专利名称：半导体发光二极管太阳能路灯控制电路的制作方法
技术领域：
技述领域本实用新型涉及一种半导体发光二极管太阳能路灯控制器电路。
背景技述应用太阳能光伏发电给传统的灯具光源供电是不经济、不环保的。一是传统的灯具功耗都比较大，而且都是在高压(如110V、220V、380V甚至更高)下工作，使用极不安全；用太阳能发电供电必须增加升压逆变环节，这样又降低了能源的利用率(好的逆变器效率在90％左右，一般的逆变器70％-80％左右，差的就更低)。二是传统光源如节能灯，光效比较高，但寿命很短(3-5个月时间就坏了，好的可接近一年)，省电不省钱，废弃后污染也很严重，即便是气体放电灯也只有3千-1万小时。三是太阳电池产生的是直流电，须提供逆变；太阳电池的转换效率还不太高(一般民用产品14％左右)，所产生的电能有限，不能满足大功率负载的长时间需要；如果只是简单增大太阳电池面积成本又太高，不利于太阳能产品推广。
随着固体物理和半导体照明技术的发展，人类开发出了第四代光源—固体光源发光二极管LED(第一代为白炽灯，第二代为荧光灯，第三代为气体放电灯)。LED具有节能(比节能灯还省电15％)、无污染、长寿命(10万小时)、光效高、可频率控制、免维护、无污染等优点，根据国际照明委员会的预测，到2010年第四代光源用作照明的普及率，日本为100％，美国为50％，我国为15％。随着半导体发光二极管生产工艺的不断提高，开发出了高亮度蓝光LED，通过蓝光LED激发荧光粉产生白光，使LED替代传统照明成为可能。目前，LED用作照明在国外已开始使用，国内还主要用于装饰。由于其广阔的发展前景，我国科技部2003年6月也启动了半导体照明计划。
用太阳能给LED照明系统供电，不仅能源利用率高，而且也不污染环境。因为太阳电池是直接将光转化为直流电，而LED本身工作电流也是直流，可减少中间环节(如逆变器等)损耗。同时LED功耗低、亮度高、即便是损坏后对环境也没有污染。因此太阳能光电与LED结合构成的路灯照明系统是一个效率极高的照明节能环保系统。该系统由太阳电池组件、集成有多个超亮度半导体发光二极管(LED)的发光源、路灯灯杆、灯头、路灯充放电控制器、免维护铅酸电池、控制箱组成。
为了提高路灯照明系统效率与寿命，路灯充放电控制器十分关键。尤其是太阳电池与LED光源组成的系统匹配效率，蓄能装置-蓄电池的使用寿命问题。LED具有频率响应特性，可实现PWM控制调节功率输出，提高系统能源利用效率；铅酸蓄电池的使用寿命较短，又具有记忆效应，对充放电过程实施监控和作定期养护是延长其使用寿命的关键。因此开发应用于太阳能发电与LED结合的路灯照明系统的，太阳能LED路灯控制器十分必要。现有太阳能路灯充放电控制器不能任意调控输出功率，不能对铅酸蓄电池作定期养护、消除记忆效应以延长使用寿命。
发明的内容本实用新型的目的是为了克服现有路灯充放电控制器不能任意调控输出功率和对铅酸蓄电池作定期养护、消除记忆效应以延长使用寿命的缺点，提供一种针对LED应用，增加频率脉宽控制(PWM)和功率调节功能，同时通过实时时钟对蓄电池作定期养护，具有延长蓄电池使用寿命的半导体发光二极管太阳能路灯控制器电路。
本实用新型的目的是这样实现的；它由微处理器电路(1)、稳压电源电路(2)、实时时钟电路(3)、液晶显示电路(4)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)、键盘接口电路(7)、太阳电池和蓄电池接口电路(8)组成；微处理器电路(1)通过其输入输出P0、P1 I/O口实现与其他各功能电路的连接，其A/D输入口实现对蓄电池、太阳能电池采样测量，稳压电源电路(2)通过将12V直流电压稳压为5V电源给微处理器电路(1)及其它电路提供5V电压液晶显示电路(4)通过半字节的数据总线(4条)与控制总线(3条)与微处理器的P0、P1口相连接(液晶显示电路带有独立的控制器，其工作电源有电源电路提供)；实时时钟电路(3)通过串行总线SCL、SDA与微处理器的P1口连接实现读写功能；充电开关电路(5)由一根控制线与微处理器P1口相连接，由软件模拟波形输出控制信号；放电开关电路(6)也由一根控制线与微处理器P1口相连接，由软件模拟波形输出控制信号，控制开关动作；键盘接口电路(7)与微处理器电路之间通过两条I/O口线P0连接；太阳电池和蓄电池接口电路(8)通过保险管和开关与充电开关电路(5)中+12V端连接，与放电开关电路(6)中+12V端连接。
