專利名稱：太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于大功率太陽能發(fā)光二極管照明燈控制的裝置，屬于太陽能照明電器制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著地球資源的日益貧乏，基礎(chǔ)能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患可謂是無處不在。太陽能作為一種“取之不盡，用之不竭”的安全、環(huán)保新能源越來越受到重視。而半導(dǎo)體照明，由于發(fā)光效率高，耗電少，正越來越受到人們的重視，作為結(jié)合大功率LED和太陽能兩者優(yōu)點的大功率LED太陽能照明系統(tǒng)將具有很大的實用性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明以實際應(yīng)用為目的，設(shè)計滿足道路照明或景觀照明使用要求的大功率太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，該控制器耗電少、發(fā)光效率高、使用的可靠性和安全性高，且全自動控制。
技術(shù)方案本發(fā)明大功率太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器包括密封鉛酸蓄電池充放電電路、電池的輸出電壓降壓電路、系統(tǒng)參數(shù)顯示電路、大功率LED恒流驅(qū)動電路、溫度測量、電流檢測、測光電路、單片機控制及其外圍電路、太陽能電池；該控制器的太陽能電池的輸出端接密封鉛酸蓄電池充放電電路的輸入端，密封鉛酸蓄電池充放電電路的輸出端接電池的輸出電壓降壓電路的輸入端，電池的輸出電壓降壓電路的輸出端分別接系統(tǒng)參數(shù)顯示電路、大功率LED恒流驅(qū)動電路、溫度測量、電流檢測、測光電路、單片機控制及其外圍電路的輸入端，大功率LED恒流驅(qū)動電路、溫度測量、電流檢測、測光電路的輸出端接單片機控制及其外圍電路的輸入端。
密封鉛酸蓄電池充放電電路以專用充電控制集成電路“IC18”為中心，其輸出端的“16”腳接晶體管“PNP5”的基極，輸出端的“10”腳接放大器“IC8-3”的反相輸入端。電池的輸出電壓降壓電路以穩(wěn)壓集成電路“IC19”為中心，其輸入端的“1”腳接蓄電池，其輸出端的“2”腳通過電感線圈“L4”輸出5伏電壓。系統(tǒng)參數(shù)顯示電路由5路相同的顯示器組成，其輸入端接單片機控制及其外圍電路中單片機“IC1”的“P3.0、P 3.1”腳。大功率LED恒流驅(qū)動電路由三組相同的恒流驅(qū)動電路組成，其信號輸入端即驅(qū)動晶體管“PNP2、PNP3、PNP4”的基極分別接單片機控制及其外圍電路中單片機“IC1”的“P2.1、P2.0、P2.7”腳。溫度測量、電流檢測、測光電路中，溫度電阻“IC2”的“1”腳和“3”腳并聯(lián)在可變電阻“R6”的兩端，溫度電阻“IC2”的“2”腳接可變電阻“R6”的可變端，可變電阻“R6”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路中單片機“IC1”的“P1.7”腳；測光用的光敏電池“2CR2”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路中單片機“IC1”的“P1.6”腳。單片機控制及其外圍電路中單片機“IC1”的采用“STC12C5410AD”單片機集成電路。
該系統(tǒng)具有完善的密封鉛酸蓄電池充放電管理功能、電池的輸出電壓降至5伏電路、系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)顯示功能、大功率LED恒流驅(qū)動電路和單片機控制電路。
有益效果在大功率LED太陽能照明系統(tǒng)中，太陽能硅光電池板的輸出功率和蓄電池的容量是非常有限的，再加上光照強度的不確定性，使得系統(tǒng)的電能在特殊情況下(連續(xù)陰雨天等天氣)顯得非常緊缺，若系統(tǒng)不注意節(jié)約電能將使得無法應(yīng)對極限情況的照明任務(wù)。因此，降低功耗就成為系統(tǒng)電路設(shè)計的一個重要任務(wù)。
