專利名稱：半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制電路的制作方法
技術領域：
技述領域本實用新型涉及一種半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制器電路。
背景技述應用太陽能光伏發(fā)電給傳統(tǒng)的燈具光源供電是不經(jīng)濟、不環(huán)保的。一是傳統(tǒng)的燈具功耗都比較大，而且都是在高壓(如110V、220V、380V甚至更高)下工作，使用極不安全；用太陽能發(fā)電供電必須增加升壓逆變環(huán)節(jié)，這樣又降低了能源的利用率(好的逆變器效率在90％左右，一般的逆變器70％-80％左右，差的就更低)。二是傳統(tǒng)光源如節(jié)能燈，光效比較高，但壽命很短(3-5個月時間就壞了，好的可接近一年)，省電不省錢，廢棄后污染也很嚴重，即便是氣體放電燈也只有3千-1萬小時。三是太陽電池產(chǎn)生的是直流電，須提供逆變；太陽電池的轉換效率還不太高(一般民用產(chǎn)品14％左右)，所產(chǎn)生的電能有限，不能滿足大功率負載的長時間需要；如果只是簡單增大太陽電池面積成本又太高，不利于太陽能產(chǎn)品推廣。
隨著固體物理和半導體照明技術的發(fā)展，人類開發(fā)出了第四代光源—固體光源發(fā)光二極管LED(第一代為白熾燈，第二代為熒光燈，第三代為氣體放電燈)。LED具有節(jié)能(比節(jié)能燈還省電15％)、無污染、長壽命(10萬小時)、光效高、可頻率控制、免維護、無污染等優(yōu)點，根據(jù)國際照明委員會的預測，到2010年第四代光源用作照明的普及率，日本為100％，美國為50％，我國為15％。隨著半導體發(fā)光二極管生產(chǎn)工藝的不斷提高，開發(fā)出了高亮度藍光LED，通過藍光LED激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光，使LED替代傳統(tǒng)照明成為可能。目前，LED用作照明在國外已開始使用，國內(nèi)還主要用于裝飾。由于其廣闊的發(fā)展前景，我國科技部2003年6月也啟動了半導體照明計劃。
用太陽能給LED照明系統(tǒng)供電，不僅能源利用率高，而且也不污染環(huán)境。因為太陽電池是直接將光轉化為直流電，而LED本身工作電流也是直流，可減少中間環(huán)節(jié)(如逆變器等)損耗。同時LED功耗低、亮度高、即便是損壞后對環(huán)境也沒有污染。因此太陽能光電與LED結合構成的路燈照明系統(tǒng)是一個效率極高的照明節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽電池組件、集成有多個超亮度半導體發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光源、路燈燈桿、燈頭、路燈充放電控制器、免維護鉛酸電池、控制箱組成。
為了提高路燈照明系統(tǒng)效率與壽命，路燈充放電控制器十分關鍵。尤其是太陽電池與LED光源組成的系統(tǒng)匹配效率，蓄能裝置-蓄電池的使用壽命問題。LED具有頻率響應特性，可實現(xiàn)PWM控制調節(jié)功率輸出，提高系統(tǒng)能源利用效率；鉛酸蓄電池的使用壽命較短，又具有記憶效應，對充放電過程實施監(jiān)控和作定期養(yǎng)護是延長其使用壽命的關鍵。因此開發(fā)應用于太陽能發(fā)電與LED結合的路燈照明系統(tǒng)的，太陽能LED路燈控制器十分必要?，F(xiàn)有太陽能路燈充放電控制器不能任意調控輸出功率，不能對鉛酸蓄電池作定期養(yǎng)護、消除記憶效應以延長使用壽命。
