CN202182410U - 红外感应太阳能led照明设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种红外感应太阳能LED照明设备，包括电池管理单元、太阳能板块、锂电池、主控单元、红外感应单元、光感应单元、LED照明单元、摄像监控单元，主控单元分别与红外感应单元、LED照明单元、摄像监控单元、电池管理单元连接、电池管理单元分别与锂电池和太阳能板块连接，太阳能板块与电池连接。本实用新型的特点是：能够针对多种供电方式进行锂电池高效充放电控制；采用高效锂电池管理机制，提高能源转换效率；比传统的升压供电方式具有更高的效率，从而提高了电池使用时间；高速和高精度的信号采集、转换控制；嵌入式控制系统的低功耗、高可靠性设计，该设计是一个节能、环保、低成本的集照明与监控于一体的解决方案。

Description

红外感应太阳能LED照明设备

技术领域

本实用新型 涉及一种红外感应太阳能LED照明设备，涉及技术包括锂 电池电源管理，高亮度LED控制，太阳能充电管理，摄像头监控管理，嵌入式系统低功耗设计，感应信号采集和信号处理等。 

背景技术

    世界即将面临严重的能源危机和不断增加的环保压力，环保、节能已经成为各行业发展的要求和趋势。随着对晶体性能的研究逐步深入，纳米贴膜等新技术出现，相关领域技术的发展，太阳能光伏技术也在不断提高，同时充电电池制造技术的日益完善，使太阳能的能源转化效率及充电电池的容量等指标大幅提高。LED半导体作为照明光源具有使用寿命长、发光效率高、体积小、重量轻、环保安全可靠等优点。

    太阳能LED照明设备是新一代能源和新一代光源的完美结合，融合了太阳能光伏和LED照明技术的诸多优势。从电路设计和软件控制及结构设计等多方面综合考虑，采用综合解决方案，具有性价比高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、安装维护简便等优点。

太阳能LED照明设备主要类型包括庭院灯、草坪灯、景观灯、信号灯等。城市景观照明、公共建筑室内外照明等均是近年各国政府投资的重点，太阳能照明产品将在未来几年内被广泛应用。

发明内容

鉴于现有技术发展和应用，本实用新型提供了一种利用太阳能板块采集太阳能并转化为电能，作为系统能量来源的红外感应太阳能LED照明设备。

本实用新型为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种红外感应太阳能LED照明设备，其特征在于：包括电池管理单元、太阳能板块、锂 电池、主控单元、红外感应单元、光感应单元、 LED照明单元、摄像监控单元，所述主控单元分别与红外感应单元、LED照明单元、摄像监控单元、电池管理单元连接、所述电池管理单元分别与锂 电池和太阳能板块连接，所述太阳能板块与电池连接 。

本实用新型的特点是：1、系统主控单元采用高效实时嵌入式操作平台，atmel88PA作为主控芯片，系统工作于低功耗模式下，模拟信号采集均采用高精度、高速A/D转换，高性能中断处理机制，使系统功耗更低，处理速度更快，该系统在持续照明时间和系统能源转化效率等性能方面具有优势。

2、该产品采用通用电源接口设计，供电方式多样，既可以用太阳能板供电，也可以用常用9～15V通用电源供电，为达到该设计要求，在电路设计上，加入了外围电源处理电路，软件上动态检测供电电压，区分供电模式，直流根据不同的供电方式，采用智能处理算法，在充电过程采取转化为PWM或直接充电等多种方式管理。使系统具有最优的充电效率和更广泛的通用性。

3、该系统具有更高的节能效率、电池使用效率，具有较长的持续照明时间，硬件处理上采用高精度和低功耗关键外围器件，系统采用高速、高精度锂电池放电电压检测，做到锂电池过放的实时控制，使锂电池使用更充分，保证电池的能源使用效率。

4、系统在软件处理上充分利用LED的余辉效应，通过采用优化PWM算法控制LED照明，通过渐亮渐暗等处理，实现亮度转换的平稳，能够使LED既不影响视觉上的亮度闪烁，又能达到省电的效果，选用高精度器件，LED电压采样更加精确，使系统照明过程，达到低功耗要求，同时又能延长锂电池和LED的寿命和提高使用效率。

5、该产品中采用了红外感应和光感应，感应距离远，感应精度高。从硬件、软件和结构设计等多方面改进，采取多路采集和处理，通过软件和硬件滤波相结合，优化红外感应处理算法，使系统红外感应精度更高、距离更远，准确率高。这种设计方式，能够有效保证LED有效照明时间，从而达到节能效果。该产品还可手工设定系统延迟时间和感应距离等参数。 

