CN203219571U - 一种太阳能供电的led灯控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种太阳能供电的LED灯控制装置，包括一智能控制器，以及与智能控制器相连的太阳能电池、蓄电池和LED路灯，太阳能电池、蓄电池和LED路灯依次相连。本实用新型所述的太阳能供电的LED灯控制装置通过采用智能控制器，能够实时监测太阳能电池、蓄电池和LED路灯的工作状态，并根据监测的工作状态实时调节各个部分的工作状态，确保在不同工作环境下系统能稳定运行。本实用新型根据实际状态进行相应的切换控制，可以显著提高太阳能电池的工作效率，延长蓄电池和LED路灯的使用寿命，更加节能环保。

Description

一种太阳能供电的LED灯控制装置

技术领域

 本实用新型属于太阳能应用领域，具体涉及一种太阳能供电的LED灯控制装置。 

背景技术

能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产力的扩大、科技的发展、人口的增长等因素，人类对能源的需求量也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量增长与化石能源短缺的矛盾，全球范围内的能源危机也日益突出。人类现在所利用的煤、石油和天然气等化石能源在近百年来的消耗基本趋于稳定增长态势，在不久的将来化石能源将逐渐枯竭。根据目前已探明的储量与年开采量的计算，我国化石能源石油、天然气、煤也只能消耗100年左右。全球的化石能源也只能消耗几百年左右。与此同时，随着大量石化能源的使用，我们人类居住的环境也变的越来越糟糕。一年中有很多天PM2.5的超标，像北京上海这样的大城市有半年的天气是雾霾天气。由于汽车、飞机等交通工具大量使用化石能源，化石能源燃烧所产生的大量二氧化碳直接被排放到大气中导致地球温室效应，气候异常。目前全世界每天产生的温室效应气体数量以亿顿计，如果人类再不加以控制，那么全球气温将持续走高，两极冰川将融化，海平面将上升，大片沿海的陆地会被淹没，人类生活的陆地空间都将会被大大的减少。能源问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，在严峻的能源危机和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下，开发利用可再生的绿色能源，逐步减少化石能源的利用，保护好人类赖以生存的地球环境与生态，已经成为世界各国普遍关注的热点问题，对各种可再生绿色能源的研发利用正在迅速发展。

在目前所研究的可再生绿色能源中太阳能以取之不尽、用之不竭且无任何污染的独特优势。每年到达地球陆地表面的太阳辐射相当于燃烧1300000亿吨标准煤，而且分布广泛，可再生，不会污染环境，成为全球的理想的可再生绿色能源。中国是个太阳能资源丰富的国家，除了四川盆地及其毗邻地区外，绝大多数地区拥有丰富的太阳能资源，陆地每年接受太阳辐射能量相当于燃烧17000亿吨标准煤。

太阳能是一种非常理想的清洁能源。地球上到处都有光照，所以太阳能的取材也十分方便。过去，由于科学技术不发达，一段时间内太阳能都没有得到很好的利用。近年来，由于能源、环境问题的日益突出，人们对太阳能的关注也越来越多。太阳能的应用与普及也变的越为重要。若能合理地利用太阳能，则将会为人类提供充足的能源。太阳能作为能源技术的应用主要来自于两方面：一种是太阳能直接转化为热能的应用，比如现在比较普及的太阳能热水器。另一种则是将太阳能转化为电能的应用，主要是太阳能发电。目前的主要问题是，太阳能转换热能的运用由于太阳能转化为热能的效率较低，功率不是很大；还有就是太阳能的应用依赖于天气的变化，在阴天的时候太阳能就不能正常使用。应用范围受地域和季节的约束。太阳能转化为电能的运用由于太阳能电池成本较高，功率较低。

 LED作为一种新型的绿色光源产品正在越来越多的受到人们的喜欢。LED具有节能、环保、寿命长、响应速度快、发光效率高，用直流电驱动等优点。LED除了大量应用于电子设备、显示屏的显示外，在照明领域的应用最能体现其节能性。目前照明消耗约占整个电力消耗的20%，大幅降低照明用电是节约能源的重要途径。太阳能发电技术和LED照明技术的结合，必将构建绿色社会做出贡献。

