太阳能路灯智能控制系统设计

摘要：设计了一套太阳能路灯智能控制系统，该系统应用了红外控制和光控，白天太阳能板给蓄电池充电作为供电能源，灯不亮；在晚上，由红外控和光控来实现人来灯亮，人走灯灭的效果。电路具有蓄电池过充、过放保护功能，当充电电压高于电池的最高阈值电压时，保护电路动作，太阳能板不对蓄电池充电；当蓄电池放电两端电压接近最低阈值电压时，保护电路使电池不再供电，以此来保护电池，延长其使用寿命。在阴雨天或电池处于过放状态时，电池不供电，自动转为后备电源供电。
关键词：太阳能；路灯；智能控制系统

0 引言
    自哥本哈根气候峰会召开以来，环保节能为当今世界热点话题，节能减排，已不仅是政府的一个行动目标，而且还能给企业带来经营上的收入，让城市居民能获得一个较好的生存环境。节能减排更是一个人类解决环境问题的必经之路。我国节电潜力仍很大。在工业领域，通过电力电子技术的开发和应用及对风机水泵等电力拖动系统进行优化，可取得显著的节电效果；在建筑物用电方面，全面实施建筑物的能效标准，特别是改进空调制冷和取暖技术和系统的能效，将有巨大的节电效果。高效照明和提高家庭、办公用电器的能效也有巨大的节电潜力。采取多种措施，推动节能节电不仅可取得好的经济效果，还可节约电力建设投资，减小电力建设风险。如果在产业产品结构调整方面加强引导，使我国的经济结构尽快向低能源强度方向转变，同时加强节能，全面提高能效，我国可能以低得多的电力消费增长，达到GDP翻两番的经济增长目标，同时带来环保、经济效益、能源安全等一系列的效果。电力系统要全面开展以节电和负荷管理为目的的需求侧管理。
    太阳能不仅拥有良好的经济前景，且随其产业化的发展，将提供越来越多的就业机会。因此太阳能光伏发电市场发展前景相当广阔，已经引起了世界发达国家的高度重视。
    与发达国家相比，中国的光伏发电产业发展缓慢，各种光伏材料的发展也相对落后。现有的路灯大多都是市电供电，以太阳能作为能源的路灯应用不够广泛。基于这一背景，设计了一款太阳能路灯红外控制自动感应照明智能控制系统，除了用太阳能供电外，还添加了红外控制和光控这一其他太阳能路灯都没有的智能控制系统。作为一种应用电子类的智能化方案，期望为高校、政府部门、街市等各个公共场所路灯照明设备的智能化管理和能源节约提供方便或帮助。

1 系统原理及电路
    太阳能路灯智能控制系统主要由电源、蓄电池过充和过放保护电路、红外控制及光控电路以及灯具组成。
    电源分为电池电源和220 V市电经AC-DC转换电路后的稳定电源。AC-DC转换电路主要由变压器及集成稳压管构成。蓄电池过充保护电路是一个简单的由稳压二极管、三极管及电阻构成的电路，而在太阳能板给电池充电时为防止电池对太阳能板反向充电，需在太阳能板和电池之间接一个二极管。蓄电池过放保护电路的主要元件为滞回比较器和继电器。由滞回比较器来判断电池是否达到过放状态，由继电器作为选择开关，来选择用电池供电还是后备电源供电(电池在过充状态时和阴雨天气时)。红外控制和光控电路主要组成部分是红外探头、数字电路及光敏电阻，而红外控制部分可以集成一块芯片，即BISS001芯片。灯具有照明灯具及演示时的指示灯。由于设计的是草坪灯，照明灯具需要足够的亮度，可以选用由81个发光二极管构成的现成的灯具。指示灯用简单的发光二极管即可。
    根据以上方案，总体框图如图1所示。

    此系统有两点节能之处：第一，使用太阳能电池板发电作为能源，实现路灯照明的零损耗；第二，后续电路中使用光控及红外控制节能系统，实现人到灯亮，人走灯灭的效果，同时在连续阴雨天气下，使用后备电源220 V供电，保证电路正常工作。
    白天，光控开关电路处于打开状态，后续控制电路不工作，路灯不亮；晚上，光控开关电路自动闭合，当行人路过，被红外探测器检测到，红外控制开关闭合，路灯亮起，同时时延电路启动，数十秒后路灯自动熄灭。当遇到连续阴雨天气，太阳能蓄电池电压过低，达到低压控制开关开起阈值时，开关自动闭合，电路切换到220 V市电供电，经过AC-DC转换电路，将稳定的直流电源输送至光控开关电路，以实现取代蓄电池供电的目的，同时也实现了节能的效果。
1．1 过充保护电路
    为防止电池过充电，影响电池的使用寿命，设计了一个简单的电池过放保护电路。
    原理如图2所示，图中的Q1、D2、D1组成保护电路，其中D1(1N4743)为稳压管二极管(+13．5 V)，D1和D2共同组成三极管Q1的偏置电路。R1是Q1管的限流电阻。电路外接充电器充电时，如电池的最高阈值电压在14．4 V左右，在充电初期蓄电池按常规的欠压状态慢慢上升，当电池电压达到稳压管D1的击穿电压时，D1管开始导通，此时Q1管也导通，促使A、B端电压下降，设置合适的参数使电池两端电压最高值不会大于14．4 V。在蓄电池已充满时保护电路会使蓄电池处于涓流充电状态，这就使电池具有充电保护功能。

