CN205430689U - 可组网控制的太阳能led路灯终端控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于城市道路照明设施技术领域，具体提供了一种可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，包括STC12LE5616AD单片机主模块、产生10V和3.3V直流电的电源模块、充电、放电模块以及ZigBee模块，主模块分别与电源模块、充电模块、放电模块、以及ZigBee模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与，蓄电池连接。本实用新型通过ZigBee模块以及其自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网路及路灯控制中心对路灯进行统一控制管理，起到节能降耗并降低人工管理、维护路灯的费用。

Description

可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路

技术领域

本实用新型属于城市道路照明设施技术领域，具体提供了一种可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路。

背景技术

随着城市化进程的加快,城市道路照明设施的规模也在不断扩大。道路照明在保障夜间交通安全,减少夜间犯罪,提供舒适生活环境等方面起着非常重要的作用。但路灯规模的发展也面临着以下两方面的挑战:一方面,道路照明每年都带来大量的电能消耗,如今亟需更加节能的照明方案;另一方面,随着路灯规模的扩大,路灯的管理与维护变得更加的困难,如何对路灯实行有效的监控已成为路灯发展必须要解决的一项重大问题。

照明节能投入少、见效快,是所有终端用电设备节能措施中节能率和减排率最髙、成本效益最好的一种,因此,照明节能的意义非常重大。近些年来,大功率LED光源在照明市场的前景已备受全球瞩目。LED是低压直流器件,与传统光源相比,具有光效高、寿命长、体积小、绿色环保等优点。大功率LED的光效在901m/w以上,LED正有成为未来光源的趋势。

LED是低压直流器件,该特性使得太阳能、风能等可再生能源能很方便地为LED提供电源。太阳的能源非常巨大,大约40分钟照射到地球上的太阳光所产生的能量就相当于全人类一年的消耗。光伏技术的发展,给太阳能在照明领域的应用带来了非常广阔的前景,而太阳能在路灯照明领域的应用,亦能大大降低路灯对电网的依赖,缓解电网的用电压力。

目前大多数城市的路灯监控系统仍釆用有线网络布局方式,施工复杂、灵活性差、成本极高。在管理方面,只能通过“晚上巡灯,白天巡线”的人工方式,不仅消耗大量的人力、物力,而且实时性差,效率低,甚至出现连续白天亮灯的现象。路灯监控方式的落后,是道路照明能源浪费的一个重大因素。

高光效绿色LED光源与可再生能源相结合,并采用智能化的监控管理方案无疑是实施能源节约、减少资源浪费、满足人们生活要求的城市照明科学解决方案。

LED路灯的普及,推动了LED路灯终端控制电路产业的发展。但是目前绝大多数的LED路灯终端控制电路都属于单灯控制电路,不提供组网功能,因此路灯的管理仍需采用常规的人为巡检方式。维修组负责每天在亮灯后巡视其中的一小片,平均每天需耗时3小时。路灯的巡检方式带来了长期的人力、物力消耗。

发明内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种应用于LED路灯的可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，以实现通过无线网路及路灯控制中心对路灯进行统一控制管理，起到节能降耗并降低人工管理、维护路灯费用的目的。

为达上述目的，本实用新型提供了一种可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，包括主模块、电源模块、充电模块以及放电模块，所述主模块分别与电源模块、充电模块以及放电模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与蓄电池连接；所述主模块还连接有ZigBee模块，ZigBee模块与电源模块连接；所述主模块为STC12LE5616AD单片机；所述电源模块的输出电压为10V直流电以及3.3V直流电；所述主模块还连接有时钟电路以及温度检测器件。

上述时钟电路包括美国DALLAS公司生产的DS1302实时时钟电路模块，该DS1302实时时钟电路模块的4脚和8脚接地，其1脚与STC12LE5616AD单片机的27脚连接，其5脚与STC12LE5616AD单片机的16脚连接；其6脚与STC12LE5616AD单片机的15脚连接，其7脚与STC12LE5616AD单片机的14脚连接。