本实用新型的优点和积极效果在于该路灯控制器为低功耗的具有微处理器的充放电装置。具有实时时钟电路，控制输出具有PWM(脉宽调制)输出。通过实时时种电路，设定对长时间浅放电的蓄电池作每6个月一次的全充全放养护激活操作，消除记忆效应以延长蓄电池的使用寿命。实践证明通过养护激活操作蓄电池的使用寿命可以延长50％左右。通过时钟电路还可以提供时间输出，对路灯进行时间控制。控制器的充放电控制输出都提供PWM(脉宽调制)功能直接对MOSFET开关管进行控制，实现最大功率跟踪(MPPT)，大大提高充电效率，尤其突出的是在PWM输出控制下可以调节LED光源的功耗(因为LED可以在高频、低频下正常工作；但普通灯具如荧光灯等不具备，改变频率对灯具寿命有明显影响)。例如控制器在天黑时到晚上12点，为全功率输出，到12点以后夜深人静时可以适当降低LED光源的亮度，这样可提高能源的利用效率，也延长了能量的使用时间，可减小系统配置降低系统成本。该控制器可广泛应用于太阳能光电与LED构成的照明系统、都市LED灯光装饰工程中，修改系统软件也可应用于常规市电与LED构成的照明系统中，具有节能、环保、高效的突出优点。
图面说明
图1是本实用新型的方框原理图图2是电路原理图具体的实施方式
以下结合附图和实施例进一步说明本实用新型，但对本实用新型不构成限制。
图1、图2所示的半导体发光二极管太阳能路灯控制电路由微处理器电路(1)、稳压电源电路(2)、实时时钟电路(3)、液晶显示电路(4)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)、键盘接口电路(7)、太阳电池和蓄电池接口电路(8)组成；微处理器电路(1)中微处理器是控制器的核心，微处理器电路(1)通过其输入输出P0、P1 I/O口实现与其他各功能电路的连接，其A/D输入口实现对蓄电池、太阳能电池采样测量；稳压电源(2)中的7805芯片，将蓄电池提供的12V直流电压稳压到5V给微处理器的P15-VDD供电以及给其他电路供电；实时时钟芯片的串行口SCL、SDA与微处理器的P1.3、P1.4连接实现读写功能；液晶显示电路(4)通过半字节的数据总线DB4-DB7与微处理器的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口相连，读写控制线E、R/W、RS、与微处理器的P1.0、P1.1、P1.7相连，这7条线都并接了10K的拉高电阻(排阻)；充电开关电路(5)通过控制端VOK与微处理器电路的P1.6相连；放电开关电路(6)通过控制端TIME/VOLTAGE与微处理器电路的P1.2相连；键盘接口电路(7)的输入端K1、K2与微处理器的P0.6、P0.6相连，并并接有拉高电阻；太阳电池和蓄电池接口电路(8)的太阳电池组件接口CN3-2与蓄电池接口CN2-1通过保险管、防反充二极管连接，防反充二极管的负端通过开关SW1与稳压电源(2)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)的12V端连接。
所述的微处理器(CPU)电路(1)中，微处理器由PHLIPS公司生产的具有紧凑结构的20PIN自带A/D转换功能和看门狗功能的低功耗51系列单片机(P87LPC767)、外围晶振(XT)、电容C1、C2、C3、取样电阻R2、R3、R4、R5、电解电容C8、C9组成；微处理器是控制器的核心，它与其他各功能电路的关系是靠微处理器的输入输出(I/O)口来实现的，PIN6、PIN7口线与6MHZ的晶振XT连接，微处理器芯片PIN16、PIN17通过两对四个精密采样电阻R2、R3、R4、R5及电解电容C8、C9取样后直接与芯片A/D输入口连接实现测量功能。
