太阳能LED景观灯控制器设计

1、一种变色公园景观灯独立式系统设计孙冬冬（河北软件职业技术学院，河北 保定 071000 ）摘要：本文介绍了在公园的一种由单片机、电池管理及景观灯驱动模块等组成的公园灯控制器，单片机通过控制各功能模块实现对蓄电池和景观灯的管理。关键词：景观灯控制器；单片机；电池管理；驱动模块；三基色混色原理0 引言当前城市景观灯的突出问题：消耗常规能源、电缆布线费用和工程浩大。随着新能源开发利用技术、大功率LED等技术的发展，故采用太阳能作为景观灯的电源，选用大功率的LED灯泡作为景观灯的光源，以综合降低景观灯耗能。1 系统总体框图根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过

2、放电控制电路、STC89C52单片机、蓄电池、光控电路、照明负载。系统总体方框图如图1所示。由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。太阳能电池板充放电控制器蓄 电 池LED灯控制处理器LED路灯负载图1 总体电路方框图2 系统工作原理常见的公园的景观灯色彩单调，不变化，无动感。若让景观灯发出无数种颜色并有变化效果，可以利用三基色混色原理来实现，其原理简介如下，若一发光源有红、绿、蓝3基色元组成，则此光源发出的色光通量为24。F=r(

3、R)+g（G）+b(B)(1)式中（R）、（G）、（B）分别表示红、绿、蓝3基色，r、g、b是三基色的混合比例，成为3色系数，则改变了光源的色调，例如：若r=1，g=1，b=0，则成为：红+绿=黄色，等等。只要改变混色系数r、g、b的不同比例，就能得到各种色调，改变混色系数其实就是改变灯泡上的电压。3控制器的硬件结构3.1 控制器的框架结构状态转换显示检测景观灯驱动模块无线数传模块电池管理模块模块单片机图1 景观灯节点控制器结构景观灯节点控制器结构如图 1。单片机通过控制各功能模块实现对蓄电池和景观灯的管理。检测单元了解太阳能板的运行状态，管理蓄电池的充放电、并由显示单元做出显示。数传模块将存

4、储好的数据传送给状态转换模块再传给单片机处理，再由主控制器传给检测中心。3.2 太阳能电池板电池板采用光发电的方式，也就是光伏发电方式发电。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量1。太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用70W单晶硅太阳能电池组件。3.3 蓄电池蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。考虑到价格和效果方面使用铅

5、酸电池。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能2。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充过放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。3.4 照明负载由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，此设计采用10W大功率LED灯泡。特点：(1)寿命长。LED的寿命长达100000h。

6、(2)效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的1020。(3)绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。(4)耐低温。环境使用温度在一4080 ，环境适应性非常强3。3.5 蓄电池和太阳能板的选用3.5.1 太阳能电池封装形式的选择目前太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅12年。因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，建议使用层压的封装形式。另外，有一种硅凝胶

7、用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年。3.5.2蓄电池容量的选择由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作，太阳能灯具也不例外，必须配置蓄电池才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池，它们的容量选择直接影响系统的可靠性以及系统价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。3.5.3太阳能电池安装倾

8、斜角度的选择和装饰性外罩为了美观，许多的太阳能灯具的工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，我们收集了许多国外太阳能灯资料，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能。结构系统参数：灯杆高度（米） 1.5米；光源高（米） 1.75 米；设计灯杆间距 25 米；设计安装数量（套） 10；灯杆材料 优质冷轧薄板；组件支架 优质钢材；表明处理 热镀锌，喷塑；灯杆预埋件 优质圆钢3.5.4 蓄电池容量计算组件功率计算景观灯的工作电压为12V /10W,由于景观灯一天要

9、工作5个小时左右,考虑连续阴天3天情况下系统的供电,保定地区日照数5小时。且按80%的放电率计算,求组件选用的功率以及蓄电池的容量：组件功率：(10W×5H)/3×1.525W3-日照数，在当地气象局都可查询到5-照明时间1.5-损耗系数电池容量： Qx=(10W×5H）/12V×（31）×1.8=30AH式中:Qx蓄电池容量;5蓄电池放电时间;1.8-损耗系数连续阴雨天3天，考虑当天夜间已放电一天，故按3+1天计算应选用组件功率25W和30Ah免维护蓄电池。景观灯的具体技术指标如表1所示：表1 太阳能LED景观灯灯具的主要性能指标太阳能电池2

10、5W ，12 V工作温度-40 +80过充保护电压12 V(25C)过放保护电压10 V蓄电池12 V,30Ah照明时间光控开时控关 天黑亮 5小时后关阴雨天保证时间保证连续3个阴雨天正常工作3.6 线损补偿线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。3.7 散热很

11、多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。3.8 热岛效应单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。3.9温度补偿温度补偿，蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3-7mV/，我们通常选用-4mV/。4 软件部分软件系统采用功能模块化设计，虽然会稍微增加软件代码的长度，但是这有利于软件的维护、管理和移植。5 结束语采用新型能源和大功率直流led灯泡设计的城市景观灯的风光互补型