風(fēng)光互補發(fā)電的節(jié)能LED燈控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著控制技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的控制技術(shù)被應(yīng)用于照明工程。目前，高層樓道燈開關(guān)控制方法多為“鐘控+光控”或“聲控+光控”方式。“鐘控”不適用于天氣突變與季節(jié)變化等自然情況，而“聲控”在醫(yī)院、學(xué)校、圖書館等需要安靜的場所不太適用，因此兩者均不能實現(xiàn)控制開關(guān)燈的合理化、人性化和科學(xué)化。開燈早、關(guān)燈晚，或者開燈晚、關(guān)燈早的現(xiàn)象，會造成電能大量的浪費。近年來，由于人們對能源、環(huán)境問題的日益關(guān)注，太陽能、風(fēng)能越來越受到人們的重視。由于陰雨天常常伴隨著大風(fēng)，利用這一互補現(xiàn)象能有效地解決單一發(fā)電不連續(xù)的問題，提高了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。在蓄電池對外提供功率不足時，系統(tǒng)能自動切換到市電供電，保證了所設(shè)計電路供電系統(tǒng)的可靠性。再配合以“熱釋電人體紅外+光控”，可以有效地節(jié)約能源。

1 整體設(shè)計方案

LED燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括風(fēng)、光發(fā)電模塊、控制模塊(STM32)和負(fù)載模塊(LED燈)。其中，控制模塊分為以STM32為核心的風(fēng)光互補控制模塊和LED燈控制模塊。此外還設(shè)計了市電備用電路，在因特殊情況導(dǎo)致蓄電池不能對外供電，或蓄電池和風(fēng)力發(fā)電提供的功率之和小于負(fù)載消耗功率時，由系統(tǒng)切換到市電供電。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源模塊

電源模塊的控制器設(shè)計以STM32芯片為核心，用以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的最大功率跟蹤控制，以及對蓄電池的充放電控制和過充、過放保護。設(shè)計的市電備用模塊用在無風(fēng)或風(fēng)力較小，連續(xù)陰雨天且蓄電池電量存儲不足時，用STM32芯片控制自動切換到市電供電。

2.1.1 風(fēng)光互補整體結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補整體電路由DC/DC變換模塊和蓄電池充放電模塊組成。圖2中的開關(guān)器V1～V6選用驅(qū)動功率小而飽和壓降低的IGBT晶體管。DC/DC變換模塊采用的是具有升壓作用Boost電路。此外，在風(fēng)力過大時，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速迅速升高，機械輸出功率也迅速加大，由于后續(xù)電路設(shè)計的容量有限，且風(fēng)機轉(zhuǎn)速過快對風(fēng)機的機械傳動裝置損害也較大，為此在整流和Boost電路之間加入了卸荷電路。卸荷電路由V2和R1組成，采用的是功率連續(xù)調(diào)節(jié)方式。

蓄電池充放電模塊選用電流可逆斬波電路：

①充電過程。在風(fēng)力發(fā)電和太陽能提供的輸入功率大于負(fù)載消耗時，V4導(dǎo)通，V5截止，形成Buck電路，向蓄電池充電。

②放電過程。在風(fēng)力發(fā)電和太陽能提供的功率小于負(fù)載消耗功率，或者兩者皆不對外提供能量時，V4截止，V5導(dǎo)通，經(jīng)由D4組成Boost電路向負(fù)載供電。為防止蓄電池過沖，在可逆斬波電路前加入卸荷電路。

2.1.2 電壓檢測模塊

蓄電池是系統(tǒng)獨立運行必不可少的環(huán)節(jié)，蓄電池的壽命受放電深度和充電程度的影響，此外其放電深度還受環(huán)境因素的影響。為了提高蓄電池的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)設(shè)計了實時采集電池端電壓環(huán)節(jié)，通過電池兩端的電壓來判斷蓄電池的充放電程度。STM32的ADC的輸入電壓范圍為0～3.6 V，而設(shè)計使用的12 V蓄電池的正常使用電壓范圍為10.8～14.4 V。為此，采用電阻分壓原理對電池電壓進行分壓采集，原理如圖3所示。將采集到的電壓轉(zhuǎn)換到2.7～3.5 V，并通過設(shè)計的二階低通濾波電路輸入到STM32的ADC端口，當(dāng)采集到的電壓超過所設(shè)范圍時，通過調(diào)整PWM脈沖控制蓄電池的充放電。

