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根据STM32 MCU的太阳能-LED街灯解决方案

作者:ag88环亚国际时间:2019-02-21 07:13浏览:

  根据STM32 MCU的太阳能-LED街灯解决方案

  跟着化石类动力的日益削减,以及温室气体的过度排放导致全球变暖问题越来越受到重视,人们一方面在活跃开发各类可再生新动力,另一方面也在倡议节能减排的绿色环保技能。太阳能作为取之不尽、用之不竭的清洁动力,成为很多可再生动力的重要代表;而在照明范畴,寿命长、节能、安全、绿色环保、颜色丰厚、微型化的LED固态照明也已被公认为国际一种节能环保的重要途径。太阳能-LED街灯一起整合了这两者的优势,运用清洁动力以及高功率的LED完成绿色照明。

  本文介绍的太阳能-LED街灯计划,能自动检测环境光以操控路灯的作业状况,最大功率点追寻(MPPT)确保最大太阳能电池板功率,恒电流操控LED,并带有蓄电池状况输出以及用户可设定LED作业时刻等功用。

体系结构与完成原理

现在街灯遍及运用的是市电供电的高压钠灯结构,其间高压钠灯的电子驱动部分需求把市电从沟通转化为直流,再逆变到沟通来驱动,导致体系功率较低;并且因为运用的是市电,需求铺设杂乱、贵重的管线。太阳能-LED街灯则不具有以上的问题,因为太阳能电池板输出的是直流电能,而LED也是直流驱动光源,两者的结合更能进步整个体系的功率;太阳能的运用也免去了铺设电缆及其相关工程的费用。



图1: 太阳能-LED街灯体系结构原理。

  图1是一个太阳能-LED街灯的结构示意图。太阳能电池板在太阳光的照射下,其内部PN结会构成新的电子空穴对,在一个回路里就能发生直流电流;这个电流流入操控器,会以某种办法给蓄电池充电。蓄电池在白日的时分会承受充电,而在晚上则会供应能量给LED。LED的作业是经过操控器进行的,操控器在确保LED恒流作业的一起,也会监测LED的状况以及操控作业时刻长短。接连阴雨天以及蓄电池电能缺乏的情况下,操控器会宣布操控信号来发动外部的市电供电体系(不包含在操控器中),确保LED的正常作业。外部的市电供电体系仅仅作为后备动力,只要在蓄电池电能缺乏的情况下才会被运用。蓄电池的充电彻底仅仅经过太阳能来完成的,以确保最大极限运用太阳能。



图2: 操控器结构方框图

  图2是操控器的结构方框图。太阳能电池板进来后会首要经过一个开关MOS管KCHG连接到直流/直流改换器(蓄电池充电电路),此改换器的输出连接到蓄电池两头(实践电路里会先经过一个保险丝再连到蓄电池上)。加上KCHG有两个作用:一是避免太阳能电池输出较低时由蓄电池过来的反充电流;二是当太阳能电池板极性接反时起到维护电路的作用。直流/直流改换器选用降压拓扑结构,拓扑结构的挑选不只得考虑太阳能电池板最大功率点电压和蓄电池最大电压,并且一起得统筹功率和本钱。蓄电池和LED之间也是经过一个直流/直流改换器(LED驱动电路),对LED要选用恒流操控办法,考虑到蓄电池电压的动摇规模以及LED的作业电压规模,规划电路中选用反激式拓扑结构来确保恒流输出。反激式拓扑的功率一般没有简略的升压或许降压电路高,假如要进步体系的功率,能够经过优化蓄电池电压与LED电压的联系来选用升压或许降压电路,进步功率并可能进一步减低本钱。

