專利名稱：太陽能led照明設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及LED照明設(shè)備，特別涉及一種太陽能LED照明設(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，世界即將面臨嚴(yán)重的能源危機(jī)和不斷增加的環(huán)保壓力，環(huán)保、節(jié)能已經(jīng)成為 各行業(yè)發(fā)展的要求和趨勢(shì)。隨著對(duì)晶體性能的研究逐步深入，納米貼膜等新技術(shù)出現(xiàn)，相關(guān) 領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏技術(shù)也在不斷提高，同時(shí)充電電池制造技術(shù)的日益完善，使太 陽能的能源轉(zhuǎn)化效率及充電電池的容量等指標(biāo)大幅提高。LED半導(dǎo)體作為照明光源具有使 用壽命長、發(fā)光效率高、體積小、重量輕、環(huán)保安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。太陽能LED照明設(shè)備主要類型包括庭院燈、草坪燈、景觀燈、信號(hào)燈等。城市景觀 照明、公共建筑室內(nèi)外照明等均是近年各國政府投資的重點(diǎn)，太陽能照明產(chǎn)品將在未來今 年內(nèi)被廣泛應(yīng)用。該設(shè)計(jì)在節(jié)能效率、電池使用效率、成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，隨著電子 元器件的價(jià)格下降，該產(chǎn)品綜合優(yōu)勢(shì)將更加突出，已經(jīng)具備產(chǎn)品大范圍推廣的條件，因此有 著巨大的發(fā)展空間。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)情況，融合太陽能光伏技術(shù)和LED照明技 術(shù)，從電路設(shè)計(jì)和軟件控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面綜合考慮，采用綜合解決方案，提供一種結(jié) 構(gòu)新穎，性能優(yōu)良的太陽能LED照明設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。本實(shí)用新型是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的其特征在于太陽能LED照明設(shè)備主要 由太陽能采集單元、主控單元、電池充放電控制單元、感應(yīng)單元、LED照明單元五部分構(gòu)成。太陽能采集單元主要由太陽能板構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，該單元作 為系統(tǒng)能量來源；主控單元主要由電壓轉(zhuǎn)換控制電路、主控芯片及相關(guān)主控電路等構(gòu)成； 電池充放電控制單元主要包括電池和充放電控制電路；感應(yīng)單元主要由熱感應(yīng)和光感應(yīng)器 件及其外圍電路構(gòu)成(PIR采集電路)；LED照明單元主要由LED燈及電路板構(gòu)成。主控單元的主控芯片通過電路分別連接電池充放電控制單元的充放電控制電路、 感應(yīng)單元的PIR采集電路及LED照明單元的LED控制電路本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，利用太陽能為能量來源，鋰電池為供電方式，由低功耗主控單 元協(xié)調(diào)其他外圍各模塊完成充放電控制，高亮度LED亮滅控制，熱感應(yīng)控制、光感應(yīng)控制等 功能。系統(tǒng)電源智能管理算法能夠針對(duì)多種供電方式進(jìn)行鋰電池高效充放電控制；結(jié)合太 陽電池板及電池特性，采用高效電池管理機(jī)制，提高能源轉(zhuǎn)換效率；LED優(yōu)化PWM控制；高速 和高精度的信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換控制；嵌入式控制系統(tǒng)的低功耗、高可靠性設(shè)計(jì)，使本系統(tǒng)在節(jié) 能等性能方面具有優(yōu)勢(shì)，該設(shè)計(jì)是一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、低成本的照明解決方案。具有性價(jià)比高、 綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。