    当电池两端电压高于太阳能板两端电压时，可能会产生电池给太阳能板反向充电现象。一旦发生这种现象，太阳能板很有可能被烧坏，造成损失。因而，过充保护电路还应该包括防反充电路，即在太阳能板和电池之间连接一个二极管来防止电池对太阳能板反向充电，如图3所示。

1．2 过放保护电路
    该电路原理如图4所示。图中Q2使比较器起滞回作用，使比较电路有两个门限电压：VTHR和VTHL(VTHH>VTHL)，一个滞回区。当电池电压从低升高至VTHH时，比较器输出高电平；当电池电压降低至VTHL时，比较器输出低电平。这个时候电池端电压虽然会迅速升高至VTHL以上，但由于达不到VTHH，所以，比较器仍然输出低电平，直到电池被充电后电压升高至VTHH以上才能再次输出高电平。这样就避免了电路的振荡，保护了负载和电池。

    比较器正端反映的是电池的采样电压U3，比较器负端反映的是电池的参考电压U2。当U3>U2时，比较器输出高电平，Q1导通，Q1的C极为低电平，Q3截止，负载不工作；当U3<U2时，比较器输出低电平，Q1截止，Q1的C极为高电平，Q3导通，负载工作。电池电压接近最小阈值电压时电池不给负载供电，只有当电池电压大于最小阈值电压与滞回电压的和时才会再次给负载供电。当比较器输出高电平时，Q2导通，U2= VTHL；当比较器输出低电平时，Q2则截止，U2=VTHH。图中Q1、Q3起开关作用。
1．3 后备电源
    在阴雨天太阳能电池板无法将电池充到可工作的状态时，就要用到后备电源给电路供电，后备电源采用的是交一直流转换，将交流电转换到额定的直流电压值以确保电路正常工作。
1．4 红外光控控制电路
    该系统采用了BISS0001芯片，它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，具有独立的高输入阻抗运算放大器。该组成部分采用硬件来实现，可以选用集成芯片BISS0001、三极管8050、光敏电阻和红外感应器来设计。红外感应器把传感器传送的红外信号处理后反馈到控制端，经过内部线性放大，双向鉴幅，信号处理，延迟定时，封锁定时等处理。其脚2输出高电平使三极管8050导通，驱动继电器K吸合，再由继电器触点控制相应的被控对象。此处继电器可换成双向可控硅。

    图5中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。其中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关。当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小，原图选10 k，实际使用时可以用3 k，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9／R10可以用470 Ω，C6／C7可以选0．1 V。

2 创新点
    (1)电池过放保护系统的电路简单，使用灵活。只需选择供电电压较高的比较器，就可以应用到任何电压等级的电路中；只需改变电阻值就可以设置任意的导通和关断门限，从而可以具有一个较宽的安全范围。
    (2)在控制系统中照明电源与芯片工作电源分开，将蓄电池的电源分路进行分别稳压处理，在使用微小功率继电器自动选择合适电压，小    电压供给芯片工作，大电压供给灯具照明，避免了使用同样的大电压供给所产生的功耗的损失。同时在照明回路中，避免使用功耗较大的三极管做开关，而是使用可控硅。
    (3)设计有备用电源，在连续的极端恶劣天气下，蓄电池电量用完，得不到及时充电，可以自动开启后备电源，保证路灯正常工作。

3 结束语
    本太阳能路灯智能控制系统的设计，对城市环保、照明节能、缓解常规能源紧张的情况有积极意义。整个系统运行均为自动控制，工作原理简单，安装方便，技术可靠。适用范围：一方面，在道路、景观照明以及今后可能推广的太阳能系统区域网内集中采供电应用等方面，其技术和市场很有发展前景。另一方面，在一些特定场合(海岛、景区山顶、偏远地点等)的应用优势明显，包括示范应用也有积极意义，所以研究很有意义。