2.2 LED燈控制模塊

LED燈控制模塊由熱釋電人體紅外感應(yīng)控制模塊和光控模塊共同組成，只有兩開關(guān)同時起作用時LED燈才會亮，否則熄滅。

人體一般都有恒定的體溫，所以會從人體表面發(fā)出特定波長的紅外線，利用菲涅爾透鏡將人體所輻射出來的紅外線增強后聚集到熱釋電紅外傳感器上，通過后續(xù)電路將能量轉(zhuǎn)換為電氣信號。

該模塊以BISS0001傳感器信號處理器為核心。BISS0001有電壓比較器、運算放大器和狀態(tài)控制器、封鎖時間定時器、延遲時間定時器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，非常適合用于LED燈的控制。LED燈控制模塊電路如圖4所示。

①封鎖時間T的調(diào)節(jié)。通過改變芯片BISS0001的RR2引腳連接的電阻R11的阻值和引腳RC2連接的電容C6的電容值來改變封鎖時間：

Ti≈24R11×C6

②輸出延遲時間T的調(diào)節(jié)。通過改變BISS0001的RR1引腳連接的電阻RT3和R12的阻值和引腳RC1連接的電容C5的電容值來改變輸出延遲時間，進而調(diào)節(jié)在人體觸發(fā)信號后輸出動作的持續(xù)時間：

Tx≈49 152×(RT3+R12)×C5

芯片BISS0001的VC端為觸發(fā)禁止端，低電平有效。在此引腳設(shè)計中加入光控模塊來控制芯片BISS0001是否允許觸發(fā)。

其電路原理如下：當(dāng)光照強度超過限定閥值時，Q2導(dǎo)通，a點電平被拉低，進而比較器U1的2號引腳被拉低，同時比較器U1的3號引腳經(jīng)電阻RT1分壓得到一個較合適高電平，這樣比較器U1的3號引腳輸入電平大于2號引腳的輸入電平，因而比較器U1輸出高電平，NPN型三極管Q1導(dǎo)通，芯片BISS0001的VC引腳被拉低，觸發(fā)禁止。當(dāng)光照強度未達(dá)到限定值時，Q2不導(dǎo)通，U1的2號引腳被拉高，且此時a點電位高于比較器U1的3號引腳輸入電平，這樣經(jīng)過比較器U1后輸出低電平，且此時指示燈LED1點亮，三極管Q1不能導(dǎo)通，引腳VC電平拉高，此時芯片BISS0001允許觸發(fā)。

當(dāng)光照強度處在限定值的臨界時，即a點的電平值為閥值電平，不論是光照強度的微小變化，還是外界干擾，都會引起a點電平跳變。為解決這一問題，在比較電路中引入正反饋環(huán)節(jié)，使電路設(shè)計成為滯回比較電路，從而避免在閥值點(a點)電平跳變帶來的干擾。

2.3 LED燈驅(qū)動電路

LED燈驅(qū)動芯片選用AMC7135。AMC7135是一款降壓恒流芯片，供電范圍為2.7～6 V，輸出恒流為350mA(電流檔位可選)，此外還具有輸出短路保護等優(yōu)點。其設(shè)計電路圖如圖5所示。

LED樓道燈的照明功率范圍在2～5 W，此次設(shè)計選用3個1 W的大功率LED串聯(lián)，并串聯(lián)保護電阻R1，R1的阻值可參考下式，其中VLED為LED燈的壓降：

R1=(12 V-3x VLED)/350 mA

結(jié)語

本文對節(jié)能LED樓道燈的硬件電路及電源電路做了簡單的介紹。經(jīng)測試，在5 m范圍內(nèi)能夠檢測到人體的移動，可以達(dá)到“人來燈亮，人走燈滅”的效果，也能應(yīng)變連續(xù)陰天、停電等突發(fā)情況。利用風(fēng)光互補發(fā)電和壽命長、功耗低的LED燈能較好地實現(xiàn)節(jié)能的想法。該系統(tǒng)不僅適用于高層寫字樓、教學(xué)樓、醫(yī)院等場所，而且還可以作為路燈使用，有較高的實用推廣價值。