在本系統(tǒng)的電路設(shè)計中，采取了如下措施降低系統(tǒng)的功耗。首先，單片機絕大部分時間都處在休眠狀態(tài)，只有計時器和外部中斷等不占用CPU時間的功能塊處在工作狀態(tài)，CPU每十五分鐘才會全面檢測系統(tǒng)的各個工作參量并判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)是否正常，若系統(tǒng)正常運行，則CPU直接返回休眠狀態(tài)，否則系統(tǒng)將采取相應(yīng)的措施處理不正常的部分，直到系統(tǒng)恢復(fù)正常才重新返回休眠狀態(tài)。在CPU休眠期間，由CPU外部的中斷擴展部分負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)中各個電壓電流量等參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，如果系統(tǒng)參量超出范圍外部中斷系統(tǒng)馬上喚醒CPU，然后由CPU處理這些異常的電路塊。其次，在電路中使用繼電器(5VJ1)隔離不需要運行的電路，使之處于掉電狀態(tài)。例如顯示電路，由于大功率LED照明系統(tǒng)主要用于普通道路照明和景觀照明，無人值守，故顯示電路在沒有按鍵按下時是不需要顯示的，所以顯示電路在無人觀察時可以通過繼電器把這部分電路從系統(tǒng)隔離出去，實現(xiàn)零功耗。白天系統(tǒng)只充電，不照明，照明電路完全與系統(tǒng)隔離。一到晚上系統(tǒng)只照明補充電，充電電路也與系統(tǒng)隔離開。這樣通過隔離電路(5VJ1-5VJ4)，達(dá)到節(jié)能和控制開關(guān)某路LED照明的目的。在大功率LED照明系統(tǒng)中，密封鉛酸蓄電池的電能絕大部分供給大功率LED照明，只要使用適當(dāng)?shù)拇胧┘纯蓮恼彰鞑糠质∠麓罅侩娔芏也粫绊懻彰餍Ч?。作為室外普通道路照明和景觀照明，在行人多的時間段照明系統(tǒng)的大功率LED燈全部點亮，使照明達(dá)到最佳效果，在行人稀少或幾乎沒有行人的時間段在保證最低照明要求的情況下只點亮一部分大功率LED燈，這樣即達(dá)到了照明目的又節(jié)省了電能。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器的密封鉛酸蓄電池充放電電路1、電池的輸出電壓降壓電路2的電路原理圖。
圖3為系統(tǒng)參數(shù)顯示電路3、溫度測量電路、電流檢測電路、測光電路5、單片機控制及其外圍電路6的電路原理圖。
圖4為大功率LED恒流驅(qū)動電路4的電路原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器包括密封鉛酸蓄電池充放電電路1、電池的輸出電壓降壓電路2、系統(tǒng)參數(shù)顯示電路3、大功率LED恒流驅(qū)動電路4、溫度測量、電流檢測、測光電路5、單片機控制及其外圍電路6、太陽能電池7；該控制器的太陽能電池7的輸出端接密封鉛酸蓄電池充放電電路1的輸入端，密封鉛酸蓄電池充放電電路1的輸出端接電池的輸出電壓降壓電路2的輸入端，電池的輸出電壓降壓電路2的輸出端分別接系統(tǒng)參數(shù)顯示電路3、大功率LED恒流驅(qū)動電路4、溫度測量、電流檢測、測光電路5、單片機控制及其外圍電路6的輸入端，大功率LED恒流驅(qū)動電路4、溫度測量、電流檢測、測光電路5的輸出端接單片機控制及其外圍電路6的輸入端。
1.密封鉛酸蓄電池充放電電路1密封鉛酸蓄電池充放電電路1以專用充電控制集成電路“IC18”為中心，其輸出端的“16”腳接晶體管“PNP5”的基極，輸出端的“10”腳接放大器“IC8-3”的反相輸入端。
本設(shè)計的充電電路選用了TI公司的密封鉛酸蓄電池充電專用控制集成電路“UC3906”，該芯片具有密封鉛酸蓄電池最佳充電所需的全部控制和檢測功能。更重要的是它能使充電器各種轉(zhuǎn)換電壓隨電池電壓的溫度系數(shù)的變化而變化，從而使密封鉛酸蓄電池在很寬的溫度范圍內(nèi)都能達(dá)到最佳充電狀態(tài)。
該芯片內(nèi)含獨立的電壓控制回路和限流放大器，它可控制芯片內(nèi)的驅(qū)動器。驅(qū)動器提供的輸出電流達(dá)25mA，可直接驅(qū)動外部串聯(lián)調(diào)整管，以調(diào)整充電器的輸出電壓和電流。電壓和電流檢測比較器可用于檢測蓄電池的充電狀態(tài)，同時還可以用來控制充電狀態(tài)邏輯電路的輸入信號。
