PBL模式下光伏照明节能控制的数模综合设计与实现

实验题目：太阳能路灯控制器

课程简要信息

课程名称：（电工电子实习）

课程学时： 64

项目学时：（课内）

适用专业：（电气工程）

学生年级：（大二、短学期）

实验内容与任务

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

内容：设计一个太阳能路灯控制器如图1（智能控制器）所示；

任务：

1. 在检测没有自然光（晚上）的情况下，LED灯以低亮度照明；

2. 当感应有人靠近、声音信号或开关触发的情况下，LED灯以高亮度照明一定时间；

3. 低亮度和高亮度的强度可以设定；

4. 光伏电池提供控制器电路所需的直流电源和LED的照明驱动，锂电池作为备用电源；

5. 给定光伏电池为5V，200mA，锂电池4800mwh，3.7V；

6. 由数字电路实现逻辑控制和亮度控制；

7. 数字控制部分可用FPGA完成，实验室提供 DE10-Lite开发板，板载FPGA 型号 Altera的 MAX10 10M50DAF484C7G。

实验过程及要求

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）查阅太阳能智能控制器相关文献，熟悉太阳能控制器的功能；

2）对实验任务进行深入剖析解读，采用”自顶而下”的设计方法，形成控制器结构框图，进行功能模块的粗分，例如：根据太阳能控制器的基本要求，可分成电源、测量、控制、驱动四大模块；

3）针对粗分模块需求，对电路和电子技术基础知识进行回顾和拓展，回顾晶体管放大电路、定时器电路，信号发生器电路的工作原理，回顾并拓展FPGA编程和设计的基本方法，进一步熟悉DE10-Lite开发板的使用；学习基本直流变换器工作原理，PWM控制原理等；

4）查阅直流变换器模块、声、光传感器模块，DE10-Lite开发板等参数手册，将顶层模块进一步细分成子模块，形成各子模块原理电路；

5）对各模块进行原理性仿真，进行电路结构和参数设计，完成器件或模块的选型；

6）完成系统电路，标明测试点，确定调试步骤；

7）搭建电路，采用“自下而上”的测试方法，观察并测试各子模块功能，直至实现整体功能，满足任务要求；

8）其中数字控制部分的功能可通过数字电路或者通过FPGA实现，FPGA的控制功能还可以扩展到PWM调光控制，在FPGA控制系统搭建之前，需要完成FPGA的编程设计和逻辑验证，并下载到开发板芯片内；

9）完成功能测试和验收，撰写设计总结报告。

相关知识及背景

项目涉及所需的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本项目是一个运用数字和模拟电子技术解决工程实际问题的综合性设计案例，需要运用传感器及检测技术、信号放大、信号发生、直流功率变换技术、可编程逻辑器件应用、VHDL编程技术、PWM控制技术等相关知识与技术方法，涉及集成电源模块，集成驱动模块等专用集成电路的应用，还将体会到电路排版布线过程中实现干扰抑制的工程手段与方法。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

表1 实验室提供的主要设备和元器件

教学目标与目的

如学习、运用知识、技术、方法等；培养、提升技能、能力、素质等。

本课程要求学生以一个相对完整的工程项目的设计和实现为目标，训练学生灵活运用电路原理和电子技术的有关知识，进行电子电路的综合性设计的能力。了解现代EDA技术在电子设计中的应用，通过从原理图的设计和仿真到具体电子系统的安装和调试，全面提高学生的实际动手能力、安装调试能力、科学实验能力等方面的综合素质。

教学设计与实施进程

课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。教学模式、实验渠道、研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题等方面设计等。实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，主要环节有：知识点回顾和拓展、方案论证、系统设计、电路搭建、硬件编程、调试测量、设计总结等过程。