發(fā)明的內(nèi)容本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有路燈充放電控制器不能任意調控輸出功率和對鉛酸蓄電池作定期養(yǎng)護、消除記憶效應以延長使用壽命的缺點，提供一種針對LED應用，增加頻率脈寬控制(PWM)和功率調節(jié)功能，同時通過實時時鐘對蓄電池作定期養(yǎng)護，具有延長蓄電池使用壽命的半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制器電路。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的；它由微處理器電路(1)、穩(wěn)壓電源電路(2)、實時時鐘電路(3)、液晶顯示電路(4)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)、鍵盤接口電路(7)、太陽電池和蓄電池接口電路(8)組成；微處理器電路(1)通過其輸入輸出P0、P1 I/O口實現(xiàn)與其他各功能電路的連接，其A/D輸入口實現(xiàn)對蓄電池、太陽能電池采樣測量，穩(wěn)壓電源電路(2)通過將12V直流電壓穩(wěn)壓為5V電源給微處理器電路(1)及其它電路提供5V電壓液晶顯示電路(4)通過半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線(4條)與控制總線(3條)與微處理器的P0、P1口相連接(液晶顯示電路帶有獨立的控制器，其工作電源有電源電路提供)；實時時鐘電路(3)通過串行總線SCL、SDA與微處理器的P1口連接實現(xiàn)讀寫功能；充電開關電路(5)由一根控制線與微處理器P1口相連接，由軟件模擬波形輸出控制信號；放電開關電路(6)也由一根控制線與微處理器P1口相連接，由軟件模擬波形輸出控制信號，控制開關動作；鍵盤接口電路(7)與微處理器電路之間通過兩條I/O口線P0連接；太陽電池和蓄電池接口電路(8)通過保險管和開關與充電開關電路(5)中+12V端連接，與放電開關電路(6)中+12V端連接。
本實用新型的優(yōu)點和積極效果在于該路燈控制器為低功耗的具有微處理器的充放電裝置。具有實時時鐘電路，控制輸出具有PWM(脈寬調制)輸出。通過實時時種電路，設定對長時間淺放電的蓄電池作每6個月一次的全充全放養(yǎng)護激活操作，消除記憶效應以延長蓄電池的使用壽命。實踐證明通過養(yǎng)護激活操作蓄電池的使用壽命可以延長50％左右。通過時鐘電路還可以提供時間輸出，對路燈進行時間控制。控制器的充放電控制輸出都提供PWM(脈寬調制)功能直接對MOSFET開關管進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)，大大提高充電效率，尤其突出的是在PWM輸出控制下可以調節(jié)LED光源的功耗(因為LED可以在高頻、低頻下正常工作；但普通燈具如熒光燈等不具備，改變頻率對燈具壽命有明顯影響)。例如控制器在天黑時到晚上12點，為全功率輸出，到12點以后夜深人靜時可以適當降低LED光源的亮度，這樣可提高能源的利用效率，也延長了能量的使用時間，可減小系統(tǒng)配置降低系統(tǒng)成本。該控制器可廣泛應用于太陽能光電與LED構成的照明系統(tǒng)、都市LED燈光裝飾工程中，修改系統(tǒng)軟件也可應用于常規(guī)市電與LED構成的照明系統(tǒng)中，具有節(jié)能、環(huán)保、高效的突出優(yōu)點。
圖面說明

圖1是本實用新型的方框原理圖圖2是電路原理圖具體的實施方式
以下結合附圖和實施例進一步說明本實用新型，但對本實用新型不構成限制。
