风光互补发电的节能LED灯控制系统设计

 引言

随着控制技术的迅速发展，越来越多的控制技术被应用于照明工程。目前，高层楼道灯开关控制方法多为“钟控+光控”或“声控+光控”方式。“钟控”不适用于天气突变与季节变化等自然情况，而“声控”在医院、学校、图书馆等需要安静的场所不太适用，因此两者均不能实现控制开关灯的合理化、人性化和科学化。开灯早、关灯晚，或者开灯晚、关灯早的现象，会造成电能大量的浪费。近年来，由于人们对能源、环境问题的日益关注，太阳能、风能越来越受到人们的重视。由于阴雨天常常伴随着大风，利用这一互补现象能有效地解决单一发电不连续的问题，提高了发电系统的可靠性。在蓄电池对外提供功率不足时，系统能自动切换到市电供电，保证了所设计电路供电系统的可靠性。再配合以“热释电人体红外+光控”，可以有效地节约能源。

1 整体设计方案

LED灯系统结构如图1所示，主要包括风、光发电模块、控制模块(STM32)和负载模块(LED灯)。其中，控制模块分为以STM32为核心的风光互补控制模块和LED灯控制模块。此外还设计了市电备用电路，在因特殊情况导致蓄电池不能对外供电，或蓄电池和风力发电提供的功率之和小于负载消耗功率时，由系统切换到市电供电。

2 硬件电路设计

2.1 电源模块

电源模块的控制器设计以STM32芯片为核心，用以实现风力发电和太阳能发电的最大功率跟踪控制，以及对蓄电池的充放电控制和过充、过放保护。设计的市电备用模块用在无风或风力较小，连续阴雨天且蓄电池电量存储不足时，用STM32芯片控制自动切换到市电供电。

2.1.1 风光互补整体结构

风光互补整体电路由DC/DC变换模块和蓄电池充放电模块组成。图2中的开关器V1～V6选用驱动功率小而饱和压降低的IGBT晶体管。DC/DC变换模块采用的是具有升压作用Boost电路。此外，在风力过大时，风机的转速迅速升高，机械输出功率也迅速加大，由于后续电路设计的容量有限，且风机转速过快对风机的机械传动装置损害也较大，为此在整流和Boost电路之间加入了卸荷电路。卸荷电路由V2和R1组成，采用的是功率连续调节方式。

蓄电池充放电模块选用电流可逆斩波电路：

①充电过程。在风力发电和太阳能提供的输入功率大于负载消耗时，V4导通，V5截止，形成Buck电路，向蓄电池充电。

②放电过程。在风力发电和太阳能提供的功率小于负载消耗功率，或者两者皆不对外提供能量时，V4截止，V5导通，经由D4组成Boost电路向负载供电。为防止蓄电池过冲，在可逆斩波电路前加入卸荷电路。

2.1.2 电压检测模块

蓄电池是系统独立运行必不可少的环节，蓄电池的寿命受放电深度和充电程度的影响，此外其放电深度还受环境因素的影响。为了提高蓄电池的稳定性和可靠性，系统设计了实时采集电池端电压环节，通过电池两端的电压来判断蓄电池的充放电程度。STM32的ADC的输入电压范围为0～3.6 V，而设计使用的12 V蓄电池的正常使用电压范围为10.8～14.4 V。为此，采用电阻分压原理对电池电压进行分压采集，原理如图3所示。将采集到的电压转换到2.7～3.5 V，并通过设计的二阶低通滤波电路输入到STM32的ADC端口，当采集到的电压超过所设范围时，通过调整PWM脉冲控制蓄电池的充放电。

2.2 LED灯控制模块

LED灯控制模块由热释电人体红外感应控制模块和光控模块共同组成，只有两开关同时起作用时LED灯才会亮，否则熄灭。

人体一般都有恒定的体温，所以会从人体表面发出特定波长的红外线，利用菲涅尔透镜将人体所辐射出来的红外线增强后聚集到热释电红外传感器上，通过后续电路将能量转换为电气信号。

该模块以BISS0001传感器信号处理器为核心。BISS0001有电压比较器、运算放大器和状态控制器、封锁时间定时器、延迟时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路，非常适合用于LED灯的控制。LED灯控制模块电路如图4所示。

①封锁时间T的调节。通过改变芯片BISS0001的RR2引脚连接的电阻R11的阻值和引脚RC2连接的电容C6的电容值来改变封锁时间：

Ti≈24R11×C6

②输出延迟时间T的调节。通过改变BISS0001的RR1引脚连接的电阻RT3和R12的阻值和引脚RC1连接的电容C5的电容值来改变输出延迟时间，进而调节在人体触发信号后输出动作的持续时间：

Tx≈49 152×(RT3+R12)×C5

芯片BISS0001的VC端为触发禁止端，低电平有效。在此引脚设计中加入光控模块来控制芯片BISS0001是否允许触发。

其电路原理如下：当光照强度超过限定阀值时，Q2导通，a点电平被拉低，进而比较器U1的2号引脚被拉低，同时比较器U1的3号引脚经电阻RT1分压得到一个较合适高电平，这样比较器U1的3号引脚输入电平大于2号引脚的输入电平，因而比较器U1输出高电平，NPN型三极管Q1导通，芯片BISS0001的VC引脚被拉低，触发禁止。当光照强度未达到限定值时，Q2不导通，U1的2号引脚被拉高，且此时a点电位高于比较器U1的3号引脚输入电平，这样经过比较器U1后输出低电平，且此时指示灯LED1点亮，三极管Q1不能导通，引脚VC电平拉高，此时芯片BISS0001允许触发。

当光照强度处在限定值的临界时，即a点的电平值为阀值电平，不论是光照强度的微小变化，还是外界干扰，都会引起a点电平跳变。为解决这一问题，在比较电路中引入正反馈环节，使电路设计成为滞回比较电路，从而避免在阀值点(a点)电平跳变带来的干扰。

2.3 LED灯驱动电路

LED灯驱动芯片选用AMC7135。AMC7135是一款降压恒流芯片，供电范围为2.7～6 V，输出恒流为350mA(电流档位可选)，此外还具有输出短路保护等优点。其设计电路图如图5所示。

LED楼道灯的照明功率范围在2～5 W，此次设计选用3个1 W的大功率LED串联，并串联保护电阻R1，R1的阻值可参考下式，其中VLED为LED灯的压降：

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

结语

本文对节能LED楼道灯的硬件电路及电源电路做了简单的介绍。经测试，在5 m范围内能够检测到人体的移动，可以达到“人来灯亮，人走灯灭”的效果，也能应变连续阴天、停电等突发情况。利用风光互补发电和寿命长、功耗低的LED灯能较好地实现节能的想法。该系统不仅适用于高层写字楼、教学楼、医院等场所，而且还可以作为路灯使用，有较高的实用推广价值。