當(dāng)電池電壓或溫度過低時，充電使能比較器可控制充電器進入涓流充電狀態(tài)。當(dāng)驅(qū)動器截止時，該比較器還能輸出25mA涓流充電電流。這樣，當(dāng)電池短路或反接時，充電器只能以小電流充電，從而避免了因充電電流過大而損壞電池。
集成電路“UC3906”的一個非常重要的特性就是其內(nèi)部的精確基準(zhǔn)電壓隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律與鉛酸電池電壓的溫度特性完全一致。同時，該芯片只需1.7mA的輸入電流就可工作，因而可減小芯片的功耗，實現(xiàn)對工作環(huán)境溫度的準(zhǔn)確檢測，保證電池既充足電又不會嚴(yán)重過充電。除此之外，集成電路“UC3906”芯片內(nèi)部還包括一個輸入欠壓檢測電路以對充電周期進行初始化，并可驅(qū)動一個邏輯輸出。當(dāng)加上輸入電源后，器件的7腳還可以指示電源狀態(tài)。
使用集成電路“UC3906”只需很少的外部元器件就可實現(xiàn)對密封鉛酸電池的快速精確充電。該充電器電路中，由Ra、Rb和Rc組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)可用來檢測充電電池的電壓。此外，該電路還可通過與精確的參考電壓(VREF＝2.3伏/25攝氏度)相比較來確定浮充電壓、過充電壓和涓流充電的閾值電壓。
大功率太陽能發(fā)光二極管照明燈控制電路的充電電路工作原理其中電池的額定電壓為12V，容量為12Ah，VIN＝18.7V，VF＝13.7V，VOC＝15V，I MAX＝1A，I OCT＝100mA。由于充電器始終接在蓄電池上，為防止蓄電池的輸出電流流入充電器，應(yīng)在串聯(lián)調(diào)整管與輸出端之間串入一只二極管D1。同時為了避免輸入電源中斷后蓄電池通過分壓電阻Rc放電，設(shè)計時將Rc通過電源指示晶體管(7腳)連接到地。
當(dāng)18V輸入電壓加入后，指示發(fā)光管(LEDCH)發(fā)光，串聯(lián)的功率管PNP5(TIP42C)導(dǎo)通，開始大電流恒流充電，充電電流為1000mA，這時充電電流保持不變，電池電壓逐漸升高。當(dāng)電池電壓達(dá)到過充電壓VOC的95％(即14.25V)時，電池轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)，此時充電電壓維持在過充電電壓，充電電流開始下降。當(dāng)充電電流降到過充電終止電流(IOCT)時，UC3906的10腳輸出高電平，比較器IC8-3(LM339)輸出低電平，蓄電池自動轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。同時充足電指示發(fā)光管(LEDFULL)發(fā)光，指示蓄電池已充足電。
從充電波形圖可以看出，電池的一個充電周期按工作時間可以分成三種工作狀態(tài)電池大電流快速充電狀態(tài)1，電池過充電狀態(tài)2和電池浮充電狀態(tài)3。充電電路在剛接通電源的一段時間內(nèi)，以涓流充電電流為電池充電，當(dāng)電池電壓達(dá)到VT時，充電邏輯控制電路關(guān)斷涓充電流充電，轉(zhuǎn)為以IMAX充電電流為電池充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到V12時，表示充電電路進入了過充電狀態(tài)2。當(dāng)電池電壓達(dá)到過充電電壓VOC時，充電電流開始減小。當(dāng)電池充電電流減小到IOCT時，電池充電電流檢測放大器輸出信號加到過充電終止控制引腳8的電平變高，充電電路改為浮充電，并且維持充電電壓為VF。這時如果電池加上放電負(fù)載，開始以IMAX的電流放電，當(dāng)電池的放電電壓低于V31時，充電電路又開始為電池充電，開始一個新的電池充電工作周期。