所述的稳压电源电路(2)由三端稳压源LM7805和C5、C6电容组成；主要为微处理器(CPU)电路(1)、实时时钟电路(3)、液晶显示电路(4)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)、键盘接口电路(7)等提供电源和参考电压。其相互连接关系如下7805芯片将蓄电池提供的12V直流电压稳压到5V给微处理器P87LPC767的P15-VDD供电以及给其他电路的VCC-5V电源供电；7805芯片的输入端与输出端都并接有对地GND的电容C5、C6。
所述的实时时钟电路(3)由PHLIPS公司生产的具有独立提供实时时钟(如年、月、日、时、分、秒)的PCF8583芯片、其外围电路晶振(XT1)、电容C14、C15、纽扣锂电池、二极管D3组成；通过CPU控制读写得到实时时钟，为控制输出提供时钟基准。其相互连接关系如下PCF8583时钟芯片的PIN1、PIN2接有标准时钟晶振，电容C14、C15并接在晶振XT1两端，VCC与锂电池间通过单向二极管IN4148连接有备用电源3.6V锂电池。
所述的液晶显示电路(4)由液晶模块MCC162和10K×7的排阻PR1A组成；该液晶模块为单行点阵字符液晶，为控制参赛设定、时钟调整提供人机界面；液晶模块的半字节的数据总线DB4-DB7与读写控制线E、R/W、RS这7条线都并接了10K的拉高电阻-排阻，芯片电源VCC与稳压电源电路(2)的VCC相连接。
所述的充电开关电路(5)由NPN型MOSFET功率开关管5N06、三极管T1、T3、电阻R15、R16、R17、R19以及电容C11、发光二极管L1，保护二极管D2组成；其功能是由微处理器通过CPU的PIN3输出控制信号(可调频率脉冲宽度PWM)实现太阳能电池对蓄电池的三步充电控制。L1起充电状态指示作用。其相互连接关系如下50N06门控端栅极由PNP型三极管T1的集电极端与电阻R1串联再与之相连；同时门控端栅极并接有太阳电池负极的电阻R17与电容C11；T1的发射极与12V电源连接，其基极由控制信号VOK通过T3的集电极连接来控制，集电极通过R15也与12V电源相连，发射极与地相连；另外，发光二极管L1与R17串联接地，正极端与T1的集电极相连，起充电状态指示作用。这里充电开关电路(5)通过控制端VOK与微处理器电路的P1.6相连，开关管50N06的输出端与太阳电池组件的负极端连接，输入端与蓄电池的负极相连。
所述的放电开关电路(6)与充电电路很相似，由NPN型MOSFET功率开关管5N06、三极管T2、T4、电阻R7、R8、R9、R10、R18以及电容C12、发光二极管L2，保护二极管D4组成；其相互连接关系如下50N06门控端栅极由PNP型三极管T4的集电极端与电阻R10串再与之相连。同时门控端栅极并接有对太阳电池负极的电阻R9与电容C12。T4的发射极与12V电源连接，其基极由控制信号Time/Voltage/Day/Night通过T2的集电极连接来控制，集电极通过R8也与12V电源相连，发射极与地相连。另外，发光二极管L2与R18串联接地，正极端与T4的集电极相连，起放电指示作用。其功能是由微处理器通过CPU的Pin10输出时间、光控、蓄电池电压的组合控制信号(即可调频率脉冲宽度PWM实现负载功率调节)实现蓄电池对负载的输出控制。L2起放电状态指示作用。这里放电开关电路(6)通过控制端Time/Voltage/Day/Night与微处理器电路的P1.2相连，开关管50N06的输出端与蓄电池的负极端连接，输入端与插座CN1的负载(灯)负极接线座相连。
所述的键盘接口电路(7)由拉高电阻R11、R12及接口CN4组成，该电路与外部薄膜键盘连接实现按键操作，薄膜键盘采用2×1矩阵的按键操作，两个按键的输出口通过接口CN4并联了两个拉高电阻R11、R12，按键的公共端通过接口CN4接地。两个按键的输出口通过接口CN4与微处理器的P0.6，P0.7口串联。
所述的太阳电池、蓄电池接口电路(8)由开关SW1、保险管F1、防反充二极管D1组成；其相互连接关系如下蓄电池的正极通过与保险管F1、开关SW1、防反充二极管负极串联，防反充二极管的正极与太阳电池组件正极接线座连接，保险管F1可以在大电流充放电(如正、负反接，或短路)时对蓄电池起保护作用，蓄电池负极接负极接线座再与充电开关5n06的输出端串联。
