在城市化建設(shè)進(jìn)程中，城市道路中的光伏
LED路燈照明系統(tǒng)引發(fā)了極大的關(guān)注。其具有響應(yīng)速度快、耗電量小、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，成為替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。本文重點(diǎn)研究和探討城市道路LED路燈照明設(shè)計(jì)系統(tǒng)，遵循城市道路LED路燈照明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，從硬件、軟件等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，使之具有更為優(yōu)越的使用性能。
1 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的基本構(gòu)成及設(shè)計(jì)原則
1.1 城市道路LED
路燈照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
LED路燈照明系統(tǒng)主要由以下部件構(gòu)成：太陽(yáng)能電池板（光伏組件、發(fā)電板）、燈具（LED光源）、外殼、太陽(yáng)能儲(chǔ)能蓄電池、太陽(yáng)能充放電控制器和燈桿。其中，太陽(yáng)能電池的主要功能是將光能轉(zhuǎn)換成電能；燈具外殼包括外殼（常規(guī)燈殼、壓鑄鋁燈殼）和散熱板（鋁基板散熱板）；太陽(yáng)能儲(chǔ)能蓄電池的作用是存儲(chǔ)白天太陽(yáng)能電池組件的能量；太陽(yáng)能控制器的基本功能是光控、時(shí)控、溫控等；燈桿主要分為等徑桿（上口、下口一樣大）、錐型桿（上口小、下口大）、異形桿等。
1.2 城市道路LED
路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
①降低功耗。城市道路LED路燈照明系統(tǒng)要處于穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，并在最大程度上控制功耗，確保其使用的可靠性。②高效簡(jiǎn)潔。城市道路LED路燈照明系統(tǒng)要在自身性能穩(wěn)定的條件下，盡可能保證高效性和簡(jiǎn)潔性。③可擴(kuò)展性。要對(duì)城市道路LED路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使之具有獨(dú)立功能，并具有可擴(kuò)展性，能較好地進(jìn)行后繼的升級(jí)。
2 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 LED路燈照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
①電源及復(fù)位電路模塊。該模塊主要向LED路燈照明系統(tǒng)提供3.3V和12V的電壓，電源紋波及噪聲比對(duì)電源電路的性能有較大影響，如果其值較大，則會(huì)降低系統(tǒng)的精度，甚至?xí)瓜到y(tǒng)癱瘓。同時(shí)，對(duì)于大功率的LED路燈而言，驅(qū)動(dòng)電路要能提供恒定的電流，這就要采用DC/DC升壓驅(qū)動(dòng)電路，以恒流源驅(qū)動(dòng)高電流LED，使電流、輸出電壓處于穩(wěn)定操作的狀態(tài)。
②太陽(yáng)能電池板電壓采集模塊。該模塊主要以太陽(yáng)能電池板為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的監(jiān)測(cè)和控制。
③蓄電池電壓電流采集模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電壓、電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通常來(lái)說(shuō)，可以選擇12V的鉛酸蓄電池，采用三端可調(diào)節(jié)輸出正電壓穩(wěn)壓器LM317，以滿(mǎn)足輸出電壓為3.3V的要求。
④鍵盤(pán)顯示模塊。該模塊主要顯示LED路燈照明系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。
⑤溫度采樣模塊。該模塊重點(diǎn)對(duì)蓄電池的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)充電，表現(xiàn)出溫度補(bǔ)償?shù)男阅�。�?dāng)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，要采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）等測(cè)溫元件檢測(cè)蓄電池的溫度，以避免電池過(guò)熱而導(dǎo)致其受損。在設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路時(shí)，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)，合理控制充電進(jìn)度，并較好地抑制紋波、噪聲的干擾，增強(qiáng)測(cè)量的精度。
⑥輸出驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊主要是向系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)及保護(hù)。
⑦實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。該模塊主要以季節(jié)的變換為出發(fā)點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈的工作時(shí)間。
⑧無(wú)線(xiàn)通信模塊。該模塊是在高靈敏度、低發(fā)射功率條件下進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。其主要采用TTL、RS-485或RS－232接口，載波頻率通常為433MHz，支持用戶(hù)的不同協(xié)議應(yīng)用，呈現(xiàn)出透明的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的傳輸狀態(tài)。單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，并根據(jù)控制指令進(jìn)行操作。