上述温度检测器件具体为NTC热敏电阻。

该可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路还设有蓄电池反接保护电路。

上述蓄电池反接保护电路包括一稳压二极管D17以及N沟道MOSFETQ19，其中D17的正极接地，同时连接电阻R41的一端，D17的负极连接R41的另一端以及Q19的栅极，D17的负极还同时经电阻R40连接蓄电池，D17的正极还连接Q19的源极，Q19的源极和漏极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型通过ZigBee模块以及其自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网路及路灯控制中心对路灯进行统一控制管理，起到节能降耗并降低人工管理、维护路灯的费用。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的总体电路框图；

图2是处理器电路原理图；

图3是时钟电路原理图；

图4是Q1驱动电路原理图；

图5是充电电路原理图；

图6是蓄电池反接保护电路原理图；

图7是充电电流检测电路原理图；

图8是放电电路原理图；

图9是Q17驱动电路原理图；

图10是CC2530外围电路原理图；

图11是基于RFX2401C的射频放大电路原理图；

图12是ZigBee模块Debug接口原理图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，包括主模块、电源模块、充电模块、放电模块、以及ZigBee模块，所述主模块分别与电源模块、充电模块、放电模块、以及ZigBee模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与蓄电池连接，具体可参照图1所示，其中主模块为STC12LE5616AD单片机；所述电源模块输出电压值为10V直流电以及3.3V直流电。

本实用新型的控制电路除了增加ZigBee通信模块用于通信之外，还具备对太阳能路灯的基本控制功能。控制电路设有太阳能板、蓄电池以及LED负载的接口，控制电路的工作电压来自于蓄电池。为了实现所需控制功能，控制电路还包含处理器主模块、充电模块、放电模块以及必要的驱动模块等。控制电路的组成结构参照图1所示。

控制电路的设计遵循模块化的设计原则，按照图1的控制电路组成框图，控制电路其硬件包含主模块、电源模块、充电模块、放电模块、驱动模块、ZigBee模块等。

下面将对控制电路的硬件模块作详细陈述。

1、控制电路主模块设计

主模块是控制电路的运算处理核心部件，其性能直接决定了控制电路的功能实现以及产品品质。根据控制电路的功能要求，主模块处理器的选型需考虑以下几个方面：

1)控制电路运行于户外环境中，并要求24小时不间断运行，因此处理器需选择工业级芯片；

2)处理器需提供七路A/D转换接口，这七路A/D转换接口将分别用于采样太阳能板电压、蓄电池电压、LED负载电压、充电电流、LED负载电流、蓄电池放电电流以及环境温度；

3)处理器需提供一路PWM输出，用于BOOST电路控制信号；

4)处理器需提供多路GPIO，用于连接状态指示灯、时钟电路等模块；

5)从成本控制角度考虑，处理器必须具有较高的性价比。

综合考虑以上要求，系统最终选用了STC12LE5616AD处理器。该处理器是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T)单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。该处理器的主要性能及资源如下：

1)主频范围0~35MHz，相当于普通8051处理器的0~420MHz频率；

2)宽电压输入范围：2.2~3.6V，超强的电源防抖动性能；

3)低功耗设计。正常工作模式下的典型功耗为2.7~7mA，掉电模式下的功耗小于0.luA(可由外部中断唤醒）；

4)丰富的片内外设。包括4K的EEPROM数据存储区，8路10位ADC通道，4路PWM通道，4通道捕获/比较单元，6个16位定时器等；

5)内部集成有MAX810专用复位电路以及硬件看门狗。

综上所述，STC12LE5616AD处理器完个满足控制电路的需求。同时，STC12LE5616AD仅需很少的外围器件，就可以保证处理器的正常稳定工作，该部分电路如图2所示，其中，STC12LE5616AD的串口不仅可用作程序下载，也用于连接ZigBee模块。

STC12LE5616AD通过3线接口与时钟电路DS1302进行同步串行通信，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年月日时分秒进行计时，并具有闰年补偿功能。图3为DS1302时钟电路，该时钟电路包括美国DALLAS公司生产的DS1302实时时钟电路模块，该DS1302实时时钟电路模块的4脚和8脚接地，其1脚与STC12LE5616AD单片机的27脚连接，其5脚与STC12LE5616AD单片机的16脚连接；其6脚与STC12LE5616AD单片机的15脚连接，其7脚与STC12LE5616AD单片机的14脚连接。