电路(工作)过程如下当系统各部份接线连好后，打开控制器开关，这时控制器上电微处理器进入初始化状态，5秒钟后控制器开始正常工作，显示器(4)显示蓄电池电压。这时，微处理器不断检测蓄电池电压、当蓄电池满时绿色指示灯亮，充电开关(5)关闭；当蓄电池不足时红色指示灯亮，充电开关(5)打开。当设定电压接近上限充电电压时转让入频率为300HZ占空比为1/2的点滴充，蓄电池低于下限电压时充电开关全开，显示器(4)也实时显示充放电状态。同时，微处理器(1)还作定时时间以及环境亮度检测，当设定开灯时间到而天气没有暗(暗的程度按使用要求可调)下来时，放电开关(6)不开，反之，时间不到而环境亮度暗时开关也不开；只有环境亮度很低和设定时间到同时满足时，放电开关才打开。
另外，通过实时时钟电路，当微处理器检测到晚上6点至12点之间为全功率输出，进入晚上12点后，控制器自动通过脉宽调制技述将负载(灯)功率降低30％，调低亮度节约能源，同时降低了系统成本、也延长了照明时间。微处理器也检测日期时间，当日期在每年的7月1日时或者12月20日时对蓄电池作一个全充全放的养护操作过程，去除铅酸电池的记忆效应，达到延长蓄电池使用寿命的目的(可延长50％)。所以这些功能都是在微处理器的实时监控下进行的。
权利要求1.一种半导体发光二极管太阳能路灯控制电路，其特征是它由微处理器电路(1)、稳压电源电路(2)、实时时钟电路(3)、液晶显示电路(4)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)、键盘接口电路(7)、太阳电池和蓄电池接口电路(8)组成；微处理器电路(1)通过其输入输出P0、P1 I/O口实现与其他各功能电路的连接，其A/D输入口实现对蓄电池、太阳能电池电压采样测量，稳压电源电路(2)通过将12V直流电压稳压为5V电源给微处理器电路(1)及其它电路提供5V电压；液晶显示电路(4)通过半字节的数据总线及控制总线与微处理器的P0、P1口相连接；实时时钟电路(3)通过串行总线SCL、SDA与微处理器的P1口连接实现时钟读写功能；充电开关电路(5)由一根控制线与微处理器P1口线之一相连接，由微处理器模拟实现PWM波形输出，控制开关动作；放电开关电路(6)也由一根控制线与微处理器P1口线之一相连接，由微处理器模拟实现PWM波形输出，控制开关动作；键盘接口电路(7)与微处理器电路之间通过两条I/O口线连接；太阳电池和蓄电池接口电路(8)通过保险管和开关与充电开关电路(5)中+12V端连接，与放电开关电路(6)中+12V端连接。
2.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是微处理器电路(1)中，微处理器由PHLIPS公司生产的具有紧凑结构的20Pin自带A/D转换功能和看门狗功能的低功耗51系列单片机P87LPC7XX、外围晶振XT、15p的瓷片电容C1、C2、滤波电容C3、精密取样电阻R2、R3、R4、R5、电解电容C8、C9组成；其相互连接关系为Pin6、Pin7靠近并接晶振XT，同时C1、C2与晶振XT紧靠并接，C3紧靠Pin15连接；取样电阻R2、R3串联接地，R4与R5串联接地，R2另一端接太阳电池和蓄电池接口电路(8)中的CN3-2太阳电池正极，R4另一端接太阳电池和蓄电池接口电路(8)中的开关SW1的+12V端；R2与R3的连接中点引出线与微处理器的A/D输入口Pin17连接；R4与R5的连接中点引出线与微处理器的A/D输入口Pin16连接实现采样。
3.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是稳压电源电路(2)由三端稳压源LM7805和C5、C6电容组成；7805芯片与太阳电池和蓄电池接口电路(8)的+12V输出连接构成电压输入端，连接对地电容C5；7805的输出端并接对地电容C6，引出VCC+5V电源。
