CN202077227U - 太阳能路灯智能控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种太阳能路灯智能控制器，包括单片机、PWM充电电路、放电电路、电压采样电路、电流检测电路、驱动电路、按键电路、负载过流保护电路和显示电路，在上述常规电路的基础上增加市电辅助电路，将市电转换成13V直流电源，当没有太阳或者太阳能电压低于6V、并且蓄电池电压处于过放状态时，将市电作为后备电源给路灯供电，将市电变换成直流电能给蓄电池充电。本实用新型的太阳能智能控制器最大程度地利用了太阳能、并满足了照明连续性的要求，具有周期性维护工作的优势，降低了维护成本，避免了蓄电池长期处于过放状态，减少了蓄电池重复充放电次数，延长了蓄电池的寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及照明设备控制器领域，尤其涉及一种太阳能路灯智能控制器。
背景技术
太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保新能源越来越受到重视，目前全世界都在倡导节约能源，我国也在大力宣传建设节约型社会，所以太阳能供电及太阳能产品应用具有很大的市场潜力。太阳能路灯近几年来发展非常快，由于各地政府部门的大力支持，许多地区的道路上都安装了太阳能路灯。然而相关调查发现太阳能路灯在使用过程中，常出现一些问题，有的照明时间太短；有的光源闪烁不定；有的太阳能板丢失；有的蓄电池损坏；有的控制器出现故障，这表明太阳能路灯的稳定性仍然有待改进。由此造成太阳能路灯在实际应用中产生诸多问题：
1、为修复一些细微故障，需要频繁的人工维护使得维护成本增加。
2、难以满足对照明连续性要求较为严格的应用环境中使用。
3、由于系统故障造成蓄电池处于过放状态，如果维修不及时那么蓄电池将一直处于亏电状态，这对蓄电池再次使用和寿命都会产生很大的负面影响。
实用新型内容
本实用新型提供了一种增加市电接入选择功能的太阳能路灯智能控制器，可根据用户选择接入市电，也可以在太阳能发生故障时，提供临时性市电供电接口，从而保证在最大限度利用太阳能的基础上，进行稳定供电。
一种太阳能路灯智能控制器，包括单片机、PWM充电电路、放电电路、电压采样电路、电流检测电路、驱动电路、按键电路、负载过流保护电路和显示电路，所述的智能控制器还设有市电辅助电路。
所述的单片机的I/O信号输入端分别与电压采样电路、电流检测电路、按键电路连接，单片机的输出控制端分别与驱动电路、市电辅助电路、放电电路、负载过流保护、显示电路连接。
所述的PWM充电电路串联设置在太阳能电池板与蓄电池之间，所述的PWM充电电路分别与驱动电路、市电辅助电路连接。所述的PWM充电电路包括太阳能电池板对蓄电池的PWM充电电路和市电转换电源13V对蓄电池的PWM充电电路。
所述的放电电路包括蓄电池对LED路灯进行供电的电路和蓄电池欠压时(＜12.6V)由市电为LED路灯进行供电的电路。
所述的电压采样电路由A/D转换模块构成，包括太阳能电池板电压采样电路和蓄电池电压采样电路，所述的电压采样电路与太阳能电池板、蓄电池分别连接，将太阳能电池板的发电电压信号与蓄电池的电压信号分别传送到单片机，单片机根据电压采样电路采集到的电压信号进行处理计算后再对PWM充电电路、放电电路及市电辅助电路做出相应的控制。
所述的电流检测电路和所述的负载过流保护电路均分别连接于放电电路和LED路灯之间的线路上，所述的电流检测电路由取样电阻R与LM358构成，取样电阻R的两端电压经LM358放大，送入单片机的A/D口进行采集，所述的电流检测电路用于检测LED路灯工作时的工作电流大小，如果电流过大则通过负载过流保护电路将关断输出电子开关，停止对LED路灯的电流输出，以保护负载在负载或负载侧出现短路故障时不被烧坏。
所述的驱动电路用于接收单片机发出的PWM调制控制信号。
所述的显示电路由数码管和HEF4511BT显示驱动器构成，用于显示当前系统的工作模式。
所述的按键电路为一独立按键，用于系统不同工作模式的调节。
所述的市电辅助电路包括光耦检测电路、串接式三极管开关电路、互补型电流选通电路和滤波电路。
为了防止路灯系统铺设在偏远地区没有市电供给的情况下，需要检测是否有市电这路的后背电源连接，也即需要检测市电经过转换后+13V直流电压是否存在，这是通过光耦检测电路实现的。光耦检测电路的工作方式是：当+13V电压存在时，该电压驱动发光二极管发光，使得光敏三极管导通，由于光敏三极管的基极与PIC16F887单片机的37脚相连，集电极连接+5V直流电压，发射极通过电阻R11接地，当光敏三级管导通时第37脚置高电平，提供给单片机，市电相连的信号。相反+13V直流电压不存在时，37脚为低电平则说明市电未连接。一旦检测到有市电时，并且在太阳能电池板电压低于6V，蓄电池电压处于过放状态时，可以通过PIC16F887单片机第1脚进行控制场效应管(MOS)，以控制市电对负载进行供电并对蓄电池进行充电。