圖1、圖2所示的半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制電路由微處理器電路(1)、穩(wěn)壓電源電路(2)、實時時鐘電路(3)、液晶顯示電路(4)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)、鍵盤接口電路(7)、太陽電池和蓄電池接口電路(8)組成；微處理器電路(1)中微處理器是控制器的核心，微處理器電路(1)通過其輸入輸出P0、P1 I/O口實現(xiàn)與其他各功能電路的連接，其A/D輸入口實現(xiàn)對蓄電池、太陽能電池采樣測量；穩(wěn)壓電源(2)中的7805芯片，將蓄電池提供的12V直流電壓穩(wěn)壓到5V給微處理器的P15-VDD供電以及給其他電路供電；實時時鐘芯片的串行口SCL、SDA與微處理器的P1.3、P1.4連接實現(xiàn)讀寫功能；液晶顯示電路(4)通過半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線DB4-DB7與微處理器的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口相連，讀寫控制線E、R/W、RS、與微處理器的P1.0、P1.1、P1.7相連，這7條線都并接了10K的拉高電阻(排阻)；充電開關電路(5)通過控制端VOK與微處理器電路的P1.6相連；放電開關電路(6)通過控制端TIME/VOLTAGE與微處理器電路的P1.2相連；鍵盤接口電路(7)的輸入端K1、K2與微處理器的P0.6、P0.6相連，并并接有拉高電阻；太陽電池和蓄電池接口電路(8)的太陽電池組件接口CN3-2與蓄電池接口CN2-1通過保險管、防反充二極管連接，防反充二極管的負端通過開關SW1與穩(wěn)壓電源(2)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)的12V端連接。
所述的微處理器(CPU)電路(1)中，微處理器由PHLIPS公司生產(chǎn)的具有緊湊結構的20PIN自帶A/D轉換功能和看門狗功能的低功耗51系列單片機(P87LPC767)、外圍晶振(XT)、電容C1、C2、C3、取樣電阻R2、R3、R4、R5、電解電容C8、C9組成；微處理器是控制器的核心，它與其他各功能電路的關系是靠微處理器的輸入輸出(I/O)口來實現(xiàn)的，PIN6、PIN7口線與6MHZ的晶振XT連接，微處理器芯片PIN16、PIN17通過兩對四個精密采樣電阻R2、R3、R4、R5及電解電容C8、C9取樣后直接與芯片A/D輸入口連接實現(xiàn)測量功能。
所述的穩(wěn)壓電源電路(2)由三端穩(wěn)壓源LM7805和C5、C6電容組成；主要為微處理器(CPU)電路(1)、實時時鐘電路(3)、液晶顯示電路(4)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)、鍵盤接口電路(7)等提供電源和參考電壓。其相互連接關系如下7805芯片將蓄電池提供的12V直流電壓穩(wěn)壓到5V給微處理器P87LPC767的P15-VDD供電以及給其他電路的VCC-5V電源供電；7805芯片的輸入端與輸出端都并接有對地GND的電容C5、C6。
所述的實時時鐘電路(3)由PHLIPS公司生產(chǎn)的具有獨立提供實時時鐘(如年、月、日、時、分、秒)的PCF8583芯片、其外圍電路晶振(XT1)、電容C14、C15、紐扣鋰電池、二極管D3組成；通過CPU控制讀寫得到實時時鐘，為控制輸出提供時鐘基準。其相互連接關系如下PCF8583時鐘芯片的PIN1、PIN2接有標準時鐘晶振，電容C14、C15并接在晶振XT1兩端，VCC與鋰電池間通過單向二極管IN4148連接有備用電源3.6V鋰電池。
所述的液晶顯示電路(4)由液晶模塊MCC162和10K×7的排阻PR1A組成；該液晶模塊為單行點陣字符液晶，為控制參賽設定、時鐘調整提供人機界面；液晶模塊的半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線DB4-DB7與讀寫控制線E、R/W、RS這7條線都并接了10K的拉高電阻-排阻，芯片電源VCC與穩(wěn)壓電源電路(2)的VCC相連接。