控制电路需要对环境温度进行检测，从而对蓄电池的保护参数进行温度补偿。环境温度的检测通过NTC热敏电阻实现，本系统选用精度±1%，B值3950，25度环境下阻值10K的NTC热敏电阻。

2、电源模块的设计

控制电路的工作电源完全来自于蓄电池电压，参照控制电路的性能指标要求，控制电路需对蓄电池12V系统或24V系统自适应，因此电源模块的输入电压为DC11V~26V宽范围。电源模块需提供DC10V与DC3.3V电源，10V电源用于驱动MOSFET的有效导通，3.3V电源用作主模块、ZigBee模块等数字电路的供电电源，由于现有技术很容易得到该电源模块的电路结构，因此此处对电源模块的结构不再详述。

3、充电模块设计

充电模块是太阳能板与蓄电池之间的桥梁。充电模块需要具备以下几项功能：①充电控制；②蓄电池反接保护；③太阳能板反接保护；④蓄电池、太阳能板电压检测；⑤充电电流检测。

充电控制是充电模块的基本功能。当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程。在本实用新型的充电模块设计中，采用两个镜像对称的N沟道MOSFET来实现充电控制功能。MOSFET选用IRF3205场效应管，IRF3205在VGS=10V的条件下，RDS仅为8mΩ，额定电流能达到80A。在实际应用中发现，IRF3205的导通压降不到0.1V,而且发热量非常小。该部分电路图如图5所示。

其中N沟道MOSFETQl，Q2实现充电控制功能。当太阳能板电压大于蓄电池电压时，由于Q2MOSFET寄生二极管的作用，仅Q2一个MOSFET并不能控制充电电路的有效通断，因此需要引入Q1，由两个MOSFET合作完成电路的通断控制。Q1的栅极电压来源于Vmos，而Vmos取自太阳能板，因此当太阳能板反接时，Q1将无法得到正向的栅源偏置电压，无法导通，由此实现了太阳能板的反接保护功能。P6KE68CA是双向瞬态抑制二极管(TVS)，瞬态抑制二极管对电路中瞬间出现的浪涌电压脉冲起到分流、箝位的作用，可以有效保护电子设备免受雷击或静电放电（ESD）等快速瞬态电压的破坏，为输入/输出接口提供理想的保护方案。P6KE68CA的截止电压为68V，峰值功率(1ms)可达600W，对抑制瞬态脉冲有明显的作用。R7，R8的电阻分压网络，用于蓄电池电压检测。R3,R5,R6,D4完成太阳能板的电压检测。当蓄电池处于充电状态时，太阳能板的电压会被大幅拉低，因此充电状态下无需进行太阳能板电压的检测。在非充电状态下，Q1，Q2作用将充电回路断开，标号AD5处电压值VAD5与太阳能板电压Vsolar之间存在线性关系：VAD5=（Vbattery-Vsolar+0.7）R6/(R5+R6)，其中，Vbattery为蓄电池电压，0.7V是对二极管D4的电压估计。D4的作用是防止太阳能板反接时，过高的电压被引入单片机AD口。当太阳能板电压大于蓄电池电压时，D6正向导通，单片机AD口的检测值将为零。蓄电池的反接保护由另一N沟道MOSFET完成，其原理与太阳能板的反接保护类似，该部分电路见图6所示，该电路包括一稳压二极管D17以及N沟道MOSFETQ19，其中D17的正极接地，同时连接电阻R41的一端，D17的负极连接R41的另一端以及Q19的栅极，D17的负极还同时经电阻R40连接蓄电池，D17的正极还连接Q19的源极，Q19的源极和漏极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极连接。

在图5中，R4,R27是两个2025封装的小阻值电阻，用于釆样充电电流。电流流经采样电阻，产生微小压降，再由INA193芯片将电压信号放大。INA193在采样端允许-16V~36V的电压输入，支持500KHz的采样频率以及最大仅900uA的低电流消耗。INA193能将差分输入电压信号放大20倍。该部分电路如图7所示。