串接式三极管开关电路由第一三极管(PNP型三极管)、第二三极管(NPN型三极管)、第一电阻、第二电阻、第三电阻、整流二极管和滤波电容构成。由于单片机1脚的高电平为+5V，而市电转换后的直流电压为+13V，采用串联式三极管开关电路可以实现单片机对市电直流电源的控制，避免单片机与市电转换电压的共地故障。第一三极管的基极通过电阻与单片机的1脚连接，发射极接地，当1脚置+5V高电平时，构成单片机的输出电流回路，第一三极管的集电极串联第二电阻后与第二三极管的基极相连，第二三极管的基极与发射极之间接第三电阻。在第一三极管导通时，第三电阻、第二电阻构成+13V电压源的分压电阻，此时第二电阻是第二三极管的分压电阻，使第二三极管导通。整流二极管正极接在+13V电压源上，负极与滤波电容及第二三极管发射极相连可以抑制反向电压。
互补型电流选通电路通过第二三极管的集电极与串接式三极管开关电路相连接，互补型电流选通电路由第三三极管、第四三极管、第五三极管、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二二极管(防反接二极管)及一个P沟道增强型MOSFET管构成。第一二极管(防反接二极管)的正极与第一三极管的集电极相连，第一二极管的负极端接第四电阻后与第三三极管的基极连接，第三三极管的基极与发射极间接有第五电阻，第五电阻与第四电阻在第二三级管导通后构成分压电路，形成第三三极管的基极与发射极间的电压差，使得第三三极管导通，第三三极管的发射极接地，基极与第四三级管、第五三极管的基极分别连接，使得第三三极管导通与否决定了第四三极管与第五三极管的基极的电位高低，当第三三极管导通，第四三极管与第五三极管的基极被置为低电平，当第三三极管截止，第四三极管与第五三极管基极被置为高电平，第六电阻连接在第四三极管的基极与集电极间，第六电阻为第四三极管的偏置电阻，第四三极管的发射极与第五三极管的发射极串联连接，第三三极管是否导通使得+13V直流电源的电流回路不同，当第三三极管导通，回路电流由+13V电源通过第六电阻、第三三极管流入市电接地负极，当第三三极管截止，回路电流经过第四三极管、第五三极管流入市电接地负极。P沟道增强型MOSFET管的漏极G端串联第七电阻后接到第四三极管和第五三极管的基极连接点，连接点处的电压值决定P沟道增强型MOSFET管的漏极G端的电位。
滤波电路在接入市电直流电压+13V的正负极间接第四二极管D4(防反接二极管)、第五二极管(防反接二极管)，用于防止电源的反接，第八电阻、第九电阻与第三二极管和电容可消除电源中的杂散电流信号，实现稳压恒流供电。
所述的市电辅助电路，是将市电作为后备电源添加到控制系统中，市电通过开关电源转换成可为太阳能LED路灯和蓄电池供电的直流电压13V，当没有太阳或者太阳能电压低于6V、并且蓄电池电压处于过放状态时，可给路灯供电，并给蓄电池充电。所述的市电辅助电路可在异常工作环境下(如连续阴雨天气)保证路灯系统正常工作。
所述的单片机采用美国微芯科技有限公司(Microchip TechnologyInc)的PIC16F887。
所述单片机通过电压采样电路采集太阳能电池板的电压，用以实现太阳能电池最大功率点MPPT的跟踪，同时采集蓄电池的端电压，防止蓄电池的过充及过放。蓄电池充电采取PWM进行充电，即利用单片机产生PWM信号控制MOSFET管开关对蓄电池进行充电。在利用电压采样电路模块对太阳能电池板与蓄电池电压信号进行采集后，再由PIC16F887处理器中的程序控制部分根据采集信号对市电辅助电路开关进行控制。市电通过开关电源转换成直流电压13V，当没有太阳或者太阳能电压低于6V，且蓄电池电压处于过放状态时，市电作为后备电源，给路灯供电，并给蓄电池充电。该控制模块可用于在异常工作环境下(如连续阴雨天气)保证路灯系统的正常工作。
本实用新型的智能控制器具有以下优点：
1、有效避免了蓄电池、电池板、市电、路灯在共阳极情况下，产生共地的连接。
2、最大利用太阳能的基础上，满足对照明的连续性要求。
3、可以减少维护的次数，具有维护工作可周期性进行的优势，降低维护成本。
4、避免了蓄电池长期处于过放状态，减少了蓄电池重复充放电次数，延长了蓄电池的寿命。
附图说明
图1为本实用新型太阳能路灯智能控制器的原理框图。
图2为本实用新型太阳能路灯智能控制器中的市电辅助电路图。