4.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是实时时钟电路(3)由PHLIPS公司生产的具有独立提供实时时钟的PCF8583芯片、其外围电路晶振XT1、电容C14、C15、纽扣锂电池、二极管D3组成；其相互连接关系如下PCF8583时钟芯片的Pin1、Pin2接有标准时钟晶振，电容C14、C15并接在晶振XT1两端，VCC与锂电池间通过单向二极管IN4148连接有备用电源3.6V锂电池。
5.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是液晶显示电路(4)由液晶模块MCC162和10K×7的排阻PR1A组成；该液晶模块为单行点阵字符液晶，为控制参赛设定、时钟调整显示提供人机界面；液晶模块的半字节的数据总线DB4-DB7与读写控制线E、R/W、RS这7条线都并接了10K的拉高电阻-排阻，芯片电源VCC与稳压电源电路(2)的VCC相连接。
6.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是充电开关电路(5)由NPN型MOSFET功率开关管5NO6、三极管T1、T3、电阻R15、R16、R17、R19以及电容C11、发光二极管L1，保护二极管D2组成；其相互连接关系如下50NO6门控端栅极由PNP型三极管T1的集电极端与电阻R1串联再与之相连；同时门控端栅极并接有对太阳电池负极的电阻R17与电容C11；T1的发射极与12V电源连接，其基极由控制信号VOK通过T3的集电极连接来控制，集电极通过R15也与12V电源相连，发射极与地相连；另外，发光二极管L1与R16串联接地，正极端与T1的集电极相连。
7.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是放电开关电路(6)由NPN型MOSFET功率开关管5NO6、三极管T2、T4、电阻R7、R8、R9、R10、R18以及电容C12、发光二极管L2，保护二极管D4组成；其相互连接关系如下50NO6门控端栅极由PNP型三极管T4的集电极端与电阻R10串再与之相连；同时门控端栅极并接有对太阳电池负极的电阻R9与电容C12；T4的发射极与12V电源连接，其基极由控制信号Time/Voltage/Day/Night通过T2的集电极连接来控制，集电极通过R8也与12V电源相连，发射极与地相连；另外，发光二极管L2与R18串联接地，正极端与T4的集电极相连，起放电状态指示作用。
8.根据权利要求1中所述的太阳能路灯控制电路，其特征是键盘接口电路(7)由拉高电阻R11、R12及接口CN4组成，该电路与外部薄膜键盘连接实现按键操作，薄膜键盘采用2×1矩阵的按键操作，两个按键的输出口通过接口CN4并联了两个拉高电阻R11、R12，按键的公共端通过接口CN4接地。
9.根据权利要求1-8中所述的任一项太阳能路灯控制电路，其特征是太阳电池和蓄电池接口电路(8)由插座CN2、CN3、开关SW1、保险管F1、防反充二极管D1组成；其相互连接关系如下蓄电池的正极CN2-1是通过与保险管F1、开关SW1、防反充二极管负极串联，防反充二极管的正极与太阳电池组件正极CN3-2接线座连接，蓄电池的负极CN2-2与太阳电池组件负极CN3-1接线座通过充电开关电路(5)中的MOSFET开关管Q1连接。
专利摘要本实用新型涉及一种半导体发光二极管太阳能路灯控制电路，它由微处理器电路(1)、稳压电源电路(2)、实时时钟电路(3)、液晶显示电路(4)、充电开关电路(5)、放电开关电路(6)、键盘接口电路(7)、太阳电池和蓄电池接口电路(8)组成；它具有微处理器的充放电装置，具有实时时钟电路，控制输出具有PWM(脉宽调制)输出，充电效率高；通过实时时种电路，设定对长时间浅放电的蓄电池作每6个月一次的全充全放养护激活操作，消除记忆效应以延长蓄电池的使用寿命。可广泛应用于太阳能光电与LED构成的照明系统、都市LED灯光装饰工程中。
文档编号H02J7/00GK2676559SQ20042001447
公开日2005年2月2日 申请日期2004年1月7日 优先权日2004年1月7日
发明者舒杰, 沈辉, 邓幼俊, 陈维, 张臻 申请人:中山大学