數據，測量數據如表1所示。
表1中模式1為光控狀態，即天黑路燈亮，天亮路燈熄滅。中模式2為光控+延時關閉狀態，即天黑路燈亮，延時8小時路燈熄滅。模式3為光控+延時低功率狀態，即天黑燈亮+延時4小時后LED燈以低功率狀態照明，天亮后路燈熄滅。
為了增加可靠性，進行了保護實驗，模擬蓄電池欠壓狀態，即使蓄電池電壓低于10.8 V時欠壓指示燈亮[9]，單片機停止工作，LED路燈熄滅；模擬白天蓄電池過壓狀況，即使蓄電池電壓超過14.4 V時，過壓指示燈亮，充電回路斷開。蓄電池電壓下降到13.2 V時，觀察到充電回路繼電器再次接通，繼續充電，可以防止蓄電池欠壓[10]，有助延長電池使用壽命。
5 結 論
設計的光伏照明路燈測控電路實現了蓄電池的欠壓、過壓保護，有助于延長蓄電池的使用壽命；通過光控實現LED路燈按照預先設定的環境光照強度自動點亮或熄滅；在后半夜不需要照明的場合通過延時電路來實現LED的延時熄滅，達到節約能源的目的；可以在延時后使LED在特定低功率下工作，即通過調節脈寬占空比實現對LED照明功率的調整，用于后半夜車輛和行人少時低亮度照明，以便節約能源。