图3为本实用新型太阳能路灯智能控制器的整体电路原理图。
附图标记说明：
1-PWM充电电路；2-放电电路；3-电压采样电路；4-电流检测电路；5-驱动电路；6-按键电路；7-负载过流保护电路；8-显示电路；9-市电辅助电路；10-单片机；11-太阳能电池板；12-蓄电池；13-LED路灯；A-市电转化后13V直流电压。
具体实施方式
如图1所示的太阳能路灯智能控制器，包括PWM充电电路1、放电电路2、电压采样电路3、电流检测电路4、驱动电路5、按键电路6、负载过流保护电路7、显示电路8、市电辅助电路9和单片机10，其中单片机10采用美国微芯科技有限公司(Microchip Technology Inc)的PIC16F887，对太阳能路灯供电进行智能化控制。
单片机10的I/O信号输入端分别与电压采样电路3、电流检测电路4、按键电路6连接，单片机的控制输出端分别与驱动电路5、市电辅助电路9、放电电路2、负载过流保护电路7、显示电路8连接。
PWM充电电路1是由两路MOS管电子开关串联设置在太阳能电池板11与蓄电池12的充电回路中构成，其中的一个MOS管开关由单片机控制单元下的驱动电路5连接，用于接收单片机PIC16F887发出的PWM调制控制信号。PWM充电电路1包括太阳能电池板11对蓄电池12的PWM充电电路和市电转换电源13V对蓄电池12的PWM充电电路。
放电电路2包括蓄电池12对LED路灯13进行供电电路和蓄电池12欠压时(＜12.6V)由市电为LED路灯进行供电的电路，放电电路2设置在蓄电池11与LED路灯12之间，通常由蓄电池11对LED路灯12进行供电，欠压时(＜12.6V)可以通过控制图2中的场效应管(MOS)Q6，切换到市电对负载进行供电。
电压采样电路3由A/D转换模块构成，包括太阳能电池板电压采样电路和蓄电池电压采样电路，电压采样电路的输入端与太阳能电池板连接。
电压采样电路3用于将太阳能电池板11的发电电压信号与蓄电池12的电压信号分别传送到单片机10，单片机10根据电压采样电路3采集到的电压信号进行处理计算后再对PWM充电电路1、放电电路2及市电辅助电路9做出相应的控制，例如，当单片机PIC16F887采集的太阳能电池板电压低于6伏时，单片机程序设置认为是晚上，控制器延时10分钟确认启动信号后，开通放电电路2，使负载LED路灯开始工作；当单片机PIC16F887采集的太阳能电池板电压高于6伏时，控制器将切断放电电路2，负载LED路灯不工作。当采集的蓄电池电压低于10.8V且太阳能电池板电压低于6伏时，才会通过市电辅助电路9为负载LED路灯和蓄电池同时供电，直到监测到的太阳能电池板电压信号高于6V或蓄电池到达过充点14.4V时，切断市电供电。
电流检测电路由取样电阻R与LM358构成，取样电阻R的两端电压经LM358放大，送入单片机PIC16F887的A/D口进行采集，用于检测LED路灯工作时的工作电流大小，如果电流过大则通过负载过流保护电路7将关断输出电子开关，停止对LED路灯的电流输出，以保护负载在负载或负载侧出现短路故障时不被烧坏。
显示电路8由数码管和HEF4511BT显示驱动器构成，用于显示当前系统的工作模式。
按键电路6由一独立按键构成用于系统不同工作模式的调节。市电辅助电路9，是将市电作为后备电源添加到控制系统中，市电通过开关电源转换成可为太阳能LED路灯和蓄电池供电的直流电压13V，当没有太阳或者太阳能电压低于6V，并且蓄电池电压处于过放状态时，可给路灯供电，并给蓄电池充电。
市电辅助电路9与PWM充电电路1、放电电路2分别连接，市电辅助电路9的作用是用于在异常工作环境下(如连续阴雨天气)保证路灯系统正常工作。
市电辅助电路图如图2所示，包括光耦检测电路901、串接式三极管开关电路902、互补型电流选通电路903和滤波电路904。
为了防止路灯系统铺设在偏远地区没有市电供给的情况下，需要检测是否有市电这路的后背电源连接，也即需要检测市电经过转换后+13V直流电压是否存在，这是通过光耦检测电路901实现的。所述的光耦检测电路901由第七三极管Q7、第七二极管D7、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12构成，光耦检测电路901的工作方式是：当+13V电压存在时，该电压驱动第七二极管D7(发光二极管)发光，使得第七三极管Q7(光敏三极管)导通，由于第七三极管Q7的基极与PIC16F887单片机的37脚相连，集电极连接+5V直流电压，发射极通过电阻R11接地，当第七三极管Q7导通时第37脚置高电平，提供给单片机，市电相连的信号。相反+13V直流电压不存在时，37脚为低电平则说明市电未连接。一旦检测到有市电时，并且在太阳能电池板电压低于6V，蓄电池电压处于过放状态时，可以通过PIC16F887单片机第1脚进行控制图2中的P沟道增强型MOSFET管Q6，以控制市电对负载进行供电并对蓄电池进行充电。