目前市场上存在的太阳能LED路灯控制器，存在这样一些基本问题：太阳能电池的使用效率不高，蓄电池的使用寿命不长，LED路灯亮度不会随环境的改变而改变等。这些都影响太阳能LED照明技术的推广。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种效率高、寿命长的太阳能供电的LED灯控制装置。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种太阳能供电的LED灯控制装置，包括一智能控制器，以及与智能控制器相连的太阳能电池、蓄电池和LED路灯，太阳能电池、蓄电池和LED路灯依次相连。

进一步的，所述智能控制器包括：

一电源模块，用于将蓄电池电压转换为各模块的工作电压；电源模块与蓄电池相连；

一电压电流测量模块，用于测量太阳能电池输出的电压和电流，以及测量蓄电池输出的电压和电流；

一温度测量模块，用于测量环境温度；

一时钟模块，用于提供当前时间信息；

一蓄电池充电模块，用于控制太阳能电池接通或断开给蓄电池充电；蓄电池充电模块的一端与太阳能电池相连，另一端与蓄电池相连；

一LED路灯驱动模块，用于控制蓄电池接通或断开给LED路灯供电，以及调节LED路灯的亮度；LED路灯驱动模块的一端与蓄电池相连，另一端与LED路灯相连；

一单片机，用于根据电压电流测量模块的测量结果，向蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块发送控制指令；根据温度测量模块的测量结果，实时给蓄电池进行温度补偿；以及根据时钟模块输出的时间信息，调用LED路灯驱动模块调节LED路灯的亮度；

单片机与电源模块、电压电流测量模块、温度测量模块、时钟模块、蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块均相连。

本实用新型所述的太阳能供电的LED灯控制装置通过采用智能控制器，能够实时监测太阳能电池、蓄电池和LED路灯的工作状态，并根据监测的工作状态实时调节各个部分的工作状态，确保在不同工作环境下系统能稳定运行。本实用新型根据实际状态进行相应的切换控制，可以显著提高太阳能电池的工作效率，延长蓄电池的使用寿命，更加节能环保。

附图说明

图1为本实用新型所述太阳能供电的LED灯控制装置的结构框图；

图2为本实用新型所述智能控制器的结构框图；

图3为电源模块的电路图；

图4为温度测量模块的电路图；

图5为时钟模块的电路图；

图6为蓄电池充电模块的电路图；

图7为LED路灯驱动模块的的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种太阳能供电的LED灯控制装置，包括一智能控制器，以及与智能控制器相连的太阳能电池、蓄电池和LED路灯，太阳能电池、蓄电池和LED路灯等。LED路灯是由多个发光二极管组成的。

其中，太阳能电池是核心部件，整个的系统的电能最终都来自太阳能电池所转换的电能。太阳能电池在系统中的主要作用有：(1)当太阳光照充足时，太阳能电池将太阳能转化为化学能储存在蓄电池中；(2)当太阳光照不充足时，智能控制器可通过太阳能电池输出电压的高低来判断是否需要点亮LED路灯。

蓄电池的蓄电量是多少，LED的功率是多少，这些部分的容量在进行太阳能LED路灯设计时要选择好，从成本、效益和可靠性等各个方面综合考虑。因为蓄电池的蓄电量有限，要考虑连续阴雨天的情况对LED路灯与蓄电池组合时的影响，在设计时要留有余量。蓄电池在整个系统中起到过渡缓存，贮存太阳能电池转化所形成的电能，并向LED路灯和控制器供电。蓄电池的使用寿命决定了太阳能供电的LED灯控制装置的工作寿命，本实用新型对蓄电池有如下要求：(1)有足够的蓄电量供LED路灯和智能控制器工作；(2)可通过测量蓄电池输出电压来确定剩余电量；(3)使用寿命长，工作温度范围宽，可以减少维护，价格低廉。

智能控制器是防止蓄电池过充和过放，控制太阳能电池实现太阳能电池最大功率点跟踪的设备，同时还具有测量功能和控制LED路灯功能。智能控制器主要有以下三个部分功能：(1)控制铅蓄电池三段式充电，对蓄电池充电和放电进行实时监控管理，以提高蓄电池寿命；(2)根据检测的环境状态，智能控制LED路灯开关；(3)智能设置LED路灯的工作模式；（4）控制太阳能电池以最大功率输出。