所述的充電開關電路(5)由NPN型MOSFET功率開關管5N06、三極管T1、T3、電阻R15、R16、R17、R19以及電容C11、發(fā)光二極管L1，保護二極管D2組成；其功能是由微處理器通過CPU的PIN3輸出控制信號(可調頻率脈沖寬度PWM)實現(xiàn)太陽能電池對蓄電池的三步充電控制。L1起充電狀態(tài)指示作用。其相互連接關系如下50N06門控端柵極由PNP型三極管T1的集電極端與電阻R1串聯(lián)再與之相連；同時門控端柵極并接有太陽電池負極的電阻R17與電容C11；T1的發(fā)射極與12V電源連接，其基極由控制信號VOK通過T3的集電極連接來控制，集電極通過R15也與12V電源相連，發(fā)射極與地相連；另外，發(fā)光二極管L1與R17串聯(lián)接地，正極端與T1的集電極相連，起充電狀態(tài)指示作用。這里充電開關電路(5)通過控制端VOK與微處理器電路的P1.6相連，開關管50N06的輸出端與太陽電池組件的負極端連接，輸入端與蓄電池的負極相連。
所述的放電開關電路(6)與充電電路很相似，由NPN型MOSFET功率開關管5N06、三極管T2、T4、電阻R7、R8、R9、R10、R18以及電容C12、發(fā)光二極管L2，保護二極管D4組成；其相互連接關系如下50N06門控端柵極由PNP型三極管T4的集電極端與電阻R10串再與之相連。同時門控端柵極并接有對太陽電池負極的電阻R9與電容C12。T4的發(fā)射極與12V電源連接，其基極由控制信號Time/Voltage/Day/Night通過T2的集電極連接來控制，集電極通過R8也與12V電源相連，發(fā)射極與地相連。另外，發(fā)光二極管L2與R18串聯(lián)接地，正極端與T4的集電極相連，起放電指示作用。其功能是由微處理器通過CPU的Pin10輸出時間、光控、蓄電池電壓的組合控制信號(即可調頻率脈沖寬度PWM實現(xiàn)負載功率調節(jié))實現(xiàn)蓄電池對負載的輸出控制。L2起放電狀態(tài)指示作用。這里放電開關電路(6)通過控制端Time/Voltage/Day/Night與微處理器電路的P1.2相連，開關管50N06的輸出端與蓄電池的負極端連接，輸入端與插座CN1的負載(燈)負極接線座相連。
所述的鍵盤接口電路(7)由拉高電阻R11、R12及接口CN4組成，該電路與外部薄膜鍵盤連接實現(xiàn)按鍵操作，薄膜鍵盤采用2×1矩陣的按鍵操作，兩個按鍵的輸出口通過接口CN4并聯(lián)了兩個拉高電阻R11、R12，按鍵的公共端通過接口CN4接地。兩個按鍵的輸出口通過接口CN4與微處理器的P0.6，P0.7口串聯(lián)。
所述的太陽電池、蓄電池接口電路(8)由開關SW1、保險管F1、防反充二極管D1組成；其相互連接關系如下蓄電池的正極通過與保險管F1、開關SW1、防反充二極管負極串聯(lián)，防反充二極管的正極與太陽電池組件正極接線座連接，保險管F1可以在大電流充放電(如正、負反接，或短路)時對蓄電池起保護作用，蓄電池負極接負極接線座再與充電開關5n06的輸出端串聯(lián)。
電路(工作)過程如下當系統(tǒng)各部份接線連好后，打開控制器開關，這時控制器上電微處理器進入初始化狀態(tài)，5秒鐘后控制器開始正常工作，顯示器(4)顯示蓄電池電壓。這時，微處理器不斷檢測蓄電池電壓、當蓄電池滿時綠色指示燈亮，充電開關(5)關閉；當蓄電池不足時紅色指示燈亮，充電開關(5)打開。當設定電壓接近上限充電電壓時轉讓入頻率為300HZ占空比為1/2的點滴充，蓄電池低于下限電壓時充電開關全開，顯示器(4)也實時顯示充放電狀態(tài)。同時，微處理器(1)還作定時時間以及環(huán)境亮度檢測，當設定開燈時間到而天氣沒有暗(暗的程度按使用要求可調)下來時，放電開關(6)不開，反之，時間不到而環(huán)境亮度暗時開關也不開；只有環(huán)境亮度很低和設定時間到同時滿足時，放電開關才打開。
