基于太陽能LED照明控制系統的處理器設計

摘 要: 太陽能光伏發電與白光LED 照明結合構成的照明系統是一個最優的環保節能照明系統, 是今后的一個重要發展方向。在此圍繞著太陽能與市電互補的LED 照明控制系統, 對其控制器的核心部件處理器進行研究。根據系統的實際構成與應用, 提煉出處理器的設計需求, 進而提出一個精簡指令集?；诖司喼噶罴瓿闪司哂? 級流水線的處理器設計,并為處理器添加了必要的外設。最后通過FPGA 成功實現了設計功能。本課題的實現為照明控制系統中控制器的集成化、系統的小型化奠定了設計基礎。

　　0 引 言

　　太陽能是一種清潔的綠色能源, 半導體發光二極管(LED) 也是一種環保、節能、高效的固態電光源。將LED 技術和太陽能技術相結合在一起, 開發太陽能半導體照明, 是最佳的節能、環保組合, 是新一代能源和新一代光源的完美結合。研究開發利用太陽能LED 照明技術將是世界各國政府可持續發展的戰略決策, 意義重大。

　　本文的研究對象是太陽能LED 照明控制系統控制器中的處理器。系統通過控制器實現系統工作狀態的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED 負載半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠處理器的運轉來實現上述功能的。

　　1 系統構成

　　太陽能LED 照明控制系統主要由太陽能電池、蓄電池、系統控制器、LED 照明負載和市電電源5 部分組成, 系統組成原理圖如圖1 所示。系統正常工作時, 由蓄電池向LED 負載供電, 在蓄電池電壓不足時, 由市電( 備用電源) 直接向LED 負載供電, 避免了蓄電池電壓不足時LED 負載不亮的情況。有了市電作為備用電源, 在設計時可以適當降低蓄電池的容量, 降低成本。同時避免了由于利用太陽能而導致的市電資源的浪費,達到可靠性和經濟性要求。

圖1 太陽能LED 照明系統組成原理圖

　　系統工作時通過太陽能電池將太陽輻射能轉化為電能, 但是由于太陽能電池的輸出受溫度和太陽輻射強度影響很大, 輸出功率不穩定, 因而在太陽輻射強度足夠大的時( 白天) 需要利用蓄電池將轉化的電能儲存起來, 以便在需要照明時( 晚上) 向半導體照明負載供電。在太陽能半導體照明系統中, 控制器是其核心部分, 系統工作時通過控制器實現對系統工作狀態的控制和對蓄電池充放電過程的管理, 以使系統在不同的工作狀態下均能穩定可靠地工作。

　　系統各個組成部分的主要功能如下:

　　( 1) 太陽能電池。由許多太陽能電池組件串、并聯而成, 其合成的容量可以是數百峰瓦(Wp) , 也可達數個兆峰瓦(Wp) 甚至更大, 組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類型的太陽能電池組成。一般來說, 光伏陣列由于多為半導體器件構成, 其伏安特性具有強烈的非線性。

　　( 2) 蓄電池組。蓄電池也稱電瓶, 是太陽能LED照明系統的關鍵部分。一般是由一定數量的鉛酸蓄電池經由串、并聯組合而成, 其容量的選擇應與太陽能電池陣列的容量相匹配。它的主要作用是在白天儲存太陽能陣列所產生的電能, 晚上把儲存的能量釋放出來,供負載照明使用。它的最佳充電電流和放電電流, 一般按10 h 充、放電率計算。

　　由于蓄電池對電壓的波動具有/ 緩沖0作用, 還可使得負載系統的運行更加平穩可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價格低等優點, 但若使用不當, 很容易加速蓄電池的老化, 使蓄電池的壽命急劇縮短, 造成系統運行成本的增加, 充、放電電流過大都會對電瓶的壽命有一定的影響。因此對蓄電池的充放電進行合理規劃和控制是光伏充電系統中必不可少的環節。

　　( 3) 控制器。控制器的作用是對太陽能電池、蓄電池電壓、市電電源和LED 負載進行總體監控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓, 同時保護蓄電池, 避免過充電和過放電現象的發生。需要時完成太陽能電池和市電2 個電源之間的轉換, 保證LED 負載穩定可靠的工作。

　　以處理器為核心的控制器結構可以給系統帶來極大的可配置型, 增強系統的應用范圍。

　　( 4) LED 照明光源。半導體LED 照明光源是系統的重要組成部分。LED 應保證亮度高, 亮度輻射范圍大且均勻, 所使用的白光LED 數量少。控制器中的負載控制策略和LED 驅動電路的設計直接決定了系統的照明效果。因此, 需要根據LED 響應速度快和低壓直流驅動等特性, 選擇合適的驅動方案及控制策略, 實現與蓄電池電壓的匹配, 以充分發揮LED 照明的優點。

　　( 5) 市電電源。在出現陰雨天時, 蓄電池不能及時充電, 出現蓄電池電壓不足, 不能正常向負載供電時, 由開關電源將220 V 交流市電變換成低壓直流電, 供LED 負載使用?？刂破飨到y設計中為市電電源提供了一個低壓直流電輸入接口。

　　2 處理器需求分析

　　控制器是系統的核心部分, 系統工作過程通過它進行管理和控制。系統通過控制器實現系統工作狀態的管理、蓄電池剩余容量的管理、蓄電池充電、放電控制、太陽能電池電源及市電電源的切換控制以及LED 負載半功率控制等主要功能。而處理器又是控制器的核心。其負責根據程序指揮控制器中元器件實現控制器的上述功能。

　　在此設計的太陽能LED 照明控制系統供街道和住宅小區照明使用, 設計控制器中的處理器具有如下功能:

　　( 1) 支持5 V 直流系統工作電壓;

　　( 2) 可提供輸出接口, 控制狀態指示燈或顯示屏指示工作狀態;

　　( 3) 可提供輸入接口, 接受外部按鍵輸入;

　　( 4) 可控制大功率MOS 管支持最大至9 A 的充放電電流;

　　( 5) 可提供直流、脈沖兩種充電方式的控制;

　　( 6) 可精確計時以提供深夜使半導體照明燈具亮度減半的功能;

　　( 7) 可接收一路A/ D 轉換器指示, 能檢測蓄電池的電壓, 對蓄電池的充、放電過程進行控制, 并當蓄電池電量不足時, 自動切換到市電電源供電;

　　( 8) 可接收另一路A/ D 轉換器指示, 能檢測太陽能電池的電壓, 自動轉換工作模式;

　　( 9) 可提供運算指令以計算各輸入信號關系判斷系統運行轉態;

　　( 10) 可提供跳轉指令以使控制器在各狀態間切換;

　　( 11) 可暫存狀態標志, 以供處理器智能判斷狀態;

　　( 12) 低功耗設計以提高控制器在系統中的工作效率;

　　根據以上需求給出處理器的設計目標: 采用精簡指令集設計; 采用流水線設計以實現低功耗; 具有寄存器堆; 具有IO 接口; 具有PWM 功能模塊; 具有定時器模塊。