太阳能LED庭院灯智能控制系统的设计

郦文忠，李常杰，张 宁

(成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000)

引言

随着人们对光照环境质量的要求越来越高，绿色环保、节能高效的照明越来越受重视。太阳能是被看好的清洁可再生能源[1]，同时LED照明因具有节能环保、性能好、耐用等优点而被广泛应用于室内外照明领域。而太阳能与LED照明结合的代表性产物——太阳能LED路灯的设计与应用也得到了业界人士的高度关注[2-6]。

为了充分结合与发挥太阳能和LED照明的优势，扩大太阳能LED灯的应用领域，我们设计出一种结构新颖独特的市电互补聚光型太阳能LED庭院灯。该太阳能LED庭院灯灯杆作为支撑体，穿过顶部太阳能电池板的中间，LED灯安装于太阳能电池板的背部，LED灯靠近灯杆的内侧区域安装有反光结构进行聚光。该庭院灯可应用于公园、社区、步行街等公共场所的休息娱乐亭、售卖亭、服务站等场地，通过智能控制系统的管理控制提供了一种稳定高效、节能环保、绿色健康的照明供电方案。

1 太阳能LED庭院灯的系统构成

该庭院灯的系统构成如图1、图2所示。其中的关键是智能控制系统，其性能直接决定着整个系统的优劣。该智能控制系统的具体功能包括：根据蓄电池特性和环境温度等参数，对蓄电池进行精确的充放电管理和保护；根据天气状况和蓄电池状态，实时选择和切换最佳供电方式，充分利用太阳能，降低系统投资成本，保障系统稳定可靠运行；实时采集外界光照情况，并结合聚光结构，精确计算和调整LED灯的亮度，在充分满足照明需求的前提下，最大程度地追求节能环保。

图1 市电互补聚光型太阳能LED庭院灯结构示意图Fig.1 Structure of solar LED yard lamp

图2 市电互补聚光型太阳能LED庭院灯系统Fig.2 System of solar LED yard lamp

2 智能控制系统的硬件设计

该智能控制系统的硬件框图如图3所示，主要由太阳能市电互补供电和智能化LED驱动两部分组成。

图3 智能控制系统的硬件框图Fig.3 Hardware of intelligent control system

1)太阳能市电互补供电部分。该庭院灯以太阳能发电为主，以市电供电为辅：在天气晴朗日照充足的情况下，白天太阳能电池充分发电同时为蓄电池充电，夜晚蓄电池向LED灯供电；在阴雨天太阳能电池停止发电，蓄电池蓄电不足时，切换到市电供电。采用这样的太阳能市电互补供电方式，可以在充分利用太阳能的前提下，保障系统在持续阴雨等各种恶劣天气下正常稳定运行，又能有效减小光伏组件和蓄电池的容量。既有明显的节能减排效果，又能减小系统的一次性投资成本，是太阳能LED庭院灯照明目前推广普及的有效方式。

太阳能市电互补供电部分包括太阳能电池、蓄电池、市电系统以及对应的电压电流采集电路、充放电控制电路和供电切换电路。电压电流采集电路读取太阳能电池电压、蓄电池电压等控制参数，充放电控制电路实现太阳能电池对蓄电池的充放电管理、控制和保护，供电切换电路根据不同情况实现蓄电池供电和市电供电的切换。

2)智能化LED驱动部分。智能化驱动部分主要包括光敏传感器、PWM控制部分、LED恒流驱动电路。

该聚光型LED庭院灯能够根据外界光照情况的变化实时调整亮度，在满足照明区域照明需求的前提下，最大程度地实现节能环保。LED灯亮度的调节是通过调整LED恒流驱动电路的输出电流的大小来实现的；LED通断好控制，半导通难以控制，且发光效率低、发热高，不利于正常工作，因此本系统利用脉冲宽度调制(PWM)调光原理，采用PWM方式调节驱动电流大小，从而调节LED灯的亮度。PWM调光原理基于视觉残留效应，用全亮度的频率调节替代全时段的亮度调节，通过调节PWM波的占空比实现LED亮度的调节，这是由于对于LED而言，通断好控制，半导通难以控制且发光效率低。系统根据外界光照强度划分为6个照明等级(对应PWM波占空比0、20%、40%、60%、80%、100%)调节LED灯亮度，环境光线越暗，照明等级越高，LED灯越亮。智能控制系统的微处理器采集环境光强，结合聚光光学结构，精确计算出对应的照明等级，输出对应占空比的PWM波，实现对LED灯亮度的智能控制。

3 智能控制系统软件设计

该智能控制系统在完成初始化和自检后，读取各种相关参数，然后进入工作模式判断程序，根据判断结果分别进入充电处理程序或供电处理程序。

1)工作模式判断程序。工作模式的判断可以通过太阳能电池两端的电压来判断，也可以通过光敏传感器信号判断。根据太阳能电池电压判断的工作模式判断程序如图4所示。

图4 工作模式判断程序Fig.4 Judgement process of working mode

2)充电处理程序。充电处理程序如图5所示。进入充电处理程序后，先关闭LED庭院灯，然后采集环境温度、蓄电池电压和太阳能电池电压，再根据温度补偿系数和环境温度计算蓄电池过充保护电压和浮充电压，然后由大小关系决定是否执行充电程序；若需要进行充电，则根据浮充电压决定是进行直充、浮充还是过充保护。

图5 充电处理程序Fig.5 Dealing process of charging

图6 供电处理程序Fig.6 Dealing process of power supplying

3)供电处理程序。供电处理程序如图6所示，进入供电处理程序后，首先判断开灯延迟时间是否已到，若未到，则等待直到开灯延迟时间到；若开灯延迟时间到，则采集环境温度、蓄电池电压、环境光照情况，根据温度补偿系数和环境温度计算得到蓄电池过放电保护电压，再根据采集到的蓄电池电压决定系统应该采用的供电方式(蓄电池供电，或者蓄电池过放电保护、切换至市电供电)，然后开启LED庭院灯，并根据环境光照情况决定照明等级，由照明等级控制PWM波占空比，调节恒流驱动电路的输出电流，最终调节LED庭院灯的照明亮度。LED庭院灯开启后又要判断关灯时间是否已到，若关灯时间到，则关闭LED庭院灯。

4 结束语

我们设计的市电互补聚光型太阳能LED庭院灯智能控制系统具有太阳能市电互补供电功能，能自行切换供电方式，保障系统在复杂恶劣环境下稳定可靠运行，降低系统的一次性投资成本；其还具有智能照明功能，能根据外界环境光照强度的变化，实时精确地调节LED灯的亮度，最大程度地实现节能环保。该智能控制器应用于现有庭院灯的改造，可以保持原有市电供电线路不变，加装太阳能电池板和更换LED灯具即可完成，大大减少投资，节能环保效果显著，具有较高的应用价值。