另外，通過實時時鐘電路，當微處理器檢測到晚上6點至12點之間為全功率輸出，進入晚上12點后，控制器自動通過脈寬調制技述將負載(燈)功率降低30％，調低亮度節(jié)約能源，同時降低了系統(tǒng)成本、也延長了照明時間。微處理器也檢測日期時間，當日期在每年的7月1日時或者12月20日時對蓄電池作一個全充全放的養(yǎng)護操作過程，去除鉛酸電池的記憶效應，達到延長蓄電池使用壽命的目的(可延長50％)。所以這些功能都是在微處理器的實時監(jiān)控下進行的。
權利要求1.一種半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制電路，其特征是它由微處理器電路(1)、穩(wěn)壓電源電路(2)、實時時鐘電路(3)、液晶顯示電路(4)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)、鍵盤接口電路(7)、太陽電池和蓄電池接口電路(8)組成；微處理器電路(1)通過其輸入輸出P0、P1 I/O口實現(xiàn)與其他各功能電路的連接，其A/D輸入口實現(xiàn)對蓄電池、太陽能電池電壓采樣測量，穩(wěn)壓電源電路(2)通過將12V直流電壓穩(wěn)壓為5V電源給微處理器電路(1)及其它電路提供5V電壓；液晶顯示電路(4)通過半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線及控制總線與微處理器的P0、P1口相連接；實時時鐘電路(3)通過串行總線SCL、SDA與微處理器的P1口連接實現(xiàn)時鐘讀寫功能；充電開關電路(5)由一根控制線與微處理器P1口線之一相連接，由微處理器模擬實現(xiàn)PWM波形輸出，控制開關動作；放電開關電路(6)也由一根控制線與微處理器P1口線之一相連接，由微處理器模擬實現(xiàn)PWM波形輸出，控制開關動作；鍵盤接口電路(7)與微處理器電路之間通過兩條I/O口線連接；太陽電池和蓄電池接口電路(8)通過保險管和開關與充電開關電路(5)中+12V端連接，與放電開關電路(6)中+12V端連接。
2.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是微處理器電路(1)中，微處理器由PHLIPS公司生產(chǎn)的具有緊湊結構的20Pin自帶A/D轉換功能和看門狗功能的低功耗51系列單片機P87LPC7XX、外圍晶振XT、15p的瓷片電容C1、C2、濾波電容C3、精密取樣電阻R2、R3、R4、R5、電解電容C8、C9組成；其相互連接關系為Pin6、Pin7靠近并接晶振XT，同時C1、C2與晶振XT緊靠并接，C3緊靠Pin15連接；取樣電阻R2、R3串聯(lián)接地，R4與R5串聯(lián)接地，R2另一端接太陽電池和蓄電池接口電路(8)中的CN3-2太陽電池正極，R4另一端接太陽電池和蓄電池接口電路(8)中的開關SW1的+12V端；R2與R3的連接中點引出線與微處理器的A/D輸入口Pin17連接；R4與R5的連接中點引出線與微處理器的A/D輸入口Pin16連接實現(xiàn)采樣。
3.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是穩(wěn)壓電源電路(2)由三端穩(wěn)壓源LM7805和C5、C6電容組成；7805芯片與太陽電池和蓄電池接口電路(8)的+12V輸出連接構成電壓輸入端，連接對地電容C5；7805的輸出端并接對地電容C6，引出VCC+5V電源。
4.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是實時時鐘電路(3)由PHLIPS公司生產(chǎn)的具有獨立提供實時時鐘的PCF8583芯片、其外圍電路晶振XT1、電容C14、C15、紐扣鋰電池、二極管D3組成；其相互連接關系如下PCF8583時鐘芯片的Pin1、Pin2接有標準時鐘晶振，電容C14、C15并接在晶振XT1兩端，VCC與鋰電池間通過單向二極管IN4148連接有備用電源3.6V鋰電池。