本实用新型所述智能控制器如图2所示。具体的讲，图2中的智能控制器包括单片机(如AT89C51单片机等)，以及与单片机相连的电源模块、电压电流测量模块、温度测量模块、时钟模块、蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块。电源模块，用于将蓄电池电压转换为各模块的工作电压；电源模块与蓄电池相连；电压电流测量模块，用于测量太阳能电池输出的电压和电流，以及测量蓄电池输出的电压和电流；温度测量模块，用于测量环境温度，时钟模块，用于提供当前时间信息；蓄电池充电模块，用于控制太阳能电池开始或停止给蓄电池充电；蓄电池充电模块的一端与太阳能电池相连，另一端与蓄电池相连；LED路灯驱动模块，用于控制蓄电池开始或停止给LED路灯供电，以及调节LED路灯的亮度；LED路灯驱动模块的一端与蓄电池相连，另一端与LED路灯相连；单片机，用于根据电压电流测量模块的测量结果，向蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块发送控制指令；根据温度测量模块的测量结果，实时给蓄电池进行温度补偿；以及根据时钟模块输出的时间信息，调用LED路灯驱动模块调节LED路灯的亮度。

本实用新型所述智能控制器的工作原理和过程如下：

检测太阳能电池与蓄电池的电压与电流，通过太阳能电池两端的电压来判断现在是白天还是晚上，用于区别此时是控制太阳能电池给蓄电池充电，还是蓄电池给LED路灯供电。

太阳能电池给蓄电池充电时，再根据太阳能电池的两端电压与蓄电池电压的高低决定是否充电，采用何种充电方法，并监控环境的温度与相应的电压电流，进行相应的温度补偿。

蓄电池给LED路灯供电时，通过检测蓄电池两端的电压与电流判断是否给LED路灯供电。通过检测时间判断是否需要调节PWM的输出占空比，来调节LED路灯的亮度。

上述检测、判断和控制功能均可通过硬件电路来实现，比如单片机采用STC89C51单片机。

电源模块电路如图3所示。电源模块采用三端稳压集成芯片L7805和ICL7660芯片来实现。三端稳压芯片L7805来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，工作温度范围：0°C 到+150°C，最大电源电压20V，最小电源电压8V，最大输出电流1.5A，并具有稳定的5V电压输出，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。ICL7660是小功率极性反转电源转换器，静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5V-10V，工作频率为10 kHz只需外接10μF的小体积电容，只需外接10μF的小体积电容效率高达98%合输出功率可达700mW，具有稳定的-5V电压输出。电路中0.1μF的小电容为高频滤波电容去除高频干扰，100μF的大电容是低频滤波电容，主要作用是去除电源低频纹波，稳定电源。

温度测量模块的电路如图4所示。温度测量模块采用DS18B20单总线数字传感器测量温度。DS18B20为三线式单总线器件，单总线系统只有一条定义的信号线，挂在总线上的器件必须是漏极开路或三态输出。DS18B20的单总线端口DQ是漏极开路型的。单总线需外接一个5KΩ左右的上拉电阻。空闲状态是高电平。如果总线低电平时间大于480uS，总线上器件将被复位。其供电方式有寄生供电方式与外接供电方式，温度范围为-30℃—125℃，采用外接电源供电方式。外接电源方式是从DS18B20的VDD引脚接入5V外部电源供电。这时单总线上不需要强上拉，而且总线不用于温度转换时间总保持高电平。

时钟模块的电路如图5所示。时钟模块采用DS1302组建时钟电路。 DS1302是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定，采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线RE复位、I/O数据线、SCLK串行时钟，RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。双电源管脚用于提供主电源和备份电源。

蓄电池充电模块如图6所示。采用功率场效应晶体管作为开关器件，它比晶体管和MOS场效应管有更好的特性，是在大功率范围应用的场效应晶体管，它也称作功率MOSFET。它具有较高的开关速度；具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数；具有较高的可靠性；具有较强的过载能力；短时过载能力为通常额定值的4倍；具有较高的开启电压，即阈值电压可达2~6V(一般在1.5V~5V之间）；当环境噪声较高时，可以选用阈值电压较高的管子，以提高抗干扰能力；反之，当噪声较低时，选用阈值电压较低的管子，以降低所需的输入驱动信号电压；由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求较低。功率场效应晶体管在电机调速、开关电源等领域有非常广泛的应用。