  整个操控器的操控是经过一个MCU来完成,MCU的首要作业包含以下几点:一是选用MPPT算法来优化太阳能电池板作业功率;二是针对蓄电池不同状况选用适宜的充电形式;三是确保LED驱动电路的恒流输出;四是判别白日黑夜并以此来切换蓄电池充电和放电形式;最终就是供应监控维护、温度监测、状况输出和用户操控输入检测(DIP1~4)等功用。MCU的挑选最首要是满意ADC、GPIO和外部中止的需求,不需求单纯寻求速度。表1列出了实践电路中MCU外围设备的运用情况,考虑到今后扩展的需求,主控芯片运用STM32F101RXT6 (意法半导体最新款STM32系列MCU,选用Cortex-M3内核)。



表1: MCU外设分配。

  操控器辅佐电源直接从蓄电池改换而来,蓄电池输入经过线性电源(L78L12)得到12V,供应逻辑电路和PWM开关信号扩大;3.3V经过12V接开关电源(L5970D)而来,首要给MCU和周边电路供电,之所以用开关电源是为了进步变换功率(削减蓄电池耗电)以及在今后扩展体系时能够供应满足负载,当然,为了削减本钱,彻底能够用线性电源来完成。

  操控器首要功用

  操控器的首要功用包含两个方面:蓄电池充电以及蓄电池给LED供电。

  1.蓄电池充电

  当体系检测到环境光足够,操控器就会进入充电形式。蓄电池充电有两个比较重要的电压值:深度放电电压和浮充充电电压。前者代表在正常运用情况下蓄电池电能被用完的状况, 而后者则代表蓄电池充电的最高约束电压,这些参数应该从蓄电池产品手册上能够查到。在规划电路中针对12V蓄电池,别离设置深度放电电压为11V和浮充充电电压为13.8V(皆为在室温条件下的电压值,软件中这两个值添加了相应的温度补偿),详细充电形式如表2所示。



表2: 蓄电池充电形式

  从表2中能够看到涓流充电形式和恒流充电形式会用到MPPT算法,MPPT算法有很多种办法能够完成,业界有不少的论文对此进行了讨论,总的来说各有好坏,规划电路中选用相对简略的扰动调查法来完成(Perturbance and Observation)。这个操控办法的基本思想是经过增大或许削减充电电路开关信号PWMCHG占空比,然后调查输出功率是变大仍是变小,以此来决议下一步是增大仍是削减占空比。因为太阳能板的输出改变相对比较缓慢,并且是单极点,所以这种办法仍是能收到比较好的作用。

  2.蓄电池放电

  当体系检测到周围环境光线缺乏时,就会进入蓄电池给LED供电形式。LED电流经过高位电流检测芯片(TSC101AILT)采样送回MCU,由MCU经过调整开关信号PWMDRV占空比来取得稳定输出电流。为了到达节能的意图,LED的稳定电流值会依据体系检测的环境光强度来调整:当环境光由亮变暗时,体系的输出电流也会相应从小到大;当环境光彻底暗下来时,体系的输出电流也到达预设的最大值。除了由环境光操控LED的输出,用户还能够经过设定开关DIPl~4的状况来敞开时刻操控功用, 体系会依据DIP1~4的设定组合来操控LED从亮5分钟到12小时不等。

  此外,为了进步体系的可靠性,规划电路添加了针对太阳能电池板、蓄电池和LED等一系列软硬件的维护功用。而基于此体系渠道,还能够从添加智能发光二极管作业形式、添加通讯模块和选用风景互补体系三方面进一步优化体系功能。

  本文定论

  太阳能-LED路灯不只能运用清洁免费的太阳能以及高效环保的LED给路途带来照明,并且一起能够削减温室气体排放,完成绿色照明的意图。本街灯体系现已介意法半导体大楼入口处成功施行,一切街灯体系都已运转半年,作业情况正常。跟着太阳能板的价格进一步下降和LED性价比的进步,信任这个体系会得到越来越广泛的使用。

  作者:文威 高档使用工程师 wei.wen@st.com

  余执钧 使用工程师 ben.yu@st.com

  张建新 司理 james.zhang@st.com

  
(修改:xiaoyao)

  

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