圖1、太陽能LED照明設(shè)備電路結(jié)構(gòu)示意圖，并作為摘要附圖；圖2、系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程框具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，太陽能LED照明設(shè)備的主要工作原理是產(chǎn)品白天利用光伏效應(yīng)原理制成的太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能 輸出，經(jīng)過充電控制儲(chǔ)存在鋰電池中，夜晚當(dāng)充放電控制器檢測(cè)到太陽能電池板電壓低于 電池正負(fù)極電壓，電池板終止對(duì)電池充電，電池開始放電，并作為系統(tǒng)工作電源。當(dāng)外界亮 度逐漸降低至一定程度，系統(tǒng)通過光感應(yīng)檢測(cè)到環(huán)境亮度低于系統(tǒng)設(shè)定的參考亮度值時(shí)， 系統(tǒng)開始根據(jù)紅外感應(yīng)結(jié)果和系統(tǒng)當(dāng)前工作模式控制LED明滅。系統(tǒng)工作過程中，充放電 控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，同時(shí)檢測(cè)LED工作電壓，根據(jù)情況，采用優(yōu)化PWM方式調(diào)節(jié)LED 供電，如果電池電壓低于門限值，進(jìn)行過放控制，停止電池供電。太陽能板作為產(chǎn)品供電電源對(duì)電池進(jìn)行充電過程中，采用優(yōu)化的最大峰值追蹤技 術(shù)(MPPT)。通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號(hào)PWMCHG占空比，根據(jù)輸出功率是和充電 電池的特性來決定下一步是增大還是減少占空比。通過對(duì)太陽能電池在某一時(shí)刻的輸出電 壓、輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，得到該狀態(tài)下太陽能電池的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的功率值 比較，根據(jù)兩次(也可多次采樣)功率值的差值來確定下一步給定負(fù)載端參考電壓調(diào)整的 方向。從功率比較的角度分析，假設(shè)兩次采樣的功率分別為P1，P2，AP = P2_P1。當(dāng)AP >0時(shí)，說明參考電壓調(diào)整的方向是正確的，需繼續(xù)按原方向調(diào)整；當(dāng)AP = 0時(shí)，說明參考 電壓調(diào)整方向與預(yù)期的方向是相反的，需要反向調(diào)整。將參考電壓和功率結(jié)合起來考慮基本系統(tǒng)變化的真實(shí)情況。本系統(tǒng)采用了比值比 較的方式來判斷參考電壓和功率的變化情況，這里設(shè)定了一個(gè)比較標(biāo)志Flag。其中Flag =A P/A U，各種變化見下表
參考啦11功孿Flag參考ffe壓 _被方街厶尸〕>c>0+APC0>0+—該部分設(shè)計(jì)針對(duì)太陽能板的輸出變化相對(duì)比較緩慢，而且是單極點(diǎn)這一特點(diǎn)，該 方法有很好的效果，使系統(tǒng)充電性能通過補(bǔ)償電池的V/I特征曲線，優(yōu)化輸出功率，提高了 太陽能板的供電效率。電路上針對(duì)不同的供電方式設(shè)計(jì)了自適應(yīng)充電電路，能夠根據(jù)不同情況自動(dòng)調(diào)節(jié) 電路電流和電壓，有效保證了充電過程電壓和電流合理性，特別是針對(duì)常用的9v-15V供電 方式，系統(tǒng)的充電管理模式，使整個(gè)充電過程電流和電壓始終處于最佳值，提高了充電效率 的同時(shí)保證了供電的可靠性和穩(wěn)定性。能有效防止反充電流的同時(shí)，也起到了太陽能電池
4板極性接反時(shí)的保護(hù)作用。軟件上對(duì)充放電控制部分設(shè)計(jì)了過充、過放保護(hù)等控制，利用高精度采樣精確檢 測(cè)充放電過程電壓、電流值，智能算法根據(jù)充電電壓，自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電壓，使系統(tǒng)該部分設(shè) 計(jì)具有很強(qiáng)的通用性和很高的能源轉(zhuǎn)換效率。采用通用包括涓流充電模式和恒壓充電模式 在內(nèi)的三段充電模式，通過對(duì)電流的采樣和比較處理，控制充電截至?xí)r間，對(duì)電池形成有效 保護(hù)。