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

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(shí)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(fèi)。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(bǔ)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(jì)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(jì)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(bǔ)控制模塊和LED燈控制模塊。此外還設(shè)計(jì)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(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊的控制器設(shè)計(jì)以STM32芯片為核心，用以實(shí)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(hù)。設(shè)計(jì)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(bǔ)整體結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)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(jī)的轉(zhuǎn)速迅速升高，機(jī)械輸出功率也迅速加大，由于后續(xù)電路設(shè)計(jì)的容量有限，且風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過快對風(fēng)機(jī)的機(jī)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(dú)立運(yùn)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(jì)了實(shí)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(jì)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(jìn)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(jì)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(qiáng)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(yùn)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)模混合專用集成電路，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(jìn)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(jì)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(qiáng)度超過限定閥值時，Q2導(dǎo)通，a點(diǎn)電平被拉低，進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)度處在限定值的臨界時，即a點(diǎn)的電平值為閥值電平，不論是光照強(qiáng)度的微小變化，還是外界干擾，都會引起a點(diǎn)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(jì)成為滯回比較電路，從而避免在閥值點(diǎn)(a點(diǎn))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(hù)等優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)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(jì)選用3個1 W的大功率LED串聯(lián)，并串聯(lián)保護(hù)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(bǔ)發(fā)電和壽命長、功耗低的LED燈能較好地實(shí)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(shí)用推廣價值。