技术领域
[0001] 本
发明涉及
电子信息技术领域，尤其涉及一种基于超电容太阳能双回路可穿透雾与霾的路灯系统。
背景技术
[0002] 现有的LED路灯系统绝大部分不具备同时调节灯光
亮度与
色温的功能，在雾、霾等恶劣天气下，使路灯发出的灯光穿透性差，难以满足不同天气状况对灯光的需求。
[0003] 现有的LED路灯大部分色温在5000K左右，这样的色温炫目感强，从而导致人的视觉会过分疲劳。而目前系统绝大部分不具备同时调节灯
光亮度与色温的功能，在雾、霾等恶劣天气下，使路灯发出的灯光穿透性差，难以满足不同天气状况对灯光的需求。大多数太阳能LED路灯系统匹配的
蓄电池，一般为胶体电池或者
锂离子电池。而LED
光源的寿命一般可以达到十年，胶体电池或者锂离子电池的寿命一般为3-5年，导致各部分子系统的寿命不匹配。
[0004] 大部分路灯系统控制还停留在手动、光控、时控等方式，受季节、天气和人为因素影响很大。而且实时性差，在遇到突发情况时，不能及时对
LED灯进行调光控制，处理故障的效率非常低下。传统LED采用220V交流电的供电方式，耗电量大。太阳能供电具有更长远的经济效益，但太阳能受天气因素制约较大，难以满足负载供电要求。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于超电容太阳能双回路可穿透雾与霾的路灯系统。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于超电容太阳能双回路可穿透雾与霾的路灯系统，其包括主控器以及与主控器连接的太阳能超电容充电系统、市电供电模
块、环境
传感器组和LED驱动
电路，
环境传感器组探测环境状态，太阳能超电容充电系统将太阳能转化为
电能并蓄能供电，太阳能超电容充电系统和市电供电模块分别连接LED驱动电路，LED驱动电路连接LED灯组，LED灯组连接有灯
电流检测电路，灯电流检测电路的输出端连接主控器，主控器用于切换供电方法和基于环境状态生成PWM波输出，LED灯组包括两种以上不同色温的LED灯珠排列组合，LED驱动电路基于PWM波驱动分别驱动LED灯珠，使得LED灯组工作于不同的色温状态。
[0008] 进一步地，太阳能超电容充电系统包括太阳能光伏电池板、超级电容器组储能装置、
电压采样电路、电流采样电路和DC-DC电路，太阳能光伏电池板接入DC-DC电路的输入端，DC-DC电路的输出端连接超级电容器组储能装置，电压采样电路和电流采样电路采样DC-DC电路的输入电压、
输出电压和输出电流，DC-DC电路由一主控器控制工作，
太阳能电池板用于吸收太阳能，DC-DC电路用于
跟踪太阳能光伏电池板的最大功率点并控制太阳能光伏电池板以最大功率对超级电容器组储能装置充电，超级电容器组储能装置用于LED灯组的日常供电，
[0009] 进一步地，DC-DC电路包括场效应管Q、可调
电阻RW1、可调电阻RW2、电阻R1、有源电容C1、有源电容C2、
二极管D1和电感L1，
太阳能电池板的一端分别连接可调电阻RW1的一端、有源电容C1的正极和场效应管Q的漏极，太阳能电池板的另一端、可调电阻RW1的另一端及调节端、有源电容C1的负极和电阻R1的一端分别接地，场效应管Q的栅极连接一PWM触发端口的一
接口，PWM触发端口的另一接口接地，场效应管Q的源极分别连接二极管D1的
阴极和电感L1的一端，二极管D1的
阳极接地，电感L1的另一端分别连接有源电容C2的正极、可调电阻RW2的一端和DC-DC电路输出端的一接口，有源电容C2的负极接地，电阻R1的另一端和可调电阻RW2的另一端分别连接AD转换器输入
信号端的一接口，转换器
输入信号端的另一接口接地，可调电阻RW2的调节端和DC-DC电路输出端的另一接口接地。
[0010] 进一步地，DC-DC电路通过MPPT