電路上的I-V轉(zhuǎn)移曲線是一個(gè)瞬態(tài)函數(shù)，每次狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，特別是當(dāng)曲線跨越門 限時(shí)，mos管等諸多器件都會(huì)有大的(潛在性)開關(guān)電流，加快響應(yīng)時(shí)間和降低電壓將有助 于減少開關(guān)電流從而達(dá)到減少件功耗的目的。在電路設(shè)計(jì)上多采用肖特基二極管等低功耗 器件和高精度器件，特別是對(duì)于感應(yīng)部分的信號(hào)采集和處理，以及LED控制等，這種處理方 式也起到了明顯的提高節(jié)能性能和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。感應(yīng)部分通過硬件電路的優(yōu)化，使系統(tǒng)的采樣和A/D轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā) 揮，通過多種采樣方式和信號(hào)處理算法，增大了感應(yīng)范圍和準(zhǔn)確性，特別是對(duì)于系統(tǒng)紅外感應(yīng) 部分的軟件處理也采用了獨(dú)特的全數(shù)字化處理，通過對(duì)人體體溫形成的模擬信號(hào)特性分析， 制定了與之適應(yīng)的分析處理算法，通過硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合，使該系統(tǒng)具有比同類產(chǎn) 品更遠(yuǎn)的感應(yīng)距離和準(zhǔn)確度，提高了系統(tǒng)處理準(zhǔn)度和精度，這也保證了系統(tǒng)的高效性能。采用優(yōu)化PWM的管理方式有效降低了 LED的功耗，保證LED的正常工作時(shí)間，系統(tǒng) 還利用反饋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供電同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED電壓、電流狀態(tài)。LED電流通過高位電壓檢 測(cè)采樣送回MCU，作為反饋參考，實(shí)時(shí)控制和調(diào)整LED的電壓等指標(biāo)，由MCU通過調(diào)整開關(guān)信 號(hào)PWMDRV占空比來獲得恒定輸出電流。系統(tǒng)在控制LED的亮滅過程中有漸變的處理，能夠 有效保證LED的使用壽命和達(dá)到節(jié)能目的。系統(tǒng)通過光感應(yīng)器件檢測(cè)環(huán)境亮度，只有當(dāng)亮 度低于參考值時(shí)，才會(huì)在自動(dòng)模式下啟動(dòng)LED亮。用戶還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定照明延遲 時(shí)間和熱感應(yīng)靈敏度等參數(shù)。電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、結(jié)構(gòu)及模具設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下所述系統(tǒng)主控單元采用高效實(shí)時(shí)嵌入式操作平臺(tái)，atmel88PA作為主控芯片，系統(tǒng)工作 于低功耗模式下，模擬信號(hào)采集均采用高精度、高速A/D轉(zhuǎn)換，高性能中斷處理機(jī)制，使系 統(tǒng)功耗更低，處理速度更快，該系統(tǒng)在持續(xù)照明時(shí)間和系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化效率等性能方面具有 優(yōu)勢(shì)。采用通用電源接口設(shè)計(jì)，供電方式多樣，既可以用太陽能板供電，也可以用常用 9 15V通用電源供電，為達(dá)到該設(shè)計(jì)要求，在電路設(shè)計(jì)上，加入了外圍電源處理電路，軟件 上動(dòng)態(tài)檢測(cè)供電電壓，區(qū)分供電模式，直流根據(jù)不同的供電方式，采用智能處理算法，在充 電過程采取轉(zhuǎn)化為PWM或直接充電等多種方式管理。使系統(tǒng)具有最優(yōu)的充電效率和更廣泛 的通用性。硬件處理上采用高精度和低功耗關(guān)鍵外圍器件，系統(tǒng)采用高速、高精度電池放電 電壓檢測(cè)，做到電池過放的實(shí)時(shí)控制，使電池使用更充分，保證電池的能源使用效率。在軟件處理上充分利用LED的余輝效應(yīng)，通過采用優(yōu)化PWM算法控制LED照明， 通過漸亮漸暗等處理，實(shí)現(xiàn)亮度轉(zhuǎn)換的平穩(wěn)，能夠使LED既不影響視覺上的亮度閃爍，又能 達(dá)到省電的效果，選用高精度器件，LED電壓采樣更加精確，使系統(tǒng)照明過程，達(dá)到低功耗要 求，同時(shí)又能延長電池和LED的壽命和提高使用效率。