在充電工作狀態(tài)“1”和充電工作狀態(tài)“2”，為了確保電池充足電，UC3906內(nèi)的電壓控制環(huán)設(shè)置了一個更高的電池電壓設(shè)定值VOC，當(dāng)電池電壓達(dá)到VOC的95％時，充電電路進入充電工作狀態(tài)“2”，直至UC3906的過充電終止引腳8的電位變?yōu)楦唠娖?。利用UC3906內(nèi)的電流檢測放大器來檢測電池充電電流的大小，可以確保電池充電電流減小至指定的IOCT。當(dāng)電池接上放電負(fù)載時，電池開始放電，當(dāng)電池電壓低于電池浮充電壓的10％時，充電電路又進入充電工作狀態(tài)“1”。
IC17是I/V轉(zhuǎn)換電路，用來檢測電池充電電流的大小，輸出信號接到IC1，通過CPU計算輸出顯示。
2.電池的輸出電壓降壓電路2電池的輸出電壓降壓電路2以穩(wěn)壓集成電路“IC19”為中心，其輸入端的“1”腳接蓄電池，其輸出端的“2”腳通過電感線圈“L4”輸出5伏電壓。
在本設(shè)計中，使用了TTL集成電路芯片，芯片需要電壓值為5V的VCC電源，而作為系統(tǒng)電源的密封鉛酸蓄電池的輸出電壓為10.8伏至13.7伏，需要經(jīng)過降壓才能得到穩(wěn)定的5伏電壓。
在這個照明系統(tǒng)中不但要降壓得到5伏電壓向LED供電，而且還要盡可能地提高電壓轉(zhuǎn)換效率，因此經(jīng)過對比選擇后，決定使用IC19(AMC2596-ADJ)集成電路芯片。
IC19集成電路最高輸入電壓可高達(dá)40伏，只需要五個外部分立元件就可以在1.2伏到37伏的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，并保證可以獲得3A的最大輸出電流。該芯片內(nèi)部還自帶有過熱和過電流保護電路。
IC19外圍分立元件的選擇a.輸入端電容C12為了電路的穩(wěn)定工作，在IC19的輸入端必須設(shè)置一個至少100微法的電解電容C12。這個電容引腳的接線盡可能地簡短，而且盡可能靠近IC19芯片。并聯(lián)一個陶瓷電容或固體鉭電容將可以增強電路在低溫條件下工作地穩(wěn)定性。
b.輸出端電容C13在電路的輸出端設(shè)置一個電容可以起到對輸出電壓濾波的作用，有利于電路工作的穩(wěn)定性。輸出電容應(yīng)盡可能地靠近IC19芯片，管腳的連接線也要盡可能地短。在電路中使用低等效阻抗的電解電容將有利于減少紋波電壓。
c.電感L4IC19可以用于連續(xù)模式或非連續(xù)模式。不同模式有不同的運行特性，這些特性將影響IC19的性能和要求。在重負(fù)載時，電路工作在連續(xù)模式，而在輕載時電路將被迫工作在非連續(xù)模式。當(dāng)輕載時特別是輸出電流小于300毫安時，電路將工作在非連續(xù)模式，在非連續(xù)工作模式下將需要更低的電感值。電感有很多種類，考慮到成本問題，選擇帶鐵心的線繞電感，這種電感有一定的漏磁通，對敏感的電路元件有一定影響，因此布線時應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離敏感區(qū)域。
d.電壓保護二極管DZ16當(dāng)芯片內(nèi)部開關(guān)關(guān)斷時電壓保護二極管(DZ16)為電感(L4)電流提供一個回路。畫PCB板時電壓保護二極管(DZ16)應(yīng)該盡量靠近IC19，盡可能使用短的連接線，這樣有利于極高的開關(guān)通斷速度和低的前向壓降，肖特基二極管在這方面有著廣泛的使用，它可以提供最好的效率，特別是在低輸出電壓(低于5伏)整流的場合?？旎謴?fù)，高效率或超高速恢復(fù)二極管也適用于這個電路。但是一些開關(guān)特性生硬的二極管可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以應(yīng)選擇恢復(fù)特性較軟的快恢復(fù)二極管。
e.反饋接線為了穩(wěn)定輸出電壓，IC19的4腳FB(反饋)管腳必須接在輸出電壓上，使輸出電壓信號可以反饋給調(diào)節(jié)器。作為反饋取樣用的輸出電壓比率電阻應(yīng)該盡可能地放置在芯片附近，這樣可以最大限度地減小噪聲對反饋信號的影響。
f.使能端
IC19的使能端(5腳)是必定不能懸空的，為了保證電路正常工作，使能端的管腳必須接低電平，這個低電平值小于1.6伏。另一方面，如果工作在備用模式下，使能端管腳要接高電平。使能端可以安全地直接拉高到輸入電壓值而不需要外接電阻。使能端接地可以保證輸出電壓穩(wěn)定，但是接電源地時必須保證低阻抗。