算法根据环境状态的变化控制和改变太阳能电池板的输出电压或电流以追踪太阳能电池板的最大功率点；
[0011] 进一步地，MPPT算法通过比较当前输出功率和前一时刻输出功率，保留较大值；通过调节占空比，重复以上步骤以逐渐接近最大功率点，并最终稳定在最大功率点处；其具体步骤为：
[0012] 步骤1，获取太阳能电池板的输入电压、输出电压和输出电流，
[0013] 步骤2，计算当前输出功率、功率变化量、占空比和空比变化量，进而计算功率和占空比的变化率，
[0014] 步骤3，判断功率和占空比的变化率是否等于0：
[0015] 当功率和占空比的变化率等于0时，则当前输出功率为最大功率点，并执行步骤1；
[0016] 当功率和占空比的变化率大于0时，则往原方向扰动并执行步骤4；
[0017] 当功率和占空比的变化率小于0时，则往相反方向扰动并执行步骤4；
[0018] 步骤4，判断功率变化量的绝对值是否大于
精度e；是则，扰动步长增加1；否则，扰动步长减小1；
[0019] 步骤5，基于更新后的扰动步长计算得到新的占空比，并执行步骤1；
[0020] 进一步地，超级电容器组储能装置通过一电压转换电路分别为LED驱动电路和主控器供电。
[0021] 进一步地，：环境传感器组包括PM2.5传感器、光度传感器和温
湿度传感器，当环境传感器组探测的湿度或PM2.5的值大于设定值时，主控器调整输出的PWM波分别调整白光和红光的脉冲时间，使得白光和红光混合后的色温达到
高压钠灯光谱的2800K。
[0022] 进一步地，LED灯组包括白光LED灯和红光LED灯，主控器的分别控制白光LED灯和红光LED灯的PWM波的脉冲时间控制对应LED灯的点亮时间以调节LED灯组的色温与亮度，白光LED灯的色温为6000K，红光LED灯的色温为800K。
[0023] 进一步地，主控器通过探测超级电容器组储能装置的电量，并在超级电容器组储能装置的电量不能维持系统工作时切换为市电供电；否则，由超级电容器组储能装置供电。
[0024] 进一步地，主控器采用传统PID算法对PWM波进行控制。
[0025] 本发明采用以上技术方案，太阳能电池板白天吸收太阳能通过MPPT算法追踪太阳能电池板的最大功率点给超级法拉电容器充电。主控器(STM32主控器)通过AD转换检测和读取电容器端电压及外界PM2.5、温湿度的数据，从而在湿度较大的雾天或PM2.5较大的霾天调控主控器产生的PWM波占空比。将调控后的PWM波传至调光电路以达到调光、按需调色温的功能。当连续阴雨天气时，电容器储蓄电量不足，主控器将供电方式切换成市电，以提高整个系统的可靠性和
稳定性。
附图说明
[0026] 以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
[0027] 图1为本发明一种基于超电容太阳能双回路可穿透雾与霾的路灯系统的系统结构示意图；
[0028] 图2为本发明的太阳能超电容充电系统结构示意图；
[0029] 图3为本发明的DC-DC电路结构示意图；
[0030] 图4为本发明的MPPT算法流程示意图；
[0031] 图5为本发明的电路采样程序；
[0032] 图6为本发明的LED灯组供电示意图；
[0033] 图7为本发明的调光电路示意图；
[0034] 图8为本发明的调光流程示意图；
[0035] 图9为本发明的双路供电切换示意图；
[0036] 图10为本发明的LED灯组的驱动流程示意图；
[0037] 图11为本发明的PID控制算法流程示意图；
[0038] 图12为本发明的普通白光LED灯组的光谱图；
[0039] 图13为本发明的可穿透雾霾LED灯组光谱图。
具体实施方式
