基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计
摘 要:太阳能光伏发电与白光LED照明结合构成的照明系统是一个最优的环保节能照明系统, 是今后的一个重要发展方向。在此围绕着太阳能与市电互补的LED 照明控制系统, 对其控制器的核心部件处理器进行研究。根据系统的实际构成与应用, 提炼出处理器的设计需求, 进而提出一个精简指令集。基于此精简指令集完成了具有5 级流水线的处理器设计,并为处理器添加了必要的外设。最后通过FPGA 成功实现了设计功能。本课题的实现为照明控制系统中控制器的集成化、系统的小型化奠定了设计基础。
0 引 言
太阳能是一种清洁的绿色能源, 半导体发光二极管(LED) 也是一种环保、节能、高效的固态电光源。将LED 技术和太阳能技术相结合在一起, 开发太阳能半导体照明, 是最佳的节能、环保组合, 是新一代能源和新一代光源的完美结合。研究开发利用太阳能LED 照明技术将是世界各国政府可持续发展的战略决策, 意义重大。
本文的研究对象是太阳能LED 照明控制系统控制器中的处理器。系统通过控制器实现系统工作状态的管理、蓄电池剩余容量的管理、蓄电池充电、放电控制、太阳能电池电源及市电电源的切换控制以及LED 负载半功率控制等主要功能。而控制器是主要依靠处理器的运转来实现上述功能的。
1 系统构成
太阳能LED 照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控制器、LED 照明负载和市电电源5 部分组成, 系统组成原理图如图1 所示。系统正常工作时, 由蓄电池向LED 负载供电, 在蓄电池电压不足时, 由市电( 备用电源) 直接向LED 负载供电, 避免了蓄电池电压不足时LED 负载不亮的情况。有了市电作为备用电源, 在设计时可以适当降低蓄电池的容量, 降低成本。同时避免了由于利用太阳能而导致的市电资源的浪费,达到可靠性和经济性要求。
系统工作时通过太阳能电池将太阳辐射能转化为电能, 但是由于太阳能电池的输出受温度和太阳辐射强度影响很大, 输出功率不稳定, 因而在太阳辐射强度足够大的时( 白天) 需要利用蓄电池将转化的电能储存起来, 以便在需要照明时( 晚上) 向半导体照明负载供电。在太阳能半导体照明系统中, 控制器是其核心部分, 系统工作时通过控制器实现对系统工作状态的控制和对蓄电池充放电过程的管理, 以使系统在不同的工作状态下均能稳定可靠地工作。
系统各个组成部分的主要功能如下:
( 1) 太阳能电池。由许多太阳能电池组件串、并联而成, 其合成的容量可以是数百峰瓦(Wp) , 也可达数个兆峰瓦(Wp) 甚至更大, 组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其他类型的太阳能电池组成。一般来说, 光伏阵列由于多为半导体器件构成, 其伏安特性具有强烈的非线性。
( 2) 蓄电池组。蓄电池也称电瓶, 是太阳能LED照明系统的关键部分。一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成, 其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能, 晚上把储存的能量释放出来,供负载照明使用。它的最佳充电电流和放电电流, 一般按10 h 充、放电率计算。
由于蓄电池对电压的波动具有/ 缓冲0作用, 还可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价格低等优点, 但若使用不当, 很容易加速蓄电池的老化, 使蓄电池的寿命急剧缩短, 造成系统运行成本的增加, 充、放电电流过大都会对电瓶的寿命有一定的影响。因此对蓄电池的充放电进行合理规划和控制是光伏充电系统中必不可少的环节。