3.系統(tǒng)參數(shù)顯示電路3系統(tǒng)參數(shù)顯示電路3由5路相同的顯示器組成，其輸入端接單片機控制及其外圍電路6中單片機“IC1”的“P3.0、P3.1”腳。
為了便于用戶觀察大功率LED太陽能照明系統(tǒng)的參數(shù)，如電池外表溫度、光照等級、電流量、電壓量和時間量等，系統(tǒng)需要有顯示部分。顯示部分由五位數(shù)碼管組成，其中用一位作為功能編號顯示，用以指示其余四位所顯示的內(nèi)容；剩下的四位作為時鐘顯示時高兩位顯示時鐘的小時，低兩位顯示分鐘數(shù)；顯示溫度時高兩位顯示溫度的個位和十位，低兩位顯示零；顯示電壓電流量時，高兩位顯示個位和十位，低兩位顯示小數(shù)點后的兩位；顯示光照等級時，只用到最低位，其余三位顯示為零。
由于單片機輸入輸出口資源有限，所以選擇串行顯示方式，將IC3-IC7的輸入信號串聯(lián)，其輸出并行驅(qū)動五位數(shù)碼管。
4.大功率LED恒流驅(qū)動電路4大功率LED恒流驅(qū)動電路4由三組相同的恒流驅(qū)動電路組成，其信號輸入端即驅(qū)動晶體管“PNP2、PNP3、PNP4”的基極分別接單片機控制及其外圍電路6中單片機“IC1”的“P2.1、P2.0、P2.7”腳。
新一代的1W、3W和5WLED的照度是標(biāo)準(zhǔn)LED照度的10～50倍，這使得在利用這些新型LED進行設(shè)計時要面臨很多設(shè)計挑戰(zhàn)，而且選擇合適的單片機驅(qū)動新型LED也不再是一項簡單的任務(wù)。
下表列出了3種不同大功率LED的典型驅(qū)動電流和電壓。
表1三種不同大功率LED的典型驅(qū)動電流和電壓

本設(shè)計共選用12只1W的LED，分別由IC4、IC5、IC6各控制4只LED。這樣的組合要求電源電壓應(yīng)大于11.6V。為了得到足夠的亮度，目前，二極管的冷卻是機械設(shè)計和電路板布局需要考慮的主要問題。管芯溫度也會影響器件的輸出亮度，因為當(dāng)器件從環(huán)境溫度升到120℃時，亮度就會下降多達(dá)35％。LED的管芯溫度也會影響器件的發(fā)光波長，在100℃的溫度變化下波長幾乎可以改變4~9nm。為了滿足這些特殊要求，需要某種形式的功率調(diào)節(jié)為新型LED供電并進行監(jiān)控。此外，如果LED需要根據(jù)用戶輸入或其他外部輸入閃爍或暗淡下去，它們還需要一個小型單片機來控制功率電路。首先需要做的是決定哪一種驅(qū)動器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最合適，然后確定哪一個單片機擁有合適的外設(shè)。鑒于大功率LED太陽能照明系統(tǒng)主要應(yīng)用于室外照明，如普通道路照明和景觀照明等，故在電路中首要考慮的是大功率LED的工作條件。本設(shè)計，為大功率LED提供310毫安的恒定工作電流。芯片IC14-IC16(AMC7150)是內(nèi)部帶有PWM的大功率LED專用驅(qū)動集成電路。它輸出的驅(qū)動電流范圍從數(shù)毫安到1.5安，在輸入的直流電壓為4伏到40伏的情況下能保證大功率LED高效率地工作。
IC14-IC16可以在受外部控制的高達(dá)200千赫茲的工作頻率下運行，通過調(diào)整外部電感和電阻值，改變輸出給大功率LED的恒定電流，保證大功率LED在特定電流下工作。DZ2-DZ15分別是LED1-LED12的保護穩(wěn)壓二極管，在某只二極管開路時穩(wěn)壓二極管起作用。IC11-IC13是I/V轉(zhuǎn)換電路，用來檢測LED照明的電流大小，輸出信號接到IC1，通過CPU計算輸出顯示。
5.溫度測量電路電流檢測電路和測光電路5溫度測量、電流檢測、測光電路5中，溫度電阻“IC2”的“1”腳和“3”腳并聯(lián)在可變電阻“R6”的兩端，溫度電阻“IC2”的“2”腳接可變電阻“R6”的可變端，可變電阻“R6”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路6中單片機“IC1”的“P1.7”腳；測光用的光敏電池“2CR2”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路6中單片機“IC1”的“P1.6”腳。