放电模块的设计

放电模块主要负责蓄电池对LED负载的放电过程。LED又称发光二极管，是典型的非线性元件。当LED两端的电压较低时，LED处于截止状态。当电压达到一定幅度时，LED即会导通发光，此时两端电压稍微增加，导通电流就会明显提升，如果不对导通电流加以限制，LED很容易过流烧坏因此放电模块对LED负载采用了恒流控制方式。放电模块通过BOOST电路实现，由BOOST电路升压恒流驱动LED负载，如图8所示。BOOST电路的性能直接影响到控制电路的能量转换效率、发热量以及使用寿命。图中，MOSFETQ18控制LED负载的通断，Q17控制BOOST电路的运行。R23，R24是两个采样电阻，R23用于采样蓄电池放电电流峰值，R24用于采样LED负载电流，电流采样方式与充电电流类似，在此不再赞述。BOOST电路是一种开关直流升压电路，它分为充电、放电两个工作过程。在充电过程中，Q17闭合，此时输入电流流经电感，通过Q17到地，由于输入为直流电，所以电感上的电流以一定的速率线性增加，这个速率与输入电压以及电感大小有关。随着电感电流的增加，电感中积累了一定的能量，当Q17断开时，进入BOOST电路的放电过程，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会立即降为零，而会对LED负载以及电容C9放电，并抬高输出端的电压。BOOST电路的工作过程就是电感不断吸收能量释放能量的过程。如若输出电容C9足够大，就能在LED负载上保持稳定的电流。二极管D11能够防止Q17导通过程中电容C9的对地放电。Q17的驱动信号频率是由处理器的PWM频率决定的。PWM频率可以有多种选择，本实用新型中，PWM频率f满足关系式：f=fosc/（2×256）；其中，fosc是时钟频率，此处为11.0592MHz，计算可得PWM频率为21.6MHz。

在实际应用中，要求控制电路能带动60W甚至80W负载，60W对应的典型负载为6并10串的LED灯具，额定工作电压30V，额定工作电流2A。从以上BOOST电路可以达到调整Q17栅极电压的占空比，进而控制电感中的电流，进而控制LED负载的电流。

5、驱动模块设计

在控制电路的电路设计中，共有4个N沟道MOSFET需要提供驱动，它们是充电模块中的Q1，Q2,以及放电模块中的Q17，Q18。除Q1之外，其他三个MOSFET的驱动电路类似，以Q17的驱动电路为例，其驱动电路如图9所示；该驱动电路的作用是将处理器输出的3.3VPWM信号转换成10VPWM信号，同时保持PWM波形的规范性、完整性，从而能有效地控制MOSFET的开通与关断。在图9中使用了R28上拉电阻，从而使默认情况下的Q17处于关断状态，保证了BOOST电路在不工作状态下的安全。Q17是BOOST电路的关键，在实际应用中，Q17的栅极电压PWM波形很容易产生畸变，通过适当调整图9中电阻值的大小，可以在一定程度上改善电路的驱动性能。

Q1的驱动电路比较特殊，因为Q1的源极电压为太阳能板的负端电压，与处理器控制信号对应的地电位不同。该部分驱动电路见图4；其中D8的作用是防止太阳能板反接时发生电流倒灌。当处理器的控制信号mos1为低电平时，Q3，Q4均工作于截止区，此时Q5得不到正向的发射极偏置电压，亦工作于截止区，输出Dmos1电压为Vmos电压，从而导通MOSFETQ1。当处理器的控制信号mosl为高电平时，Q3、Q4均工作于饱和区，此时Q5得到了正向的发射极偏置电压，亦工作于饱和区，输出Dmosl电压为SolarGND电压，从而关断MOSFETQ1。

6、ZigBee模块设计

ZigBec技术与其他技术相比，具有以下几个方面的优势：

1)低功耗。低功耗是ZigBec一项重要特性。两节五号碱性电池可以支持ZigBec设备工作长达6~24个月。

2)低成本。

3)网络容量大。一个ZigBee网络最多可以容纳65000个节点。

4)传输可靠。ZigBee网络媒体访问控制层采用了碰撞避免机制CSMA-CA，同时为需要固定宽带的通信业务预留了专用时隙。网络节点有自动动态组网的功能，数据在网络中通过自动路由的方式进行传输，而且个别节点的失效不会影响整个网络的数据通信。

