CN100587317C - Led太阳能照明智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED太阳能照明智能控制系统，采用基于单片机管理控制的智能控制器，所述智能控制器配置标准的无线数字通讯收发模块和防雷模块，太阳能电池通过导线与智能控制器接线端子连接，蓄电池组由单组蓄电池并联连接到智能控制器输入端，LED光源与智能控制器输出端串联。本发明智能系统具有过充、过放、过载、短路、反接、过热、防雷等一系列报警保护及故障检测功能；能准确地判断蓄电池组的充电状态，不仅提高了蓄电池组的充电效率，而且还延长了使用寿命；广泛应用于公共场所和家庭的局部集中照明控制。

Description

LED太阳能照明智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能照明智能控制系统，尤其涉及以大功率高亮度发光二极管(LED)作为照明光源的太阳能照明智能控制系统，本发明属于半导体照明控制技术领域。

背景技术

众所周知，太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、无污染、不受地域资源限制等优点受到人们高度重视。在我国，光伏产业还处于起步阶段，大规模太阳能发电系统的应用推广在短期内还难以实现，但小型的太阳能应用系统得到了快速的发展。近年来，太阳能灯具、庭院灯、草坪灯的市场发展很快，尤其在偏远无电地区，太阳能照明智能控制系统有广泛的应用前景。

LED太阳能照明系统由太阳能电池组件、蓄电池组、控制器、照明灯具及支架组成。其中控制系统是整个系统中最为关键的一环，它直接关系到整个系统的功能和可靠性。在现有的太阳能照明系统中，普遍存在不能有效地判断蓄电池组的充电状态和控制器防雷及灯具故障检测报警问题。

因此，设计一种新型的太阳能照明智能控制系统，将是一项经济效益和社会效应显著的技术课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED太阳能照明智能控制系统，能够准确地检测管理蓄电池组的充电状态，有效解决了控制器防雷及灯具故障检测报警等问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

LED太阳能照明智能控制系统，其特征在于：采用基于单片机管理控制的智能控制器，所述智能控制器配置标准的无线数字通讯收发模块和防雷模块，太阳能电池通过导线与智能控制器接线端子连接，蓄电池组由单组蓄电池并联连接到智能控制器输入端，LED光源与智能控制器输出端串联。

进一步地，上述的LED太阳能照明智能控制系统，所述智能控制器的核心处理器是16位的单片机。

更进一步地，上述的LED太阳能照明智能控制系统，在无线数传模块的有效距离内设置一个主站，其他的设为分站，采用点对多点的数据传输方式在一个主控制系统周围设有多个从控制系统，主控制系统发出巡检控制信号，使从控制系统的检测信号传送到主控制系统，主控制系统通过RS232接口连接到计算机上，计算机采集所有主从控制系统的状态信号值，输出系统的故障状态。

再进一步地，上述的LED太阳能照明智能控制系统，该系统还安装不同等级的防雷装置，所述防雷装置的过流保护器件采用PTC(正温系数热敏电阻)或热线圈，防雷装置的过压保护器件采用二极金属陶瓷放电管。

再进一步地，上述的LED太阳能照明智能控制系统，蓄电池组由两蓄电池以并联的方式连接构成，其单个蓄电池是容量为50Ah的12V铅酸蓄电池。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明控制电路与主电路完全隔离，多路太阳能光伏阵列可以同时接入；充放电各参数点可通过软件编程设定，并可适应不同场合的特殊要求，而且可避免各路充电开关同时开启、关断时引起的振荡；系统具有过充、过放、过载、短路、反接、过热、防雷等一系列报警保护及故障检测功能；

②蓄电池组充放电状态检测管理：采用霍尔电流电压传感器检测管理电流，各路充电电压检测管理具有“回差”控制功能，可防止静态开关进入振荡状态；能相对准确地判断蓄电池组的充电状态，并能有效地利用太阳能电池提供的能源；优化的充电方法不仅提高了蓄电池组的充电效率，而且还延长了使用寿命；

③控制功能：光控和时控编程开/关，配RS232/485接口及无线通信控制收发模块，便于远程报警检测维护。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：LED太阳能照明系统的结构示意图；

图2：LED太阳能照明智能控制系统的结构示意图；

图3：蓄电池组充放电检测原理图；

图4：无线通信收发模块与单片机之间的连接图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	太阳能电池	2	灯具	3	灯杆
4	智能控制器	5	蓄电池组	51	蓄电池
						52	蓄电池	6	底座	7	充放电控制回路
8	无线收发模块	9	单片机

