基于太陽能LED照明控制系統(tǒng)的處理器設(shè)計(jì)

摘 要: 太陽能光伏發(fā)電與白光LED 照明結(jié)合構(gòu)成的照明系統(tǒng)是一個最優(yōu)的環(huán)保節(jié)能照明系統(tǒng), 是今后的一個重要發(fā)展方向。在此圍繞著太陽能與市電互補(bǔ)的LED 照明控制系統(tǒng), 對其控制器的核心部件處理器進(jìn)行研究。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成與應(yīng)用, 提煉出處理器的設(shè)計(jì)需求, 進(jìn)而提出一個精簡指令集。基于此精簡指令集完成了具有5 級流水線的處理器設(shè)計(jì),并為處理器添加了必要的外設(shè)。最后通過FPGA 成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。本課題的實(shí)現(xiàn)為照明控制系統(tǒng)中控制器的集成化、系統(tǒng)的小型化奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　0 引 言

　　太陽能是一種清潔的綠色能源, 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED) 也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源。將LED 技術(shù)和太陽能技術(shù)相結(jié)合在一起, 開發(fā)太陽能半導(dǎo)體照明, 是最佳的節(jié)能、環(huán)保組合, 是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。研究開發(fā)利用太陽能LED 照明技術(shù)將是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)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(tǒng)控制器中的處理器。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)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(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)上述功能的。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　太陽能LED 照明控制系統(tǒng)主要由太陽能電池、蓄電池、系統(tǒng)控制器、LED 照明負(fù)載和市電電源5 部分組成, 系統(tǒng)組成原理圖如圖1 所示。系統(tǒng)正常工作時, 由蓄電池向LED 負(fù)載供電, 在蓄電池電壓不足時, 由市電( 備用電源) 直接向LED 負(fù)載供電, 避免了蓄電池電壓不足時LED 負(fù)載不亮的情況。有了市電作為備用電源, 在設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)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(dǎo)致的市電資源的浪費(fèi),達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求。

圖1 太陽能LED 照明系統(tǒng)組成原理圖

　　系統(tǒng)工作時通過太陽能電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)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(qiáng)度影響很大, 輸出功率不穩(wěn)定, 因而在太陽輻射強(qiáng)度足夠大的時( 白天) 需要利用蓄電池將轉(zhuǎn)化的電能儲存起來, 以便在需要照明時( 晚上) 向半導(dǎo)體照明負(fù)載供電。在太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)中, 控制器是其核心部分, 系統(tǒng)工作時通過控制器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制和對蓄電池充放電過程的管理, 以使系統(tǒng)在不同的工作狀態(tài)下均能穩(wěn)定可靠地工作。

　　系統(tǒng)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(lián)而成, 其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦(Wp) , 也可達(dá)數(shù)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(dǎo)體器件構(gòu)成, 其伏安特性具有強(qiáng)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(tǒng)的關(guān)鍵部分。一般是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成, 其容量的選擇應(yīng)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(chǎn)生的電能, 晚上把儲存的能量釋放出來,供負(fù)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(jì)算。

　　由于蓄電池對電壓的波動具有/ 緩沖0作用, 還可使得負(fù)載系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價格低等優(yōu)點(diǎn), 但若使用不當(dāng), 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(tǒng)運(yùn)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(jìn)行合理規(guī)劃和控制是光伏充電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。

　　( 3) 控制器?？刂破鞯淖饔檬菍μ柲茈姵?、蓄電池電壓、市電電源和LED 負(fù)載進(jìn)行總體監(jiān)控。為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓, 同時保護(hù)蓄電池, 避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。需要時完成太陽能電池和市電2 個電源之間的轉(zhuǎn)換, 保證LED 負(fù)載穩(wěn)定可靠的工作。

　　以處理器為核心的控制器結(jié)構(gòu)可以給系統(tǒng)帶來極大的可配置型, 增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

　　( 4) LED 照明光源。半導(dǎo)體LED 照明光源是系統(tǒng)的重要組成部分。LED 應(yīng)保證亮度高, 亮度輻射范圍大且均勻, 所使用的白光LED 數(shù)量少。控制器中的負(fù)載控制策略和LED 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)直接決定了系統(tǒng)的照明效果。因此, 需要根據(jù)LED 響應(yīng)速度快和低壓直流驅(qū)動等特性, 選擇合適的驅(qū)動方案及控制策略, 實(shí)現(xiàn)與蓄電池電壓的匹配, 以充分發(fā)揮LED 照明的優(yōu)點(diǎn)。

　　( 5) 市電電源。在出現(xiàn)陰雨天時, 蓄電池不能及時充電, 出現(xiàn)蓄電池電壓不足, 不能正常向負(fù)載供電時, 由開關(guān)電源將220 V 交流市電變換成低壓直流電, 供LED 負(fù)載使用?？刂破飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)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(tǒng)的核心部分, 系統(tǒng)工作過程通過它進(jìn)行管理和控制。系統(tǒng)通過控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)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(fù)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(fù)責(zé)根據(jù)程序指揮控制器中元器件實(shí)現(xiàn)控制器的上述功能。

　　在此設(shè)計(jì)的太陽能LED 照明控制系統(tǒng)供街道和住宅小區(qū)照明使用, 設(shè)計(jì)控制器中的處理器具有如下功能:

　　( 1) 支持5 V 直流系統(tǒng)工作電壓;

　　( 2) 可提供輸出接口, 控制狀態(tài)指示燈或顯示屏指示工作狀態(tài);

　　( 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(jì)時以提供深夜使半導(dǎo)體照明燈具亮度減半的功能;

　　( 7) 可接收一路A/ D 轉(zhuǎn)換器指示, 能檢測蓄電池的電壓, 對蓄電池的充、放電過程進(jìn)行控制, 并當(dāng)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(zhuǎn)換器指示, 能檢測太陽能電池的電壓, 自動轉(zhuǎn)換工作模式;

　　( 9) 可提供運(yùn)算指令以計(jì)算各輸入信號關(guān)系判斷系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)態(tài);

　　( 10) 可提供跳轉(zhuǎn)指令以使控制器在各狀態(tài)間切換;

　　( 11) 可暫存狀態(tài)標(biāo)志, 以供處理器智能判斷狀態(tài);

　　( 12) 低功耗設(shè)計(jì)以提高控制器在系統(tǒng)中的工作效率;

　　根據(jù)以上需求給出處理器的設(shè)計(jì)目標(biāo): 采用精簡指令集設(shè)計(jì); 采用流水線設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)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。