太阳能LED路灯的研制

摘要：随着社会的发展和人口的增长，人们对能源的需求量越来越大，节能环保已经成为人类迫切需要解决的问题。太阳能作为一种清洁能源受到越来越多的关注，而LED具有发光效率高、寿命长等优点。基于Si1000单片机，采用蓄电池充电芯片LT3652和LED驱动芯片LT3756，将太阳能光伏发电和LED照明相结合，应用于小型街道路灯照明系统，并结合传感技术及无线通讯技术，提高了蓄电池的充电效率，实现了光控、声控、及无线控制功能。
关键词：太阳能：LED；Si1000；PWM

    随着现代化发展的要求，能源的紧缺，污染的严重等综合影响，节能环保智能化的太阳能照明设备得到了很快的发展，并且有着非常好的市场需求前景。在太阳能利用方面，美国、欧洲以及日本起步最早，并且现阶段整体光伏发电系统以及太阳能利用方面也较为完善。由于拥有先进的光伏发电技术为基础，加之完整的体系架构，太阳能LED路灯发展非常迅速，并且在很多城市地区已经大规模投入使用。国内方面，近几十年来太阳能光伏产业在灯具照明领域得到不断发展，伴随着LED市场的火热，太阳能LED照明设施也得到了很多利用，但是这些往往集中在高尖端领域或是利用在非常重要的场合，还没有遍及到普通的市政路灯照明。太阳能LED路灯以太阳为能源，其无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调节灯具的布局，具有安全节能环保便捷等很多优点。并且以大功率LED作为负载照明，LED灯相比较白炽灯以及节能灯，其发光效率高、耗电量小、安全环保可靠性强。

1 太阳能LED路灯总体设计
    太阳能路灯由太阳能电池板、蓄电池及充电电路、LED灯具及LED驱动电路、控制器、光照和声音检测电路及手持控制器组成，如图1所示。白天太阳能电池给蓄电池充电，夜晚蓄电池自动供电照明。采用大功率LED恒流驱动芯片，配合基本电路提供稳定安全的恒流电源，维持LED灯的长寿命工作；配合主控制器产生的PWM信号，实现对LED照明的光强控制。光控、声控电路可以根据不同外界条件控制照明。可以通过手持遥控器控制路灯，并且能够获取路灯状态信息，完成故障检测。通过判断蓄电池的充电状态，自动采用相应的充电方式进行充电，过温保护电路可延长蓄电池使用寿命。

    选择12个1W白光LED作为光源，其额定光通量为100 lm，路灯光通量达1 200 lm，相当于120 W自炽灯，可以满足小型街道照明。以西安地区为例，峰值日照为3．5小时，平均每天照明时间7小时，连续阴雨天最长7天，可选用12 V 50AH的蓄电池。根据太阳能电池组件综合损失系数及蓄电池充电效率，采用60Wp的太阳能电池板。
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2 系统硬件电路设计
2．1 控制器
    采用美国Silicon Labs公司推出的Si1000芯片作为控制器，集成了超低功耗MCU及高穿透力的RF芯片。Si1000系列无线微控制器内部集成了25 MHz的8051内核，EZRadioPRO系列略低于1 GHz的RF收发器件，最大64 kB的Flash以及最高12 bit分辨率的ADC，所有这些均集成在一个5 mmx7 mm的紧凑的封装中。Si1000系列无线微控制器为用户提供领先的RF性能，包括最高的发射功率，最高的接收灵敏度和最高20dBm的发射功率和-121 dBm的灵敏度，使系统拥有了高达141 dB的链路预算。文中无线遥控RF频率为433MHz。单片机的P1．6与P1．7分别与LT3652的CHRG和FAULT引脚相连，用于检测蓄电池的充电状态。P1．5与LT3756的PWM引脚相连，可以产生不同占空比的PWM信号，驱动LED照明及调光。P2．0与P2．1分别与光照强度及声音检测模块输出端连接，实现对LED灯的自动控制。
2．2 充电电路
    采用LT3652充电芯片，其输入电压调节环路电路提供几乎与最大峰值功率跟踪(MPPT)充电方法同样的充电效率，如图2所示。太阳能板输出电压随太阳光的强度变化，LT3652可接受4．95～32 V的宽输入范围，可以满足太阳能板的输出范围。在输入电源调节欠佳时，输入电压调节环路还允许优化充电。该器件可为各种配置的电池组充电。LT3652的充电电流可编程高达2 A。可以通过对R1的选取来设置充电电流，文中R1取值0．1Ω，对应充电电流为1 A。这个独立的电池充电器不需要外部微控制器，具有用户可选的终止，包括C(蓄电池额定容量)／10或内置定时器。本文采用定时器中止方法，通过对电容C1的取值的完成对中止时间的设置。例如选择1个0．68μF的电容可以设置为3小时定时中止。该器件的1 MHz固定开关频率可实现小的解决方案尺寸。浮置电压反馈准确度规定为0．5％，充电电流准确度为5％，C／10检测准确度为±2．5％。一旦充电终止，LT3652就自动进入低电流备用模式，这种模式将输入电源电流降至85μA。在停机模式，输入偏置电流降至15μA。就自主充电控制而言，如果电池电压降至比设定的浮置电压低2．5％，那么自动再充电功能就启动一个新的电周期。本文对12 V 50 AH的密封铅酸进行3阶段充电。第1阶段以1 A恒流快速充电到蓄电池电压达到14．4 V；第2阶段以14．4V恒压充电，当电流下降到0．1 A时进入第3阶段，13．5V浮充阶段；当蓄电池电压低于13．2V时，自动进入新一轮充电。电路中的R9为一个热敏电阻，当检测到蓄电池温度超出0～45℃范围时，芯片将停止充电，可有效保护蓄电池并延长其使用寿命。