6、为提高该产品的太阳能电池板块的能源转换效率，软件和硬件上采用优化的最大峰值追踪技术（MPPT），补偿电池的V/I特征曲线，优化输出功率，提高了太阳能板的供电效率，根据太阳能电池板块特性，并利用其特性和充电电池特性，进行硬件设计和软件控制实现特征曲线的最佳补偿。

7、将摄像头与LED照明集成于一体，照明与监控由MCU统一控制，在满足照明与监控需求的同时兼顾了节能的问题，并且产品收到视频信号后，会由接收机发出提示音，提醒用户有人在监控范围内移动。

8、系统集成度高，全数字化设计，整机结构及外观设计巧妙、硬件设计上在LED照明控制、充电控制、感应电路等部分采用了独特设计，包括硬件上采用高精度器件和软件上高精度数据采集处理等，节能效果好。

总之，该设备使用太阳能板为锂电池充电作为供电方式，由低功耗主控单元协调其他外围各模块完成充放电控制，高亮度LED亮灭及明暗控制，摄像头监控控制、热感应控制、光感应控制等功能。系统电源智能管理算法能够针对多种供电方式进行锂电池高效充放电控制；结合太阳能电池板及锂电池特性，采用高效锂电池管理机制，提高能源转换效率；LED电源设计为负载与回路的开关MOS管直接串联在一起，比传统的升压供电方式具有更高的效率，从而提高了电池使用时间；高速和高精度的信号采集、转换控制；嵌入式控制系统的低功耗、高可靠性设计，使本系统在节能等性能方面具有优势，该设计是一个节能、环保、低成本的集照明与监控于一体的解决方案。

附图说明

图1为本实用新型的电路连接框图。

具体实施方式

    如图1所示，红外感应太阳能LED照明设备，包括电池管理单元、太阳能板块、锂电池、主控单元、红外感应单元、光感应单元、LED照明单元、摄像监控单元，主控单元分别与红外感应单元、LED照明单元、摄像监控单元、电池管理单元连接、电池管理单元分别与锂电池和太阳能板块连接，太阳能板块与电池连接。 

太阳能板负责采集太阳能并转化为电能，该单元作为系统能量来源；主控单元主要由电压转换控制电路、主控芯片及相关主控电路等构成；电池管理单元由太阳能板输出功率控制和充放电控制电路组成， 充放电控制电路包括过充保护、过放保护、三角波发生电路，三角波发生电路由LM258、BAT54S及外围电路设计完成，可以延长有效太阳能充电时间，使锂 电池充分充电；感应单元主要由热感应和光感应器件及其外围电路构成；LED照明单元由LED灯、采样电阻、升压电路、反馈电路、PWM控制电路构成；摄像 监控单元由摄像头构成，可以在主控单元的控制下进行视频监控。

产品白天利用光伏效应原理制成的太阳能板块接收太阳辐射能量并转化为电能输出，经过充电控制储存在锂电池中，夜晚当充放电控制器检测到太阳能板块电压低于锂电池正负极电压，锂电池板终止对电池充电，锂电池开始放电，并作为系统工作电源。当外界亮度逐渐降低至一定程度，系统通过光感应检测到环境亮度低于系统设定的参考亮度值时，系统开始根据红外感应结果和系统当前工作模式控制LED亮灭。系统工作过程中，充放电控制器实时检测电池电压，同时检测LED工作电压，根据情况，采用优化PWM方式调节LED供电，如果锂电池电压低于门限值，则进行过放控制，停止锂电池供电。

太阳能板块作为产品供电电源对锂电池进行充电过程中，采用优化的最大峰值追踪技术（MPPT）。通过增大或者减少充电电路开关信号PWMCHG占空比，根据输出功率是和充电电池的特性来决定下一步是增大还是减少占空比。通过对太阳能板块在某一时刻的输出电压、输出电流进行检测，得到该状态下太阳能板块的输出功率，再将它与前一时刻的功率值比较，根据两次（也可多次采样）功率值的差值来确定下一步给定负载端参考电压调整的方向。

从功率比较的角度分析，假设两次采样的功率分别为P1，P2，ΔP=P2-P1。当ΔP>0时，说明参考电压调整的方向是正确的，需继续按原方向调整；当ΔP=0时，说明参考电压调整方向与预期的方向是相反的，需要反向调整。