溫度測量電路在大功率LED太陽能照明系統(tǒng)中，由于密封鉛酸蓄電池的特性受溫度影響較大，在工作時要防止電池過熱而縮短電池的壽命，因此在實際使用中要測量環(huán)境溫度，保證系統(tǒng)在正常的溫度范圍內(nèi)工作。
傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進行冷端補償或引線補償；熱慣性大，響應(yīng)時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而且它還將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。
結(jié)合大功率LED太陽能照明系統(tǒng)的特點，本設(shè)計選用常見的集成模擬溫度傳感器LM335(IC2)。LM335是美國國家半導(dǎo)體公司推出的精密溫度傳感器，它工作與齊納二極管相似，其反向擊穿電壓隨溫度按+10mV/k的規(guī)律變化，可應(yīng)用于精密的溫度測量設(shè)備。它有三種封裝形式適合于各類要求的儀器儀表要求，其主要功能特性如下直接在絕對溫標(biāo)校準(zhǔn)，1℃的精確度，工作電流400uA-5mA，動態(tài)阻抗1Ω，便于校準(zhǔn)，寬工作溫度范圍200℃，低成本。
在LM335的實際應(yīng)用電路中，電阻R1取值200歐姆，通過10千歐電阻的滑動頭調(diào)節(jié)LM335的輸出，使其在25攝氏度時輸出電壓為2.98伏，輸出直接傳送給單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換口，然后由顯示模塊顯示溫度值。
電流檢測電路(見密封鉛酸蓄電池充放電電路1、大功率LED恒流驅(qū)動電路4)大功率LED太陽能照明系統(tǒng)的充電電流，LED工作電流等電流量都需要測量。
由于電流不能直接由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后才能轉(zhuǎn)換。所以，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在測試器中占有很重要的地位。常用的電流測量方法是在被測電路中串入精密電阻，通過直接采集電阻兩端的電壓來獲得電流。這種方法的優(yōu)點是測量簡單方便。但當(dāng)被測電流較大，而串入的電阻阻值又較大時，電阻的壓降對電路的帶載能力將產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)被測電流很小時，從電阻上直接取得的電壓值又可能太小，影響測量準(zhǔn)確度。因而，這種直接測量的方法很難選擇到合適的阻值，以適應(yīng)電流變化范圍較大的情況，尤其是較小電流的準(zhǔn)確測量。由于檢測電流須在系統(tǒng)工作的情況下進行，所以上述的串入電阻直接測量的方法不能滿足本系統(tǒng)的要求。本電路采用兩探頭觸點并接到被測電流的電路上，達(dá)到測量的目的。
大功率LED太陽能照明系統(tǒng)的電流檢測用到了IC14-IC17(MAX4273)。MAX4273是高端電流檢測放大器，使用它可以方便地測量到電路中的直流電流量。電路如圖2。
測光電路大功率LED太陽能照明系統(tǒng)不但要有定時間段照明的功能，還要具有根據(jù)光照強度決定是否照明的功能。這就要求電路具有檢測光照強度的功能，這里選擇國產(chǎn)2CR2型硅光電池作為感光元件。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN結(jié)。把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的PN結(jié)面積要比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。國產(chǎn)2CR型硅光電池在100mW/cm2的入射光強下，開路電壓(需用高內(nèi)阻的直流毫伏計測量)為450～600mV，短路電流為16～30mA，轉(zhuǎn)換效率為6％～12％。硅光電池的輸出電壓直接送到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換口，由單片機判斷光照強度等級，并由數(shù)碼管顯示光照強度等級，同時單片機根據(jù)光照強度等級控制系統(tǒng)開幾路LED進行照明。
單片機控制及其外圍電路6.