[0040] 如图1-13之一所示，本发明公开了一种基于超电容太阳能双回路可穿透雾与霾的路灯系统，其包括主控器以及与主控器连接的太阳能超电容充电系统、市电供电模块、环境传感器组和LED驱动电路，环境传感器组探测环境状态，太阳能超电容充电系统将太阳能转化为电能并蓄能供电，太阳能超电容充电系统和市电供电模块分别连接LED驱动电路，LED驱动电路连接LED灯组，LED灯组连接有灯电流检测电路，灯电流检测电路的输出端连接主控器，主控器用于切换供电方法和基于环境状态生成PWM波输出，LED灯组包括两种以上不同色温的LED灯珠排列组合，LED驱动电路基于PWM波驱动分别驱动LED灯珠，使得LED灯组工作于不同的色温状态。
[0041] 如图1所示，太阳能超电容充电系统的太阳能电池板白天吸收太阳能通过MPPT算法追踪太阳能电池板的最大功率点给超级法拉电容器充电。主控器通过AD转换检测和读取电容器端电压及外界PM2.5、温湿度的数据，从而调控主控器产生的PWM波占空比。将调控后的PWM波传至驱动电路的以达到自动调光、自动按需调色温的功能。当连续阴雨天气时，电容器储蓄电量不足，主控器将供电方式切换成市电，以提高整个系统的可靠性和稳定性。
[0042] 进一步地，如图2所示，太阳能超电容充电系统包括太阳能光伏电池板、超级电容器组储能装置、电压采样电路、电流采样电路和DC-DC电路，太阳能光伏电池板接入DC-DC电路的输入端，DC-DC电路的输出端连接超级电容器组储能装置，电压采样电路和电流采样电路采样DC-DC电路的输入电压、输出电压和输出电流，DC-DC电路由一主控器控制工作，太阳能电池板用于吸收太阳能，DC-DC电路用于跟踪太阳能光伏电池板的最大功率点并控制太阳能光伏电池板以最大功率对超级电容器组储能装置充电，超级电容器组储能装置用于LED灯组的日常供电，
[0043] 本发明由主控器对
光伏发电系统进行充电控制，DC-DC回路输入端接入太阳能电池板，输出端接超级电容器组储能装置，通过DC-DC电路的各个端口可以采集和计算出所需要的电压和电流数据进行
最大功率点跟踪。利用MPPT算法实现太阳能电池板在变化的外界环境下(如光度和
温度)条件寻找最大功率点，使太阳能得到充分利用，合理高效地对超级电容器进行充电。
[0044] 本发明采用STM32系列
单片机作为最小系统运作，主控器的型号为STM32F103RCT6的开发板，是一款基于ARM Cortex-M
内核STM32系列的32位的主控器(Micro Control Unit主控器)，具有256K片上闪存以及一系列丰富的外设接口，工作
频率为72MHz，内部包含高速
存储器。
[0045] 进一步地，如图3所示，DC-DC电路包括场效应管Q、可调电阻RW1、可调电阻RW2、电阻R1、有源电容C1、有源电容C2、二极管D1和电感L1，太阳能电池板的一端分别连接可调电阻RW1的一端、有源电容C1的正极和场效应管Q的漏极，太阳能电池板的另一端、可调电阻RW1的另一端及调节端、有源电容C1的负极和电阻R1的一端分别接地，场效应管Q的栅极连接一PWM触发端口的一接口，PWM触发端口的另一接口接地，场效应管Q的源极分别连接二极管D1的阴极和电感L1的一端，二极管D1的阳极接地，电感L1的另一端分别连接有源电容C2的正极、可调电阻RW2的一端和DC-DC电路输出端的一接口，有源电容C2的负极接地，电阻R1的另一端和可调电阻RW2的另一端分别连接AD转换器输入信号端的一接口，转换器输入信号端的另一接口接地，可调电阻RW2的调节端和DC-DC电路输出端的另一接口接地。具体的，P1为太阳能电池板的输入端口，通过P2调节可变电阻RW1获取采样电路的输入电压Vin，P3是AD转换器输入信号的端口，通过计算可获得电路的输出电流Iout，通过P4调节可变电阻RW2得到输出电压Vout，P5是PWM触发端口，通过单片机调节占空比，P6是输出端口，连接超级电容器进行充电。通过上面原理图中的各个端口，可以测出所需要的电压和电流数据从而进行最大功率点跟踪。