串接式三极管开关电路902由第一三极管Q1(PNP型三极管)、第二三极管Q2(NPN型三极管)、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、整流二极管D6和滤波电容C1构成。由于单片机1脚的高电平为+5V，而市电转换后的直流电压为+13V，采用串联式三极管开关电路可以实现单片机对市电直流电源的控制，避免单片机与市电转换电压的共地故障。第一三极管Q1的基极通过电阻R1与单片机的1脚连接，发射极接地，当1脚置+5V高电平时，构成单片机的输出电流回路，第一三极管Q1的集电极串联第二电阻R2后与第二三极管Q2的基极相连，第二三极管Q2的基极与发射极之间接第三电阻R3。在第一三极管Q1导通时，第三电阻R3、第二电阻R2构成+13V电压源的分压电阻，此时第二电阻R2是第二三极管Q2的分压电阻，使第二三极管Q2导通。整流二极管D6正极接在+13V电压源上，负极与滤波电容及第二三极管Q2发射极相连可以抑制反向电压。
互补型电流选通电路903通过第二三极管Q2的集电极与串接式三极管开关电路902相连接，互补型电流选通电路903由第三三极管Q3、第四三极管Q4、第五三极管Q5、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第二二极管D2(防反接二极管)及一个P沟道增强型MOSFET管Q6构成。第一二极管D1(防反接二极管)的正极与第一三极管Q1的集电极相连，第一二极管D1的负极端接第四电阻R4后与第三三极管Q3的基极连接，第三三极管Q3的基极与发射极间接有第五电阻R5，第五电阻R5与第四电阻R4在第二三级管Q2导通后构成分压电路，形成第三三极管Q3的基极与发射极间的电压差，使得第三三极管Q3导通，第三三极管Q3的发射极接地，基极与第四三级管Q4、第五三极管Q5的基极分别连接，使得第三三极管Q3导通与否决定了第四三极管Q4与第五三极管Q5的基极的电位高低，当第三三极管Q3导通，第四三极管Q4与第五三极管Q5的基极被置为低电平，当第三三极管Q3截止，第四三极管Q4与第五三极管Q5基极被置为高电平，第六电阻R6连接在第四三极管Q4的基极与集电极间，第六电阻R6为第四电阻Q4的偏置电阻，第四三极管Q4的发射极与第五三极管Q5的发射极串联连接，第三三极管Q3是否导通使得+13V直流电源的电流回路不同，当第三三极管Q3导通，回路电流由+13V电源通过第六电阻R6、第三三极管Q3流入市电接地负极，当第三三极管Q3截止，回路电流经过第四三极管Q4、第五三极管Q5流入市电接地负极。P沟道增强型MOSFET管Q6的漏极G端串联第七电阻R7后接到第四三极管Q4和第五三极管Q5的基极连接点，连接点处的电压值决定P沟道增强型MOSFET管Q6的漏极G端的电位。
滤波电路904在接入市电直流电压+13V的正负极间接第四二极管D4(防反接二极管)、第五二极管D5(防反接二极管)，用于防止电源的反接，第八电阻R8、第九电阻R9与第三二极管D3和电容C2可消除电源中的杂散电流信号，实现稳压恒流供电。
市电辅助电路的具体控制方式：PIC16F887单片机的1脚作为控制端发出控制信号，根据监测采样电路监测信号，当监测电路监测到太阳能电池板的电压信号低于6V且蓄电池电压处于过放点10.8V时，PIC16F887单片机1脚端输出低电平，第一三级管Q1截止，第二三极管Q2截止，第三三极管Q3截止，从而将第四三极管Q4、第五三极管Q5的基极置为高电平，第四三极管Q4导通，第五三极管Q5截止，P沟道增强型MOSFET管Q6的G端为高电平而被关断，市电被切断。监测到的太阳能电池板电压信号高于6V或蓄电池到达过充点14.4V时，PIC16F887单片机1脚端输出高电平+5V，第一三级管Q1导通，第二三极管Q2导通，第三三极管Q3导通，第四三极管Q4、第五三极管Q5的基极置为低电平，第四三极管Q4截止，第五三极管Q5导通，P沟道增强型MOSFET管Q6因G端低电平开启市电作为供电电源。
Claims (9)
1.一种太阳能路灯智能控制器，包括单片机、PWM充电电路、放电电路、电压采样电路、电流检测电路、驱动电路、按键电路、负载过流保护电路和显示电路，其特征在于：所述的智能控制器还设有市电辅助电路；
所述的单片机的I/O信号输入端分别与电压采样电路、电流检测电路、按键电路连接，所述的单片机的输出控制端分别与驱动电路、市电辅助电路、放电电路、负载过流保护、显示电路连接；