5)安全。ZigBee提供有数据完整性检查功能，并且可以选用AES-128加密算法。

本实用新型在ZigBee网络的硬件实现上，采用了TI公司的CC2530片上系统解决方案。CC2530的性能及资源如下：

1)宽电源电压范围2~3.6V；

2)低功耗设计。接收模式电流消耗24mA，发送模式电流消耗29mA；

3)优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核；

4)丰富的片内资源包括8KBRAM,256KBFLASH,5通道DMA,8路12位ADC，2路USART以及硬件看门狗等；

5)内含基于2.4GHzIEEE802.15.4标准的RF收发器，收发器具有极高的接收灵敏度（-97dBm)，可编程输出功率高达4.5dBm；

6)支持精确的数字化RSSI/LQI,AES安全协处理器以及硬件支持CSMA/CA。

因此，CC2530完全符合木系统的ZigBee网络设计要求。CC2530及其外围电路如图10所示。在该图中，CC2530使用了一个类似于单极子的不平衡天线，因此在25、26引脚外连接了一个巴伦电路来最优化性能。巴伦电路可以将差分信号与单端信号相互转换。根据实际应用上监控网络的要求，ZigBee节点间的通信距离必须大于路灯间距，因此ZigBee模块的设计也必须考虑到通信距离的长短。因此在实用新型的ZigBee模块设计中，不仅使用了增益天线，而且添加了射频功率放大模块。在ZigBee模块设计中，引入了RFX2401C射频功率放大电路。该芯片内部集成了PA，LNA，发送接收开关电路，相关匹配网络以及谐波滤波器。该芯片具有22dBm的发射功率，而且外围电路非常简单。该芯片电路如图11所示，其中RFX2401C的TXEN、RXEN引脚用于控制芯片的运行，图中RXEN始终保持为高，而TXEN则连接到CC2530。当CC2530有数据需要发送时，使能RFX2401C的发送模式。图12是ZigBee模块Debug接口原理图。

综上，本实用新型通过ZigBee模块以及其自身具备的控制功能，能够使LED路灯成为组网控制终端，从而通过无线网路及路灯控制中心对路灯进行统一控制管理，起到节能降耗并降低人工管理、维护路灯的费用。

本实用新型的具体技术优势包括如下内容：

1)能通过收集相关数据，判断是否满足充电条件，控制太阳能板对蓄电池的充电过程。并能在充电过程中，防止充电电流过大以及避免蓄电池的过充电。

2)能通过收集相关数据，判断是否满足放电条件，控制蓄电池对LED负载的放电过程。在放电过程中，按要求功率驱动负载，并避免蓄电池的放电过流或欠压放电。

3)控制参数可以自由设置。

4)具备温度补偿功能，能检测环境温度，进而对蓄电池的保护参数进行修正，以延长蓄电池的使用寿命。

5)在工业级工作温度范围内能正常稳定工作。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，包括主模块、电源模块、充电模块以及放电模块，所述主模块分别与电源模块、充电模块以及放电模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与蓄电池连接，其特征在于：所述主模块还连接有ZigBee模块，ZigBee模块与电源模块连接；所述主模块为STC12LE5616AD单片机；所述电源模块的输出电压为10V直流电以及3.3V直流电；所述主模块还连接有时钟电路以及温度检测器件。

2.如权利要求1所述的可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，其特征在于：所述时钟电路包括美国DALLAS公司生产的DS1302实时时钟电路模块，该DS1302实时时钟电路模块的4脚和8脚接地，其1脚与STC12LE5616AD单片机的27脚连接，其5脚与STC12LE5616AD单片机的16脚连接；其6脚与STC12LE5616AD单片机的15脚连接，其7脚与STC12LE5616AD单片机的14脚连接。

3.如权利要求1所述的可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，其特征在于：所述温度检测器件具体为NTC热敏电阻。

4.如权利要求1所述的可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，其特征在于：该可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路还设有蓄电池反接保护电路。

5.如权利要求4所述的可组网控制的太阳能LED路灯终端控制电路，其特征在于：所述蓄电池反接保护电路包括一稳压二极管D17以及N沟道MOSFETQ19，其中D17的正极接地，同时连接电阻R41的一端，D17的负极连接R41的另一端以及Q19的栅极，D17的负极还同时经电阻R40连接蓄电池，D17的正极还连接Q19的源极，Q19的源极和漏极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极连接。