[0046] Buck型DC-DC电路，该电路能够对储能装置进行充电控制以及跟踪光伏电池的最大功率点，既可做为充电电路、直流
电动机传动系统、
开关电源和带PWM控制电路，也能方便检测充电状态和控制驱动电流。
[0047] 下表是DC-DC电路中各种元器件的相关参数如表1：
[0048] 表1元器件型号及参数
[0049]元件名称 型号(参数)
肖特基二极管 SR550IMC(3A/60V)
裸体电感 220uH(3A)
电容 470uf(50V)
陶瓷电阻 0.02Ω(5W)
可调电阻 100KΩ
场效应管 IRF540N(100V/33A/44mΩ)
[0050]
光伏发电系统中的太阳能电池板是一个非常不稳定的电源，其输出特性受外部环境(如光强、温度)以及自身参数(输出阻抗)的影响，太阳能电池的输出功率随着温度的增加而降低，随着光照强度的增加而增加，不能一直保持在最大功率输出状态工作。为了使得光伏系统在任何环境下始终运行在最大功率点、实现输出功率最大化，所以对光伏阵列进行最大功率点跟踪是很有必要的。
[0051] 最大功率点跟踪技术是指当外部环境条件发生变化时，可以通过控制和改变光伏阵列的输出电压或电流，使光伏系统始终处于最大功率点，系统能够实时输出最大功率。最大功率点跟踪算法是一个自动追踪的过程，如果当前光伏电池的光电转换效率相对较低，对太阳能电池的功率输出进行最大功率点跟踪，通过控制电流或电压找到阵列输出最大功率时对应的电压值，MPPT控制光伏阵列尽可能产生最大功率，使光伏系统自动输出最大功率。
[0052] 进一步地，DC-DC电路通过MPPT算法根据环境状态的变化控制和改变太阳能电池板的输出电压或电流以追踪太阳能电池板的最大功率点；
[0053] 进一步地，MPPT算法通过比较当前输出功率和前一时刻输出功率，保留较大值；通过调节占空比，重复以上步骤以逐渐接近最大功率点，并最终稳定在最大功率点处；如图4所示，其具体步骤为：
[0054] 步骤1，获取太阳能电池板的输入电压、输出电压和输出电流，
[0055] 步骤2，计算当前输出功率、功率变化量、占空比和空比变化量，进而计算功率和占空比的变化率，
[0056] 步骤3，判断功率和占空比的变化率是否等于0：
[0057] 当功率和占空比的变化率等于0时，则当前输出功率为最大功率点，并执行步骤1；
[0058] 当功率和占空比的变化率大于0时，则往原方向扰动并执行步骤4；
[0059] 当功率和占空比的变化率小于0时，则往相反方向扰动并执行步骤4；
[0060] 步骤4，判断功率变化量的绝对值是否大于精度e；是则，扰动步长增加1；否则，扰动步长减小1；
[0061] 步骤5，基于更新后的扰动步长计算得到新的占空比，并执行步骤1；
[0062] 具体地，系统初始化，检测太阳能电池板的输入电压Iin、输出电压Vout和输出电流Iout，并根据
[0063] P＝U·I (2-1)
[0064] 计算输出功率Pout和功率变化量dP。根据
[0065]
[0066] 计算占空比D以及占空比变化量dD。计算功率和占空比的变化率dP/dD，判断是否等于0，如果等于0，则该点为最大功率点(MPP)，否则继续追踪最大功率点。如果dP/dD大于0，说明该点位于最大功率点的左侧，还需要继续往原方向扰动。再接着判断dP与精度e的大小，确定扰动步长。如果dP大于e，则扰动步长增大；如果dP小于e，则扰动步长减小。如果dP/dD小于0，说明该点位于最大功率点的右侧，则需要往相反方向扰动。再接着判断dP与精度-e的大小，确定扰动步长。如果dP大于-e，则减小扰动步长；如果dP小于-e，则增加扰动步长。
通过循环上述过程可以找到最大功率点，提高系统的抗干扰能
力和运行效率。
[0067] 可变步长计算公式如下：
[0068] Vout＝D·Vin (2-3)
[0069] Vout是采样电路输出电压，Vin是输入电压，D是电路的占空比。如果不考虑电路中的功耗损失，由功率守恒定律可得到：