　　将参考电压和功率结合起来考虑基本系统变化的真实情况。本系统采用了比值比较的方式来判断参考电压和功率的变化情况，这里设定了一个比较标志Flag。

其中：Flag=△P /△U,各种变化见下表 

该部分设计针对太阳能板块的输出变化相对比较缓慢，而且是单极点这一特点，该方法有很好的效果，使系统充电性能通过补偿电池的V/I特征曲线，优化输出功率，提高了太阳能板块的供电效率。

系统主控单元采用高效实时嵌入式操作平台，atmel88PA作为主控芯片，内部具有高精度、高速A/D转换单元，强大的I/O功能和高性能中断处理机制，可以工作于低功耗模式下，处理速度更快，功耗更低，该系统在持续照明时间和系统能源转化效率等性能方面具有很大优势。由于各个单元需要的电压有所差异，本系统采用高稳定和高精度的稳压芯片，分别为MCU、监控单元提供工作电压，再结合外围电路的设计，使系统能够稳定、高效的的工作。 

电路上针对不同的供电方式设计了自适应充电电路，能够根据不同情况自动调节电路电流和电压，有效保证了充电过程电压和电流合理性，特别是针对常用的9V-15V供电方式，系统的充电管理模式，使整个充电过程电流和电压始终处于最佳值，提高了充电效率的同时保证了供电的可靠性和稳定性。能有效防止反充电流的同时，也起到了太阳能板块极性接反时的保护作用。

软件上对充放电控制部分设计了过充、过放保护等控制，利用高精度采样精确检测充放电过程电压、电流值，智能算法根据充电电压，自动调节充电电压，使系统该部分设计具有很强的通用性和很高的能源转换效率。采用通用包括涓流充电模式和恒压充电模式在内的三段 充电模式，通过对电流的采样和比较处理，控制充电截至时间，对电池形成有效保护。

电路上的I-V转移曲线是一个瞬态函数，每次状态转移时，特别是当曲线跨越门限时，MOS管等诸多器件都会有大的（潜在性）开关电流，加快响应时间和降低电压将有助于减少开关电流从而达到减少器件功耗的目的。在电路设计上多采用肖特基二极管等低功耗器件和高精度器件，特别是对于感应部分的信号采集和处理，以及LED控制等，这种处理方式也起到了明显的提高节能性能和增加系统稳定性的作用。

感应部分包括红外热感应和光感应 ，通过硬件电路的优化，使系统的采样和A/D转换速度快的优势得以充分发挥，通过多种采样方式和信号处理算法，增大了感应范围和准确性，特别是对于系统红外感应部分和光感应部分 的软件处理也采用了独特的全数字化处理，通过对人体体温形成的模拟信号特性分析和光敏电阻值的变化分析 ，制定了与之适应的分析处理算法，通过硬件滤波和软件滤波相结合，使该系统具有比同类产品更远的感应距离和准确度，提高了系统处理准度和精度，这也保证了系统的高效性能。

采用优化PWM的管理方式有效降低了LED的功耗，保证LED的正常工作时间，系统还利用反馈式拓扑结构，供电同时实时监测LED电压、电流状态。LED电流通过高位电压检测采样送回MCU，作为反馈参考，实时控制和调整LED的电压等指标，由MCU通过调整PWM占空比来获得恒定输出电流。系统在控制LED的亮灭过程中有渐变的处理，能够有效保证LED的使用寿命和达到节能目的。系统通过光感应器件检测环境亮度，只有当亮度低于参考值时，才会在自动模式下启动LED亮。用户还可以根据实际需要设定照明延迟时间和热感应灵敏度等参数。 

本产品在提供LED照明的同时还具备摄像头监控功能，摄像头会在接收到红外感应信号后与LED灯同时被启动，在LED照明的条件下，对特定区域进行视频监控，并通过无线的方式将视频信号传递给接收机，接收机与显示器连接即可对摄像头照射有效范围进行监控。当接收到图像后，接收机会发出告警声音，提醒用户进行观测。

Claims (1)

1.一种红外感应太阳能LED照明设备，其特征在于：包括电池管理单元、太阳能板块、锂 电池、主控单元、红外感应单元、光感应单元 、LED照明单元、摄像监控单元，所述主控单元分别与红外感应单元、光感应单元、 LED照明单元、摄像监控单元、电池管理单元连接、所述电池管理单元分别与锂 电池和太阳能板块连接，所述太阳能板块与电池连接。