單片機控制及其外圍電路6中單片機“IC1”的采用“STC12C5410AD”單片機集成電路。
大功率LED太陽能照明系統(tǒng)在運行時，如果遇到電流、電壓或電池容量等參數(shù)超出正常范圍，則單片機要立即處理這些不正常的現(xiàn)象，這就要求單片機要為系統(tǒng)提供中斷響應(yīng)服務(wù)。在測量電壓、電流和溫度等系統(tǒng)參數(shù)時，需要將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，這樣才能在數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的參數(shù)量，故系統(tǒng)需要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能。鑒于系統(tǒng)的以上要求，考慮到電路的可靠性，選用了帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的STC12C5410AD單片機IC1。
STC12C5410AD單片機是單時鐘/機器周期的兼容8051內(nèi)核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8到12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速10位模數(shù)轉(zhuǎn)換。STC12C5410AD單片機具有如下特點增強型8051CPU，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；工作電壓為5.5伏-3.8伏；工作頻率范圍是0-35兆赫茲，相當(dāng)于普通8051的0-420兆赫茲，實際工作頻率可達(dá)48兆赫茲；用戶應(yīng)用程序空間有10K；片上集成512字節(jié)RAM；23個通用輸入/輸出口，復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口/弱上拉，可設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏四種模式，每個輸入/輸出口驅(qū)動能力均可達(dá)20毫安，但整個芯片最大不超過55毫安；ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用的編程器，無需專用的仿真器可通過串口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；EEPROM功能；看門狗；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體20兆赫茲以下時可省略外部復(fù)位電路)；可是用外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器作為時鐘源，用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘作為時鐘源，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器的頻率為5.2兆赫茲至6.8兆赫茲，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，應(yīng)認(rèn)為是4兆赫茲至8兆赫茲；共2個16位定時器/計數(shù)器，但可用PCA(可編程計數(shù)器陣列)模塊再產(chǎn)生4個定時器；外部中斷2路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；4路PWM/PCA(可編程計數(shù)器陣列)，可用來再實現(xiàn)4個定時器也可用來再實現(xiàn)4個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；8路10位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換；通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時器軟件實現(xiàn)多串口；SPI同步通信口，主模式/從模式；工作溫度范圍0-75攝氏度/-40至85攝氏度。
復(fù)位電路復(fù)位操作則使單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。當(dāng)單片機的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。圖中電容C1和電阻R1對電源+5V來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，這是單片機內(nèi)的等效電阻的作用。
時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，本設(shè)計使用內(nèi)部振蕩方式。即在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖1-F所示。圖中，電容器Co1，CO2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一般在5-30pF。晶振頻率的典型值為12MH2，采用6MHz的情況也比較多。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘比較穩(wěn)定，實用電路中使用較多。
由于大功率LED太陽能照明系統(tǒng)需要準(zhǔn)確的實時時間，需要準(zhǔn)確的工作頻率，所以采用內(nèi)部振蕩方式，這樣可以通過單片機內(nèi)部的計時器可以獲得比較精確的實時時間。
中斷電路STC12C5410AD單片機只提供兩個外部中斷口，其中一個用來處理系統(tǒng)設(shè)置按鍵的中斷請求信號，剩下一個外部中斷口要處理過三個電流量和一個電壓量的中斷請求，所以只好使用四輸入與門IC9-1(74LS21)來匯總這四個中斷信號，中斷響應(yīng)后再由單片機對這四個中斷源逐一檢測，確定中斷信號的來源，最后采取相應(yīng)的策略來處理這些中斷。IC8和IC10(LM339)作為電壓比較器，用來判斷其輸入量是否超出正常范圍，若信號不正常則通過四輸入與門IC9向單片機發(fā)出中斷請求，以即時處理系統(tǒng)得不正常因素，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。