所述的单片机利用电压采样电路模块对太阳能电池板与蓄电池电压信号进行采集，再由单片机中根据采集的信号对市电辅助电路进行开关控制；所述的市电辅助电路通过开关电源转换成直流电压13V。
2.如权利要求1所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的PWM充电电路包括太阳能电池板对蓄电池的PWM充电电路和市电转换电源13V对蓄电池的PWM充电电路。
3.如权利要求1所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的放电电路包括蓄电池对LED路灯进行供电的电路和蓄电池欠压时由市电为LED路灯进行供电的电路。
4.如权利要求1所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的电压采样电路包括太阳能电池板电压采样电路和蓄电池电压采样电路。
5.如权利要求1所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的市电辅助电路包括光耦检测电路(901)、串接式三极管开关电路(902)、互补型电流选通电路(903)和滤波电路(904)。
6.如权利要求5所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的光耦检测电路(901)由第七三极管(Q7)、第七二极管(D7)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)构成，所述的第七三极管(Q7)的基极与单片机的37脚相连，所述的第七三极管(Q7)的集电极连接+5V直流电压，所述的第七三极管(Q7)的发射极通过第十一电阻(R11)接地，第七三极管(Q7)的基极与发射机之间接第十二电阻(R12)。
7.如权利要求5所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的串接式三极管开关电路(902)由第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、整流二极管(D6)和滤波电容(C1)构成；第一三极管(Q1)的基极通过电阻(R1)与单片机的1脚连接，第一三极管(Q1)的发射极接地；第一三极管(Q1)的集电极串联第二电阻(R2)后与第二三极管(Q2)的基极相连，第二三极管(Q2)的基极与发射极之间接第三电阻(R3)；整流二极管(D6)的正极接在+13V电压源上，整流二极管(D6)的负极与滤波电容(C1)及第二三极管(Q2)的发射极相连抑制反向电压。
8.如权利要求5所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的互补型电流选通电路(903)通过第二三极管(Q2)的集电极与串接式三极管开关电路(902)相连接，所述的互补型电流选通电路(903)由第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)、第五三极管(Q5)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第二二极管(D2)及一个P沟道增强型MOSFET管(Q6)构成；第一二极管(D1)的正极与第一三极管(Q1)的集电极相连，第一二极管(D1)的负极端接第四电阻(R4)后与第三三极管(Q3)的基极连接，第三三极管(Q3)的基极与发射极间接有第五电阻(R5)；第三三极管(Q3)的发射极接地，第三三极管(Q3)的基极与第四三级管(Q4)的基极、第五三极管(Q5)的基极分别连接；第六电阻(R6)连接在第四三极管(Q4)的基极与集电极间，第六电阻(R6)为第四电阻(Q4)的偏置电阻，第四三极管(Q4)的发射极与第五三极管(Q5)的发射极串联连接；P沟道增强型MOSFET管(Q6)的漏极G端串联第七电阻(R7)后接到第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)的基极连接点。
9.如权利要求5所述的太阳能路灯智能控制器，其特征在于：所述的滤波电路(904)由第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第三二极管(D3)和第二电容(C2)构成，所述的滤波电路(904)在接入市电直流电压+13V的正负极间接第四二极管(D4)、第五二极管(D5)。
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