2．3 LED驱动电路
    LED驱动电路采用具有高端电流检测DC／DC转换器LT3756，该器件为驱动大电流LED而设计，如图3所示。其6～100 V的宽输入电压范围使该器件非常适合于种类繁多的应用，包括汽车、工业和建筑照明。文中R1、R2、Vin和SHDN组成的分压电路可以将输入电压范围限制在8～80 V，可以满足12 V蓄电池作为电源。LT3756使用一个外部N沟道MOSFET，可以用标称值为12 V的输入驱动多达20个1 A的白光LED。文中驱动12x1 W串联的大功率白光LED，测得LED两端电压34～38 V之间，所以要求C2的耐压值要高于38V，这里选用耐压值为50V 10μF的电容。它含有高端电流检测，从而使它能够用于升压、降压、降压-升压、SEPIC(单端初级绕组电感变换器)中。文中采用SEPIC模式，这种电路最大的好处是输入输出同极性，尤其适合于电池供电的场合，另外通过主回路上的电容C1实现输入输出的隔离，具备完全关断功能，当开关管关闭时，输出电压为0 V。LT3756在升压模式时可以提供超过90％的效率，从而无需任何外部散热措施。频率调节引脚允许用户在100 kHz～1 MHz范围内对频率编程，本文对R2取值28．7 kΩ将频率设置为400 kHz，在优化效率的同时也最大限度地减小了外部组件的尺寸和成本。结合3mmx3mm QFN或耐热增强型MSOP-16封装，LT3756提供了一个非常紧凑的驱动器解决方案。

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    LT3756采用PWM调光，以宽达3 000：1的调光范围提供恒定LED色彩。CTRL引脚可用来提供一个10：1的模拟调光范围。其固定频率、电流模式架构确保在宽电源和输出电压范围内稳定工作。一个以地为基准的电压FB引脚用作几种LED保护功能的输入，从而使该转换器可以作为一个恒定电压源工作。经过实际测试，可以实现LED照明及调光功能。

3 系统软件设计
    控制软件程序采用C语言编写，通过C2接口编程实现对电路的控制。采用自动和遥控两种控制模式。自动控制是根据不同时间段结合光照强度和声音大小采取相应的控制策略。遥控控制模式是通过手持遥控器进行控制，当检测到通讯信号时触发中断进入遥控控制模式，读取缓冲区中命令并执行，直到收到退出遥控模式命令时退出遥控控制模式，如图4所示。

4 结束语
    文中所研制的太阳能LED路灯，采用低功耗耐高温Si1000无线收发主控芯片，结合专用蓄电池充电芯片和LED驱动芯片，满足了小型化、功耗低、高效率、智能控制的需求。采用新型蓄电池充电芯片，无需单片机控制，充电效率高。三段式对蓄电池充电，有故障检测和保护功能，有利于延长蓄电池使用寿命。利用大功率LED恒流驱动芯片以及PWM调光技术使得整体电路更为简单，性能更为稳定。采用光控、声控、无线控制相结合的智能化控制，使得照明设备更人性化，操控性更强，维护简单控制方便。可以逐步取代小型街道照明设备，具有很大的市场前景和经济效益，并且能够很好的响应节能环保的社会生活理念。