2.2 硬件電路的保護(hù)功能設(shè)計(jì)
2.2.1 雷電安全保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)惡劣的雷電天氣時(shí)，太陽(yáng)能電池板的電壓會(huì)隨著外部環(huán)境光強(qiáng)的增大而相應(yīng)上升。當(dāng)其超出自身所能承受的額定電壓時(shí)，則會(huì)使太陽(yáng)能電池板損壞。為此，應(yīng)在設(shè)計(jì)LED路燈照明系統(tǒng)時(shí)，將壓敏電阻07D820K并聯(lián)安裝于太陽(yáng)能電池板的兩側(cè)，以在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流，確保各組件免受雷電的襲擊和破壞。此外，還可以將瞬變抑制二極管SMBJ30A并聯(lián)于蓄電池的兩側(cè)，以達(dá)到防雷電的保護(hù)效果。瞬變抑制二極管響應(yīng)速度快、體積小、瞬間吸收功率大，是一種高效能的保護(hù)器件。
2.2.2 蓄電池反充電保護(hù)。為了避免太陽(yáng)能電池板的電壓小于蓄電池電壓，要在LED路燈照明系統(tǒng)的充電回路中串聯(lián)肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈照明控制系統(tǒng)的反充電保護(hù)，杜絕蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池板反向充電的現(xiàn)象。肖特基二極管的反向恢復(fù)速度極快，可以利用其較低的正向壓降，有效降低二極管上的電壓和功率損耗［1］。
2.2.3 蓄電池反接保護(hù)。蓄電池的反接保護(hù)可以避免因蓄電池極性接反而引發(fā)的蓄電池極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，并避免在太陽(yáng)能電池?zé)o輸出時(shí)蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池反充電。LED路燈照明系統(tǒng)的指示燈可以顯示蓄電池的工作狀態(tài)：當(dāng)指示燈亮?xí)r，則表明蓄電池處于正常工作狀態(tài)；當(dāng)指示燈熄滅時(shí)，則說(shuō)明蓄電池尚未連接使用；當(dāng)指示燈快閃時(shí)，表明蓄電池過(guò)放。為了正常發(fā)揮蓄電池的工作性能，在電路中可以選取二極管和保險(xiǎn)絲，將肖特基二極管D10串聯(lián)在蓄電池和太陽(yáng)能電池之間，對(duì)其實(shí)施反接保護(hù)。利用肖特基二極管正向?qū)妷狠^低的特性，降低二極管上的電壓和功率損耗。
2.2.4 負(fù)載短路和過(guò)流保護(hù)。LED路燈照明系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流或短路的現(xiàn)象，都會(huì)極大損壞硬件電路，降低系統(tǒng)的使用壽命。為此，從硬件設(shè)計(jì)來(lái)看，注重采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的保護(hù)。從軟件設(shè)計(jì)來(lái)看，可以在單片機(jī)程序編譯中設(shè)定電流值，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)的放電電流超出額定電流的3倍時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的短路保護(hù)。
3 城市道路LED路燈照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
城市道路LED路燈照明嵌入式系統(tǒng)還要基于單片機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，使之能對(duì)負(fù)載的控制更加靈活和智能化。LED路燈照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路為：由單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)蓄電池、太陽(yáng)能電池的電壓和電流的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和輸送，對(duì)輸出控制信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制、開(kāi)關(guān)控制、LED路燈的PWM調(diào)光控制［2］。
3.1 主程序
主程序主要由LED路燈照明系統(tǒng)的太陽(yáng)能控制器判斷和檢測(cè)太陽(yáng)能電池板端電壓，選取最佳的信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式，確保蓄電池處于最優(yōu)的充放電狀態(tài)。
3.2 充放電程序
要注重對(duì)蓄電池進(jìn)行合理維護(hù)，采用不同的充電策略和方式，確保光伏照明系統(tǒng)正常運(yùn)作。具體可采用以下幾種充電方式。①恒流充電法。充電過(guò)程中，鉛酸蓄電池的端電壓不斷增高，這使其相對(duì)應(yīng)的充電電流不斷降低，由此要不斷提高電源電壓。②恒壓充電法。其特點(diǎn)為充電電壓始終處于恒定狀態(tài)。③浮充電法。④階段充電法。這種方法可以減小熱損傷，提升充電電能的利用率。
綜上所述，城市道路LED路燈照明系統(tǒng)以STC5608控制器為核心，在把握蓄電池和太陽(yáng)能電池板特性的前提下，從各功能的數(shù)據(jù)采集、分析和計(jì)算模塊入手，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之具有相對(duì)完善的保護(hù)和控制功能。今后，還要進(jìn)行LED路燈照明系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)調(diào)試工作，深入研究太陽(yáng)能電池板的最大功率跟蹤算法。
