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為了促進(jìn)可再生能源的利用，加快建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，太陽能利用正逐步獲得人們的重視，太陽能路燈作為高科技節(jié)能產(chǎn)品正逐漸替代傳統(tǒng)路燈。針對(duì)太陽能路燈的特點(diǎn)，介紹了一種太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，即從機(jī)和主機(jī)之間通過RS485接口進(jìn)行連接，主機(jī)對(duì)各個(gè)從機(jī)的太陽能板、蓄電池和LED 燈頭的工作狀況和各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，主機(jī)通過MC39i模塊將檢測(cè)結(jié)果以短信或語音的形式傳送給監(jiān)控中心或相關(guān)技術(shù)工作人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能路燈的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。
主機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。太陽能電池板輸出經(jīng)CUK 電路調(diào)節(jié)后直接與蓄電池連接，系統(tǒng)主控芯片采用DSPIC30F3011單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)太陽能板電壓采集、蓄電池電壓采集、控制CUK 電路、控制LED 燈頭、主從機(jī)間485 通信、主機(jī)與監(jiān)控中心或工作人員間的連接等功能。
圖1 主機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制電路的主控芯片采用DSPIC30F3011 單片機(jī)，主要控制功能包括：太陽能板電壓采集；CUK 電路選通控制；蓄電池電壓采集；卸荷電路控制；LED 燈頭控制；RS485 通信；GSM模塊發(fā)送短信控制；路燈開關(guān)控制；工作模式控制等。主機(jī)原理圖如圖2、圖3 和圖4 所示，其中圖2 為主控芯片DSPIC30F3011 的原理圖。圖3 所示為電壓采樣電路和CUK 電路，由于太陽能板電壓和電池電壓都在0~35 V 變化，而單片機(jī)的A/D 輸入電壓范圍為0~5 V，所以對(duì)采樣電壓進(jìn)行分壓處理后傳送給單片機(jī)的A/D 轉(zhuǎn)換通道，CUK 電路用于調(diào)節(jié)太陽能板的最大輸出功率點(diǎn)，其選通開關(guān)通過單片機(jī)PWM3 輸出控制。
圖2 DSPIC30F3011 原理
圖3 電壓采樣電路和CUK 電路
圖為L(zhǎng)ED 燈頭控制電路和卸荷電路，單片機(jī)通過對(duì)太陽能板和蓄電池電壓監(jiān)測(cè)來控制LED 燈頭，通過PWM0 和PWM1分別來調(diào)節(jié)LED 燈的開關(guān)及亮度。當(dāng)蓄電池電壓高壓30 V時(shí)，單片機(jī)通過對(duì)PWM2 腳的控制啟動(dòng)卸荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的放電。
圖4 LED 燈頭控制電路和卸荷電路
通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體通信連接圖如圖5 所示，DSPIC30F3011 單片機(jī)具有雙串口，主機(jī)中的一路串口與從機(jī)進(jìn)行RS-485 通信，另一路串口用于控制GSM 模塊，即與MC39i 模塊進(jìn)行通信連接，控制MC39i 發(fā)送短信給監(jiān)控中心。
圖5 總體通信連接
由于太陽能路燈間距為幾十米，所以該系統(tǒng)中主從機(jī)間通過RS-485 通信連接，RS-485 的通信距離可以達(dá)到幾百米甚至上千米，最大傳輸速率為10 Mb/s，而且還可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信方式，從而可以建立起一個(gè)小范圍內(nèi)的局域網(wǎng)［3］。圖6 為DSPIC30F3011 單片機(jī)與MAX485 連接的硬件連接圖，DSPIC30F3011 與MAX485 之間通過6N136 進(jìn)行隔離，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。主、從機(jī)均留出串口與MAX485 連接，各個(gè)MAX485 芯片的A、B 和GND 管腳相互連接。主、從機(jī)不斷地對(duì)太陽能板電壓和蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生低電時(shí)從機(jī)將及時(shí)向主機(jī)傳送信息。
主機(jī)與監(jiān)控中心通信電路設(shè)計(jì)
基于GSM 通信技術(shù)的無線測(cè)控系統(tǒng)具有通用性好、地理覆蓋面廣、免調(diào)試維護(hù)、運(yùn)營費(fèi)用低和控制方式靈活等特點(diǎn)，因此主機(jī)和監(jiān)控中心間采用GSM 通信模塊進(jìn)行信息傳輸。DSPIC30F3011 單片機(jī)對(duì)太陽能板電壓和蓄電池電壓進(jìn)行采樣比較，當(dāng)采樣值低于設(shè)定值時(shí)發(fā)送短信“太陽能板電壓不足”或“蓄電池電壓不足”給監(jiān)控中心，單片機(jī)還可以對(duì)路燈工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常時(shí)，以短信形式傳送給監(jiān)控中心。
圖6 DSPIC30F3011 與MAX485 接線
GSM 模塊采用MC39i，MC39i 是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM 模塊，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM 卡讀卡器和天線。MC39i 的數(shù)據(jù)接口通過AT 命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率范圍為300 b/s~115 kb/s，支持Text 和PDU 格式的SMS可通過AT 命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。
MC39i 模塊有40 個(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF（Zero InsertionForce，零阻力插座）連接器引出。這40 個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。MC39i的第1~5 引腳是正電源輸入腳，第6~10 引腳是電源地，15 腳是啟動(dòng)腳IGT，系統(tǒng)加電后為使MC39i 進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT 加一個(gè)大于100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms。18 腳RXD、19 腳TXD 為TTL 的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC 通訊。MC39i 使用外接式SIM 卡，24~29 為SIM 卡引腳，MC39i 的第32 腳SYNC 引腳為控制腳，有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長(zhǎng)情況，另一種是指示MC39i 的工作狀態(tài)，可用AT 命令A(yù)T+SYNC 進(jìn)行切換，35~38 為語音接口［5］。MC39i 的電源輸入采用開關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941S。啟動(dòng)腳IGT 可以通過單片機(jī)軟件控制，也可通過按鍵控制其電位高低變化的控制，18 腳RXD、19 腳TXD 直接與DSPIC30F3011 單片機(jī)的異步串口RXD2 和TXD2 進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)MC39i 發(fā)送和接收指令的控制，24~29 引腳直接與SIM 卡的對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行連接，便于檢測(cè)SIM 卡是否插好，以及完成短信發(fā)送的功能，SYNC 腳可外接發(fā)光二極管用于檢測(cè)模塊是否處于工作狀態(tài)。
電子發(fā)燒友技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)：
目前的太陽能路燈控制系統(tǒng)都是獨(dú)立光伏控制系統(tǒng)，針對(duì)太陽能路燈的特點(diǎn)，介紹了一種太陽能路燈聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由六個(gè)部分組成：太陽能電池、蓄電池、LED 路燈、控制器、充電電路、放電/負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路。有任何電路設(shè)計(jì)相關(guān)問題，歡迎在評(píng)論處探討。
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