智能实时追光、感应式 LED路灯设计方案

导读：在城市街道两旁，站立着数不尽的路灯，如何使路灯绿色、节能是目前城市建设的难点。本文介绍的太阳能感应式节能 LED路灯设计方案，采用太阳能发电装置储存电能给系统供电，白天熄灭，夜晚微量，当检测到行人路过灯变亮，行人远去亮度逐渐变弱。

    1、方案设计原理
    方案灵感来自向日葵，向日葵具有自动跟踪太阳方向的能力，我们设计出一种太阳能路灯方案，可随着太阳方位变化自动调整太阳能接收板方向。本设计采用太阳能发电装置储存电能给系统供电，并与市电互通。白天时，路灯处于熄灭状态；晚上时，灯微亮，检测有人通过时，灯变亮，当人远离路灯时，亮度慢慢减弱。
    系统增加了温、湿度、烟雾、风向、风速、雨感等检测功能，另外检测出当前蓄电池的电压、电流、温度值，并通过无线传输设备实现信息共享，方便人们了解外界环境情况和系统的工作状况。

    2、 系统模块方案设计
    以Atmegal6作为控制，其内部含有多路AD转换，运算速度快，符合方案设计要求。
    太阳能板控制：经过多次试验与计算得到了不同季节里每隔半小时太阳转过的角度，单片机以此控制步进电机转动角度，从而使太阳能板始终正对着太阳光。夜色降临时，太阳能板自动复位。
    简单气象监测功能：采用温湿度传感器、风速风向传感器、雨感传感器对周边环境的气象进行实时检测，然后由无线设备将信息传送至信息中心。
    路灯保护及检测功能：用AD采集系统的电压、电流值，控制器通过这些值实时监测系统的工作状况，一有过流现象，断开电源，并通过无线设备报警。
    电源切换功能：系统会对总电量实时进行监测，若总电量低于设定值，控制器会自动将电源切换至市电，维持系统正常工作。
    3、理论分析与计算
    3.1 太阳能板追光与引导原理
    对合肥地区6-18点的路灯(高3米)影子的观察，计算得出每半个小时太阳的位置。太阳能板工作时为四组蓄电池充电，保证了在长时间没有太阳光的情况下，系统仍然能正常的工作。由于季节不同太阳光的位置和强度不同，所以每个季节要适时改变太阳能板的位置，即改变太阳能板与地面的夹角，以达到的吸收光能的效果。
    3.2 蓄电池和太阳能电池板板的配备原理

    设蓄电池容量为CB，太阳能电池板需求峰值为WP，太阳能板工作电压为VS，每日实际放电时间为hd，连续阴雨天数为Dr，实际路灯的功率为WB，系统电压为VB，当地日光照时间为hr。考虑到20%的裕量以及20%的损耗，则蓄电池的容量为：

    太阳能电池板的功率为：

    以10W的LED灯配置为例，系统电压为12V。当地日均有效光照以3h计算，每日放电时间10小时(以晚7点到晨5点为例)，通过控制器夜间分时段调节LED灯的功率，实际按每日放电6小时计算(凌晨亮度降低)。满足连续阴雨天7 天( 另加阴雨前一夜的用电，计8天)。电流I＝10W÷12V＝0.8333A，蓄电池容量W＝I×6h×8d，即W=40AH。考虑到蓄电池充、放电预留20%容量，路灯的实际电流在1A以上(加20%损耗，包括恒流源、线损等)，实际蓄电池需求40AH加20%预留容量，再加20%损耗，计算后得到实际蓄电池容量为57.6AH。所以实际蓄电池为12V/60AH，故需要四组12V/15AH的蓄电池。
    以每日放电时间10小时为例，调功后实际按6小时计算(调功同上蓄电池)。考虑到电池板预留少20%电量，当地有效光照以日均3h计算：WP÷18V＝(I×6h×120%)÷3h，WP＝36W(电池板实际需求峰值)。然而由于实际恒流源损耗、线损等综合因素，损耗在20%左右，电池板实际需求峰值：
    WP=36W×120%=43.2W
    所以实际电池板需18V/45W，故需要18V电池板两块。

    4、硬件设计
    4.1 太阳能电池板升降压电路
    由于所选的蓄电池充电的时候仅需要14V的电压，所以需要一个变压电路来使电压达到14V。因此，我们采用EK8003芯片，这款芯片为同步升降压芯片，可通过输出PWM波来控制输出电压，使之稳定。
    4.2 太阳能充电设计
    采用芯片UC3906控制蓄电池充电，该芯片内含独立的限流放大器和电压控制回路，片内的驱动器可控。驱动器输出电流可达25mA，能够直接驱动外部串联调整管，以调整充电电路的输出电流和电压。
    当电池电压或温度较低时，充电使能比较器可控制充电器进入涓流充电状态。当驱动器截止时，该比较器还能输出25mA涓流充电电流。这样，当电池短路或反接时，充电器只能以小电流充电，从而避免了因充电电流过大而损坏电池。
    4.3 驱动的设计
    4.3.1 灯驱动设计
    路灯启动时，需要控制灯的亮度，所以系统需要一个LED灯驱动电源来控制路灯的亮度，基于此采用芯片PT4115。该芯片具有高达5000：1的PWM调光比等特点，给芯片输入不同占空比的PWM波实现调光。
    4.3.2 电机驱动电路
    太阳能电池板的转动由步进电机驱动，而步进电机驱动电路采用L298N电机驱动芯片。单个芯片可驱动四相的步进电机，电路设计简单。
    4.4 数据采集与处理
    温湿度检测电路采用SHT10传感器，该传感器包括一个测湿敏感元件和一个测温元件，并接有14位的A/D转换器以及串行接口电路，抗干扰能力强。电流检测采用CSM006NPT霍尔电流传感器，电压检测采用单片机内部的AD检测。
    无线收发电路采用nRF905模块，主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计。
    5、软件设计
    程序开始时判断是否为夜晚，若不是，则进行太阳能板面向太阳的控制，根据当时的时间调整太阳能板的大体位置，再根据光强微调太阳能电池板，对准后一段时间后(预设半个小时)重新校准，接着进行充电控制；否则进行行人检测，若有行人，则将灯光调制亮度，人远离后渐渐变暗，若没有行人，则保持较暗的灯光。紧接着就是过流保护，若系统过流，则切断电源，无线发射通知信息进行报修，若没有过流，将进行传感器的信息采集，并判断信息的变化是否大于预设值，若大于，将信息通过无线发射出去，否则返回是否为夜晚的判断。
    6、结束语
    实时追光自感应路灯系统旨在使太阳能板始终面向太阳，储存更多的太阳能。路灯自动检测周围行人，智能调节灯光的亮度，路灯上面配备监测天气信息的多种传感器，并通过无线传输实现信息的共享，方便人们的生活。整个系统围绕新能源利用及节能开展，在保证必要照明的同时，有效的节省了不必要的能源开支。使用太阳能，自给自足的“生存”，具有良好的经济效益及社会价值。