[0070] Pout＝Pin (2-4)
[0071] 即：
[0072] Vout·Iout＝Vin·Iin (2-5)
[0073] 由于占空比的计算公式为式3-8所示，此次可得：
[0074] D·Iout＝Iin (2-6)
[0075] 由此可推出：
[0076]
[0077] 以上公式表明如果输出电阻Rout为常数，则占空比D与输入电阻Rin成反比，所以只需改变电路的占空比D，使得输入电阻和光伏电池板的内阻相匹配，就能够找到最大功率点。通
过采样电路获得输出电压V(k)和输出电流I(k),计算得到输出功率P(k)。
[0078] 同理可得下一时刻的输出电压V(k+1)、电流I(k+1)和功率P(k+1)。因此可得步长计算公式：
[0079]
[0080] N为缩放因子。即：
[0081]
[0082] DC-DC电路的充电工作流程为：主控器上电，开始进行数据初始化，主控器处于检测状态，再给PWM控制输出模块和LCD显示模块上电，模块初始化完成，进入正常工作循环；太阳能光伏系统给整个DC-DC电路供电，主控器用ADC采样程序读取电路中的电压数据和电流数据，自动传输至主控器，系统会根据接收到的数据启动MPPT算法程序，将处理完毕的数据利用PWM输出控
制模块反馈到电路中；主控器将计算结果显示在LCD屏幕上，如果系统判断当前工作点还不是最大功率点，主控器将重新采集数据并不断检测，直到找到最大功率点。
[0083] 如图5所示为电路采样程序，adcx＝Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10)函数用来设置
指定ADC的序列、规则组通道和采样时间。由于主控器的晶振频率为72MHz，基准电压为3.3V，所以12位AD对应的最大
数字量为4096，所以Vin＝(float)adcx*(3.3/4096)。输出电流Iout无法直接用ADC程序采集，需要通过中间变量temp计算得到输出电流。
[0084] 本发明使用可变步长爬山法，测试接入电路后的充电情况，测试结果为下午1点时的太阳能光伏板最大功率点的输出电压和电流以及功率，测试数据见表2。
[0085] 表2 MPPT算法测试结果
[0086]时间(min) 1 2 3 4 5 6 7
输出电压(V) 2.993 2.284 2.124 2.968 3.155 2.960 2.466
输出电流(A) 13.112 9.072 10.268 13.314 13.612 11.275 9.426
输出功率(W) 39.244 20.720 21.809 39.516 42.945 33.374 23.245
[0087] 进一步地，如图6所示，超级电容器组储能装置通过一电压转换电路分别为LED驱动电路和主控器供电。
[0088] LED灯组、控制系统的供电电压和超级电容的输出电压是不一样的，必须接入电压变换电路适配它们各部分电压。
[0089] 灯电流检测信号要送入主控器进行A/D转换，使信号转化为
数字信号，由控制算法PID对信号进行实时处理并得到控制量，通过主控器自带
定时器动态调整内部PWM模块更改PWM输出方波的占空比，通过外围电路驱动开关器件实现亮度改变，最终实现整个电路的闭环反馈控制。能够控制灯的亮暗，如图7所示，本发明的带有MOS管的LED驱动电路。本发明主控器输出的PWM信号，对MOS管进行控制，调节占空比，改变LED亮度。
[0090] 进一步地，：环境传感器组包括PM2.5传感器、光度传感器和温湿度传感器，如图8所示，当环境传感器组探测的湿度或PM2.5的值大于设定值时，主控器调整输出的PWM波分别调整白光和红光的脉冲时间，使得白光和红光混合后的色温达到高压钠灯光谱的2800K。