如图6所示，本蓄电池充电模块的电路采用IRF4905功率场效应晶体管，其具有超低导通电阻，动态dv/dt额定值，175°C工作温度，切换快速，VDDS=-55V，导通电阻为RDS=0.02Ω，ID=-74A。IRF4905率场效应晶体管是P沟道的增强型MOSFET，它有三个级分别是栅极g，源极s和漏极d。只有当源极与栅极之间的电压大于开启电压VT，管子导通，源极与漏极之间的电压大于0，则电流从源极流向漏极。源极与栅极之间的电压越大，导电能力越强，漏极电流就越大。但源极与栅极之间的电压过大，会损坏器件。场效应晶体管是电压控制电流器件，驱动电压一般10V左右，为了保护场效应晶体管，所以在栅极对地接一个15V的稳压管。

如图6所示，蓄电池充电模块中的三极管都是用作开关控制，具体的控制过程如下：

当solarpwm输出高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2导通，场效应管Q3导通，太阳能正极与铅酸蓄电池的正极相连，此时太阳能电池给蓄电池充电。

当solarpwm输出低电平时，三极管Q1不导通，三极管Q2不导通，场效应管Q3不导通，太阳能正极与铅酸蓄电池的正极断开，此时太阳能电池停止给蓄电池充电。

D1是防反冲二极管。防止太阳能电池的电压小于蓄电池的电压时，蓄电池向太阳能电池充电，防止器件被损坏。

LED路灯驱动模块的电路如图7所示。该模块主要是控制蓄电池高效地给LED供电。本专利采用IRF3205功率场效应晶体管作为开关器件，其是N沟道的增加型MOSFET，具有超低导通电阻RDS=8mΩ，175°C工作温度，快速切换，最大导通电压VDSS=55V，最大导通电流ID=110A。因为要根据环境改变LED路灯的亮度，所以采用PWM控制技术。

LED路灯驱动模块的电路如图7所示，其控制工作过程如下：

当ledpwm端输出低电平时，三极管Q5截止，场效应管Q4导通，蓄电池正极与LED正极相连，蓄电池给LED路灯供电，LED(D19)路灯点亮。

当ledpwm端输出高电平时，三极管Q5导通，场效应管Q4导通，蓄电池与LED正极断开，蓄电池停止给LED路灯供电，LED(D19)路灯熄灭。

R24是分压电阻，防止LED路灯两端的电压超过其额定电压。通过单片机控制ledpwm端输出的占空比不同的PWM信号根据环境调节路灯的亮度。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (2)

1.一种太阳能供电的LED灯控制装置，其特征在于，包括一智能控制器，以及与智能控制器相连的太阳能电池、蓄电池和LED路灯，太阳能电池、蓄电池和LED路灯依次相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能供电的LED灯控制装置，其特征在于，所述智能控制器包括：

一电源模块，用于将蓄电池电压转换为各模块的工作电压；电源模块与蓄电池相连；

一电压电流测量模块，用于测量太阳能电池输出的电压和电流，以及测量蓄电池输出的电压和电流；

一温度测量模块，用于测量环境温度；

一时钟模块，用于提供当前时间信息；

一蓄电池充电模块，用于控制太阳能电池接通或断开给蓄电池充电；蓄电池充电模块的一端与太阳能电池相连，另一端与蓄电池相连；

一LED路灯驱动模块，用于控制蓄电池接通或断开给LED路灯供电，以及调节LED路灯的亮度；LED路灯驱动模块的一端与蓄电池相连，另一端与LED路灯相连；

一单片机，用于根据电压电流测量模块的测量结果，向蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块发送控制指令；根据温度测量模块的测量结果，实时给蓄电池进行温度补偿；以及根据时钟模块输出的时间信息，调用LED路灯驱动模块调节LED路灯的亮度；

单片机与电源模块、电压电流测量模块、温度测量模块、时钟模块、蓄电池充电模块和LED路灯驱动模块均相连。

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