具体实施方式

LED太阳能照明智能控制系统，如图1～2，照明系统由太阳能电池1、蓄电池组5、智能控制器4、灯具2、灯杆3及其底座6组成，智能控制器4采用基于单片机管理控制和配置标准的无线数字通讯收发模块、防雷模块的控制器，实现系统工作状态控制和蓄电池组的能量管理，满足太阳能照明智能控制系统稳定运行和准确切换的要求，无线数字通讯收发模块8实现多个控制器故障检测报警功能，配置安装不同等级的防雷装置预防雷击。其中太阳能电池1作为系统的输入，太阳能电池1通过导线与智能控制器接线端子连接，为整个系统提供电能，其光电流作为光控电路中的光敏传感器；蓄电池组5是系统中的储能元件，蓄电池组5由单组蓄电池并联连接到智能控制器输入端，照明光源选取寿命长、发光效率高的LED光源与其串并联，LED直流供电光源减少逆变控制的电源损失，提高了工作效率，使用智能化控制器可利用PWM控制直流供电提高工作效率，通过软件改变控制器输出脉冲电流，无须外加控制电路，白天利用太阳能电池为蓄电池组充电，晚上将蓄电池组对负载LED放电，达到节约能源、节省成本的目的。

采用多组蓄电池充分利用太阳能电池所提供的能量，与负载的配合充分考虑连续阴雨天的情况，留出一定的容量裕度，配合控制器的离线式轮换检测，使蓄电池组充电状态的检测管理更为准确有效。系统运行中太阳能光伏阵列发出的直流电力，通过智能控制器4对蓄电池组5充电，在蓄电池组5未充满前，智能控制器4的作用是最大限度地对蓄电池组5充电，当蓄电池组5被充满时，智能控制器4实现分段控制，并使蓄电池组处于浮充状态。当蓄电池组5放电至接近蓄电池组过放点电压时，智能控制器4将发出蓄电池组电量不足告警并切断蓄电池组的放电回路，以保护蓄电池组。智能控制器4采用16位微处理器对蓄电池组5充放电进行有效地管理。

准确判断蓄电池组的充电状态是有效利用蓄电池组的充放电特性和选择适当的充电方法的前提。本发明采用一种新的检测管理方法——离线式检测管理。在充电过程中，蓄电池组的端电压不能准确地反映蓄电池组的充电状态，但从充电回路断开后，蓄电池组的端电压会自动回落，经过一段时间后蓄电池组端电压能相对准确地反映出蓄电池组的充电状态。在太阳能照明智能控制系统中，由一个太阳能电池对两个蓄电池组轮流充电，使每个蓄电池组的端电压在充电回路断开后都有一定的时间恢复正常，从而相对准确地判定蓄电池组的充电状态，其原理如图3所示，所设充放电控制回路7，其中太阳能电池的功率是40Wp，蓄电池51和蓄电池52采用容量为50Ah的12V铅酸蓄电池，以并联的方式连接。

整个轮换检测管理控制过程为：开始时太阳能电池同时对两个蓄电池51、52充电(K1、k2闭合)，并对它们的端电压进行监测。设定一个比过充电压略低的次过充电压值V1，当蓄电池组的端压高于V1时，切断其中一个蓄电池51的充电回路，而对另一个蓄电池52进行浮充，同时启动定时器。过了一段时间后，当蓄电池51的端电压下降到能相对准确地反映电池容量时，再对其开路电压进行检测管理。由其近似稳态开路电压换算得出其充电状态，若还未充满，则可接通其充电回路，继续充电；若已充满，则控制其进入浮充阶段。当定时器达到设定时间后，自动切换开关并重新启动定时器，使蓄电池52的充电回路断开而对蓄电池51进行浮充，对蓄电池52重复以上的操作，如此不断循环。这样，就能相对准确地判断蓄电池组的充电状态，并能有效地利用太阳能电池提供的能源。

智能控制系统的充电电路采用了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法：①快充阶段：充电电路的输出等效于电流源，在充电过程中，通过检测管理电路监测蓄电池组的开路端电压，当蓄电池组的端电压超过转换门限电压后，充电电路切换到过充阶段；②过充阶段：充电电路对蓄电池组提供一个较高电压，同时检测管理蓄电池组的充电电流，当充电电流降低到转换门限值时，认为蓄电池组已经充满，充电电路切换到浮充阶段；③浮充阶段：充电电路为蓄电池组提供一个精确的、带有温度补偿的浮充电压。充电电路可以根据蓄电池组的状态选取不同的充电方式进行分阶段充电。合适的充电方法不仅提高蓄电池组的充电效率，而且还延长了使用寿命。

在太阳能照明系统中，因太阳能电池组件的特性不同，加上环境等因素，无论是控制系统本身还是太阳能板及LED光源出现故障，都会影响整个系统的正常运行，且检测困难维护工作量大，针对这个问题，本发明设置了基于标准的无线数字通讯收发模块8，实现控制系统和太阳能电池、蓄电池及灯具的故障检测报警功能，将检测信号发送维护中心通知维护人员维修。提高了整个太阳能照明智能控制系统的自动化程度及可靠性，并解决了太阳能照明智能控制系统中故障检测问题。