[0091] 进一步地，LED灯组包括白光LED灯和红光LED灯，主控器的分别控制白光LED灯和红光LED灯的PWM波的脉冲时间控制对应LED灯的点亮时间以调节LED灯组的色温与亮度，白光LED灯的色温为6000K，红光LED灯的色温为800K。
[0092] 进一步地，如图9所示，本发明将太阳能和市电两种供电方式相结合，主控器在每次亮灯前通过AD转换检测探测超级电容器组储能装置的电量，并在超级电容器组储能装置的电量不能维持系统工作时切换为市电供电；否则，由超级电容器组储能装置供电。
[0093] 进一步地，如图10所示，本发明的LED灯组驱动流程，通过采样通道采样LED灯两端的电流并由反馈通道中的传感器对此值进行检测。当系统接收到检测数据后，用PID算法对数据进行处理，也就是与定值进行对比，得到偏差值，
控制器按照预定的算法规则操作得到一个偏差趋近于0的新数据。最后系统就会以存储器中新接收到的数据运行。通过STM32单片机传送PWM数据，传送控制指令来操控LED灯组。
[0094] 主控器采用传统PID算法对PWM波进行控制。选择PID控制器的的原因就是它具有原理简单，稳定性好，易于实现，运行可用范围广、控制参数独立、参数选择简单等优点。本发明们使用的是周期式采样，观察输入、输出的状态。所以此系统是离散的，用差分方程来表示PID控制。其表达式如下：
[0095]
[0096] 其中u(n)是采样周期为N时的输出，en是N采样周期的数值偏差，N是采样周期。增量式和
位置式是两种常见的PID算法。位置式PID是与过去状态相关的，在计算式要每一次的误差进行累计，计算量很大，所以采用增量式PID，计算PWM输出增加或减少多少。增量式PID的表达式如下所示：
[0097]
[0098] 比例系数Kp的作用在于加快系统响应速度，提高系统的调节精度，设计中Kp＝20；积分时间常数Ki可以影响积分部分消除系统偏差，设计中Ki＝0.1；微分时间常数Kd决定
闭环系统的稳定性和动态响应速度，设计中Kd＝0.2。单片机根据检测到的电压大小，采用PID控制输出PWM
波形来控制
调节管，改变当中的输出脉冲占空比，使LED两端电压保持一种稳定的状态。
[0099] 本发明为了应对雾与霾对交
通带来的不利影响，通过传感器检测空气状况，再由主控器自动调控亮度和色温(以6000K白光为主，800K红光为辅，通过
人工智能调控红光、白光的亮度,让色温达到类似高压钠灯光谱的2800K)。由于环境污染，部分地区出现雾霾现象，而LED路灯均以白光为主，穿透力较差，容易引起交通事故，所以针对这种现象开展了对路灯光照模式转换的研究。本发明的路灯系统可根据不同的天气而调换色温，平时工作于白光模式，如图12所示为本发明的普通白光LED灯组的光谱图。
[0100] 如果出现雨天、雾霾天等可视度不高的情况则会自动转换相应的工作模式。如图13所示的可穿透雾霾LED灯组光谱图，系统自动将光线调至色温达到类似高压钠灯光谱的
2800K，能较好地穿透雾与霾，能够避免因极端天气而引发的交通安全事故。并采用以超电容做为
能量载体的太阳能充电以及市电供电的双回路系统。
[0101] 本发明基于多光源组合的多色温LED智能控制方法，其方法是将两种或两种以上不同色温的LED灯珠排列组合，组成LED光源灯组。通过路灯上的传感器检测环境从而使STM32的PWM端口控制不同色温LED灯珠亮灯的脉冲时间,从而调节色温与亮度，使LED路灯的控制不受距离、地域、
气候差别的限制，即使在雾与霾天气中，也依然可以实现最优的照明。
[0102] 本发明用第三代
半导体功率器件结合PID算法代替传统
硅基器件对电源驱动进一步优化，改善电源温度高、体积大、效率低、损耗大的问题。使用半导体技术来提高开关频率，从而提升电源效率、减小电源的体积、提升电能的利用率。开关频率的提高，不仅能有效减小系统电路中电容、电感及
变压器的尺寸，还可抑制干扰、减小纹波来改善电源系统，提高其动态响应性能。