5.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是液晶顯示電路(4)由液晶模塊MCC162和10K×7的排阻PR1A組成；該液晶模塊為單行點陣字符液晶，為控制參賽設定、時鐘調整顯示提供人機界面；液晶模塊的半字節(jié)的數(shù)據(jù)總線DB4-DB7與讀寫控制線E、R/W、RS這7條線都并接了10K的拉高電阻-排阻，芯片電源VCC與穩(wěn)壓電源電路(2)的VCC相連接。
6.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是充電開關電路(5)由NPN型MOSFET功率開關管5NO6、三極管T1、T3、電阻R15、R16、R17、R19以及電容C11、發(fā)光二極管L1，保護二極管D2組成；其相互連接關系如下50NO6門控端柵極由PNP型三極管T1的集電極端與電阻R1串聯(lián)再與之相連；同時門控端柵極并接有對太陽電池負極的電阻R17與電容C11；T1的發(fā)射極與12V電源連接，其基極由控制信號VOK通過T3的集電極連接來控制，集電極通過R15也與12V電源相連，發(fā)射極與地相連；另外，發(fā)光二極管L1與R16串聯(lián)接地，正極端與T1的集電極相連。
7.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是放電開關電路(6)由NPN型MOSFET功率開關管5NO6、三極管T2、T4、電阻R7、R8、R9、R10、R18以及電容C12、發(fā)光二極管L2，保護二極管D4組成；其相互連接關系如下50NO6門控端柵極由PNP型三極管T4的集電極端與電阻R10串再與之相連；同時門控端柵極并接有對太陽電池負極的電阻R9與電容C12；T4的發(fā)射極與12V電源連接，其基極由控制信號Time/Voltage/Day/Night通過T2的集電極連接來控制，集電極通過R8也與12V電源相連，發(fā)射極與地相連；另外，發(fā)光二極管L2與R18串聯(lián)接地，正極端與T4的集電極相連，起放電狀態(tài)指示作用。
8.根據(jù)權利要求1中所述的太陽能路燈控制電路，其特征是鍵盤接口電路(7)由拉高電阻R11、R12及接口CN4組成，該電路與外部薄膜鍵盤連接實現(xiàn)按鍵操作，薄膜鍵盤采用2×1矩陣的按鍵操作，兩個按鍵的輸出口通過接口CN4并聯(lián)了兩個拉高電阻R11、R12，按鍵的公共端通過接口CN4接地。
9.根據(jù)權利要求1-8中所述的任一項太陽能路燈控制電路，其特征是太陽電池和蓄電池接口電路(8)由插座CN2、CN3、開關SW1、保險管F1、防反充二極管D1組成；其相互連接關系如下蓄電池的正極CN2-1是通過與保險管F1、開關SW1、防反充二極管負極串聯(lián)，防反充二極管的正極與太陽電池組件正極CN3-2接線座連接，蓄電池的負極CN2-2與太陽電池組件負極CN3-1接線座通過充電開關電路(5)中的MOSFET開關管Q1連接。
專利摘要本實用新型涉及一種半導體發(fā)光二極管太陽能路燈控制電路，它由微處理器電路(1)、穩(wěn)壓電源電路(2)、實時時鐘電路(3)、液晶顯示電路(4)、充電開關電路(5)、放電開關電路(6)、鍵盤接口電路(7)、太陽電池和蓄電池接口電路(8)組成；它具有微處理器的充放電裝置，具有實時時鐘電路，控制輸出具有PWM(脈寬調制)輸出，充電效率高；通過實時時種電路，設定對長時間淺放電的蓄電池作每6個月一次的全充全放養(yǎng)護激活操作，消除記憶效應以延長蓄電池的使用壽命?？蓮V泛應用于太陽能光電與LED構成的照明系統(tǒng)、都市LED燈光裝飾工程中。
文檔編號H02J7/00GK2676559SQ20042001447
公開日2005年2月2日 申請日期2004年1月7日 優(yōu)先權日2004年1月7日
發(fā)明者舒杰, 沈輝, 鄧幼俊, 陳維, 張臻 申請人:中山大學