无线通信收发模块8与单片机9之间的硬件连接如图4，无线通信收发模块8是一超小型、低功耗、高速率的无线通信数传模块PTR2000，其工作频率为国际通用的数传频段433MHz、FSK调制，抗干扰能力强，采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性很好；可以和单片机的串口或I/O口直接连接。PTR2000的DI接单片机的I/O口的发送，DO接单片机的I/O口接收。TXEN是发射接受控制端，TXEN＝1时模块为发射状态，TXEN＝0时为接受状态。PWR为节能控制端，PWR＝1正常工作状态，PWR＝0待机微功耗状态(此时不能接收、发射数据)。CS为频道选择，CS＝0选择工作频道1，即43392MHz；CS＝1选择工作频道2，即434.33MHz。直接用单片机的I/O口控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式3。传送数据之前需将模块置于发射模式，TXEN＝1，至少5ms之后可发送任意长度数据，发送结束之后将模块置于接收状态，TXEN＝0。

测试和试验结果表明，0xFF后跟0x00在噪声中不容易发生。因此，发送协议的开始以一个任意内容的字节(这是因为第一个字节的数据在发送时容易丢失)，然后是0xFF后跟0x00；接收协议规定只接收以0xFF后跟00X0开始的包。

错误纠正：采用一种适合于许多无线数传的前向错误纠正方法，数据在包中复制两次(总共3份)，在接收端，第一个拷贝进行检错，如果有错，剩下的两个备份用来改正错误。改正是通过比较三个备份数据中的每位，如果两位或更多位是0，则正确位应为0。

一旦经改正，它们将重新送到检验步骤认证它是否有效，如果不是，数据没有改正，否则数据可用。

简单数据传输协议将传送数据集中在一个包中，如下所示：[头1][头2][包类型][数据0][数据1]...[数据n][校验]头1是0xFF，头2是0x00。包类型是指传送包的类型，在协议中，它包含两种类型：正确和不正确。正确的包含有三个拷贝，不正确的只有一个拷贝。

错误检测管理通过8位检验和来实现。当接收机接收到头时，接收端决定包的类型，并将其送入接收缓冲器进行检验，如果数据错误且为正确包，则进行改正。

在无线数传模块的有效距离内，设置一个主站，别的设为分站，采用点对多点的数据传输方式，即一个主控制系统周围有几个从控制系统。主控制系统发出巡检控制信号，这样就可以使这几个从控制系统的检测信号传送到主控制系统。如果超出有效控制距离，可以再设置一个主控制系统，主控制系统通过RS232接口，再连接到计算机上，计算机采集所有主从控制系统的状态信号值，输出所有照明系统的故障状态，组织人员维护。

此外根据系统要求，可安装不同等级的防雷装置。其中防雷组合装置采用PTC或热线圈作为过流保护器件，二极金属陶瓷放电管作过压保护器件，具有过压过流、持续过压保护及告警功能。当有持续过压时，电压达到一定程度时通过放电管辉光放电，大部分电流直接导入接地装置，小部分电流通过PTC或热线圈，由线圈产生信号，提供告警信号。从而，使整个控制系统具有短路报警、开路报警、防雷报警功能。

本发明LED太阳能照明智能控制系统，广泛应用于公共场所如广场、城市道路、园林场所等和家庭的局部集中照明控制。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.LED太阳能照明智能控制系统，其特征在于：采用基于单片机管理控制的智能控制器，所述智能控制器配置标准的无线数字通讯收发模块和防雷模块，太阳能电池通过导线与智能控制器接线端子连接，蓄电池组由单组蓄电池并联连接到智能控制器输入端，LED光源与智能控制器输出端串联；采用离线式检测管理，开始时太阳能电池同时对第一蓄电池和第二蓄电池充电，并对端电压进行监测，设定一个比过充电压略低的次过充电压值V1，当蓄电池组的端压高于V1时，切断第一蓄电池的充电回路，而对第二蓄电池进行浮充，同时启动定时器；过一段时间后，当第一蓄电池的端电压下降到能相对准确地反映电池容量时，再对其开路电压进行检测管理；由其近似稳态开路电压换算得出其充电状态，若还未充满，则接通其充电回路，继续充电；若已充满，则控制其进入浮充阶段；当定时器达到设定时间后，自动切换开关并重新启动定时器，使第二蓄电池的充电回路断开而对第一蓄电池进行浮充，对第二蓄电池重复以上的操作，如此不断循环。

2.根据权利要求1所述的LED太阳能照明智能控制系统，其特征在于：所述智能控制器的核心处理器是16位的单片机。

3.根据权利要求1所述的LED太阳能照明智能控制系统，其特征在于：蓄电池组由两蓄电池以并联的方式连接构成，其单个蓄电池是容量为50Ah的12V铅酸蓄电池。

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