實時時鐘電路大功率LED太陽能照明系統(tǒng)要有定時照明，定時關(guān)斷的功能，所以要有可供系統(tǒng)參考的實時時鐘。出于降低功耗的目的，單片機絕大部分時間要保持在待機模式，這就要求單片機不能因為要響應(yīng)計時器處理計數(shù)器的中斷而頻繁地被喚醒。而STC12C5410AD單片機中自帶地兩個計數(shù)器都是十六位計數(shù)器，假設(shè)使用的時鐘源是12兆赫茲的外部晶振，則其計時最大周期為65536×1E-6s＝0.065536s，也就是說單片機在待機狀態(tài)下每0.065536秒就要相應(yīng)一次計數(shù)器中斷，故無法達(dá)到降低單片機功耗的目的。因此利用單片機內(nèi)部的一個計時器和一個可編程計數(shù)器陣列組成一個32位的計時器便可以使單片機每十五分鐘才相應(yīng)一次時鐘中斷的目的。故原理圖中，STC12C5410AD單片機的10腳和11腳相連接，由可編程計數(shù)器陣列輸出脈沖至計數(shù)器，由計數(shù)器對脈沖計數(shù)，然后每十五分鐘向CPU發(fā)出一次中斷申請，由CPU完成對實時時間的累加。
權(quán)利要求
1.一種太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于該控制器包括密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)、電池的輸出電壓降壓電路(2)、系統(tǒng)參數(shù)顯示電路(3)、大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)、溫度測量、電流檢測、測光電路(5)、單片機控制及其外圍電路(6)、太陽能電池(7)；該控制器的太陽能電池(7)的輸出端接密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)的輸入端，密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)的輸出端接電池的輸出電壓降壓電路(2)的輸入端，電池的輸出電壓降壓電路(2)的輸出端分別接系統(tǒng)參數(shù)顯示電路(3)、大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)、溫度測量、電流檢測、測光電路(5)、單片機控制及其外圍電路(6)的輸入端，大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)、溫度測量、電流檢測、測光電路(5)的輸出端接單片機控制及其外圍電路(6)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)以專用充電控制集成電路“IC18”為中心，其輸出端的“16”腳接晶體管“PNP5”的基極，輸出端的“10”腳接放大器“IC8-3”的反相輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于電池的輸出電壓降壓電路(2)以穩(wěn)壓集成電路“IC19”為中心，其輸入端的“1”腳接蓄電池，其輸出端的“2”腳通過電感線圈“L4”輸出5伏電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于系統(tǒng)參數(shù)顯示電路(3)由5路相同的顯示器組成，其輸入端接單片機控制及其外圍電路(6)中單片機“IC1”的“P3.0、P3.1”腳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)由三組相同的恒流驅(qū)動電路組成，其信號輸入端即驅(qū)動晶體管“PNP2、PNP3、PNP4”的基極分別接單片機控制及其外圍電路(6)中單片機“IC1”的“P2.1、P2.0、P2.7”腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于溫度測量、電流檢測、測光電路(5)中，溫度電阻“IC2”的“1”腳和“3”腳并聯(lián)在可變電阻“R6”的兩端，溫度電阻“IC2”的“2”腳接可變電阻“R6”的可變端，可變電阻“R6”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路(6)中單片機“IC1”的“P1.7”腳；測光用的光敏電池“2CR2”的一端接地，另一端接單片機控制及其外圍電路(6)中單片機“IC1”的“P1.6”腳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器，其特征在于單片機控制及其外圍電路(6)中單片機“IC1”的采用“STC12C5410AD”單片機集成電路。
全文摘要
太陽能發(fā)光二極管照明燈控制器是一種用于大功率太陽能發(fā)光二極管照明燈控制的裝置，該控制器的太陽能電池(7)的輸出端接密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)的輸入端，密封鉛酸蓄電池充放電電路(1)的輸出端接電池的輸出電壓降壓電路(2)的輸入端，電池的輸出電壓降壓電路(2)的輸出端分別接系統(tǒng)參數(shù)顯示電路(3)、大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)、溫度測量、電流檢測、測光電路(5)、單片機控制及其外圍電路(6)的輸入端，大功率LED恒流驅(qū)動電路(4)、溫度測量、電流檢測、測光電路(5)的輸出端接單片機控制及其外圍電路(6)的輸入端。該控制器耗電少、發(fā)光效率高、使用的可靠性和安全性高，且全自動控制。
文檔編號F21S9/00GK1917735SQ200610041400
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月22日
發(fā)明者蔣之浩, 沈廉 申請人:東南大學(xué)