[0028]采用了熱感應(yīng)和紅外感應(yīng)，感應(yīng)距離遠(yuǎn)，感應(yīng)精度高。從硬件、軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等 多方面改進(jìn)，采取多路采集和處理，通過軟件和硬件濾波相結(jié)合，優(yōu)化紅外感應(yīng)處理算法， 使系統(tǒng)紅外感應(yīng)精度更高、距離更遠(yuǎn)，準(zhǔn)確率高。這種設(shè)計(jì)方式，能夠有效保證LED有效照 明時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能效果。該產(chǎn)品還可手工設(shè)定系統(tǒng)延遲時(shí)間和感應(yīng)距離等參數(shù)。為提高該產(chǎn)品的太陽能電池板的能源轉(zhuǎn)換效率，軟件和硬件上采用優(yōu)化的最大峰 值追蹤技術(shù)(MPPT)，補(bǔ)償電池的V/I特征曲線，優(yōu)化輸出功率，提高了太陽能板的供電效 率，根據(jù)太陽能電池板特性，并利用其特性和充電電池特性，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件控制實(shí)現(xiàn) 特征曲線的最佳補(bǔ)償。系統(tǒng)集成度高，全數(shù)字化設(shè)計(jì)，整機(jī)結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)巧妙、硬件設(shè)計(jì)上在LED照明 控制、充電控制、感應(yīng)電路等部分采用了獨(dú)特設(shè)計(jì)，包括硬件上采用高精度器件和軟件上高 精度數(shù)據(jù)采集處理等，節(jié)能效果好。系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要流程為如圖2所示；系統(tǒng)采用atmegaSSPA為主控芯片，通過采樣電路實(shí)時(shí)采集電池電量、電壓，充電 電源電壓，LED反饋電壓，紅外感應(yīng)等信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換，及相應(yīng)的算法處理，控制充電控 制電路進(jìn)行充放電過程，通過LED控制電路的進(jìn)行LED亮滅控制，根據(jù)PIR采集信號(hào)，控制 相應(yīng)的LED和充放電電路等整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。
權(quán)利要求太陽能LED照明設(shè)備，其特征在于主要由太陽能采集單元、主控單元、電池充放電控制單元、感應(yīng)單元、LED照明單元五部分構(gòu)成；其中，太陽能采集單元主要由太陽能板構(gòu)成，主控單元主要由電壓轉(zhuǎn)換控制電路、主控芯片及相關(guān)主控電路等構(gòu)成；電池充放電控制單元主要包括電池和充放電控制電路；感應(yīng)單元主要包括由熱感應(yīng)和光感應(yīng)器件及其外圍電路構(gòu)成的PIR采集電路；LED照明單元主要包括由LED燈及電路板構(gòu)成的LED控制電路；主控單元的主控芯片通過電路分別連接電池充放電控制單元的充放電控制電路、感應(yīng)單元的PIR采集電路及LED照明單元的LED控制電路。
專利摘要本實(shí)用新型涉一種太陽能LED照明設(shè)備，太陽能采集單元主要由太陽能板構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，該單元作為系統(tǒng)能量來源；主控單元主要由電壓轉(zhuǎn)換控制電路、主控芯片及相關(guān)主控電路等構(gòu)成；電池充放電控制單元主要包括電池和充放電控制電路；感應(yīng)單元主要由熱感應(yīng)和光感應(yīng)器件及其外圍電路構(gòu)成；本實(shí)用新型在節(jié)能等性能方面具有優(yōu)勢(shì)，該設(shè)計(jì)是一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、低成本的照明解決方案。具有性價(jià)比高、綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F21V23/00GK201561361SQ20092025121
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者呂前進(jìn), 孔祥文, 李一良, 李南鋒, 田力, 胡雙喜, 高友 申請(qǐng)人:天津光電通信技術(shù)有限公司