课程实施时间为2019年暑期短学期，教学对象电气工程学院大二年级本科生，历时10天，参考教学日历如下：

Day1：

上午：理论课8:00～11：30

下午：仿真、逻辑电路设计

Day2

上午：理论课 8:00～11：30

下午：安装软件、布线

Day3

上午：领材料 8:00起

下午：电路搭建及调试

Day4～Day5

电路搭建及调试

Day6

上午： 调试（半程验收） 8:00起

下午：逻辑功能的PLD设计和DE10-Lite使用13:30～15:30

Day7～Day8

PWM和逻辑控制的VHDL实现8:30 ～17:00

Day9

验收和总结

Day10

提交书面总结及报告

在综合设计教与学的各个环节中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 关于该综合设计项目的背景知识的介绍：

太阳能路灯是新能源应用的一个经典范例，查阅太阳能应用领域的相关文献，了解光伏电池的物理模型，伏安特性，体会工程项目设计前期进行背景调研的重要意义。

2. 关于太阳能路灯控制器的功能分割：

在整体功能的基础上进行由粗到细的功能分割，体会并掌握“自顶而下”的工程项目设计方法。由太阳能路灯系统→太阳能路灯控制器→直流供电、传感器及测量模块、逻辑控制模块、驱动电路→各模块具体电路及参数设计，仿真。

3. 关于知识点的回顾和更新：

为了体现电子技术综合设计的实践教学目的，本设计方案的实现以数字电路和模拟电路为主，涉及到的知识点有单管放大电路，集成运放和比较器，逻辑电路设计，555电路，非正弦波发生器的设计等，同时在电源模块，充电电路，声、光传感器等的电路设计中又需要扩充新的知识点，在理论介绍中采取边回顾总结，边增补扩充知识点的方式，同时也推荐同学们自主查阅芯片资料手册。

4. 关于自主设计模块的功能实现方法：

教学设计中，将逻辑功能和放大电路两个部分设置成黑箱，仅提供关键元件和可选逻辑芯片，由同学们自行选择逻辑功能实现方案，进行结型场效应晶体管电路的参数设计，这两处设计是对数字电路和模拟电路的基本设计方法的回顾，也是将电子技术基础知识点与工程实际相结合的实例。

5. 拓展功能模块的分析和设计：

路灯亮度控制部分，采用经典PWM控制方案，实现方法可基于模拟方案，采用振荡电路和三角波发生电路实现。由于可编程逻辑器件和VHDL设计在数字电路实验课程教学中的普及，用FPGA实现脉宽调制的控制方案可作为模拟方案的替代方案，教学设计中，将逻辑电路部分、定时电路部分和PWM部分统一由FPGA实现作为拓展功能来要求。理论介绍时可安排一定时间，进行FPGA实现PWM控制的设计方法简介，但这部分设计安排在基本功能实现的基础上，要求学生自主设计，教师要重点讲解模块替换中的接口设计，供电设计等硬件匹配的要点。

6. 功能测试和验收：

功能测试的重点在多种环境条件下对路灯亮度控制的实现。调试应分模块进行，分别模拟白昼黑夜，有声无声，以及手动控制三种状况，观察路灯响应情况。功能验收以控制器反应灵敏，工作稳定干扰小，调光效果明显，逻辑控制正确为标准。此外，在验收过程中可针对功能模块的原理和元件参数进行提问，以了解同学对各单元模块的掌握情况。

7. 总结、交流和讨论：

在实验完成后，需要在第10天提交设计报告一份，此外，可以组织学生以陈述、答辩、座谈等形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在理论设计中，要注意系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在报告中，要注意各部分内容的完整性和报告的规范性。

实验原理及方案

实验的基本原理、设计依据、完成任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1． 基本原理：

太阳能路灯系统的电气部分由4大部分组成：太阳能电池板、太阳能路灯控制器、蓄电池和照明灯具，系统结构示意图如图1所示。当外界光照条件符合要求时。太阳能电池板接收太阳光照射将太阳能转化成电能，经过控制器给蓄电池充电，当光照条件变化，如黑夜或者自然照明条件差的情况下。路灯控制器将蓄电池存储的电能经过转换提供给照明灯具进行照明。

根据实验目的和任务要求，实验任务可进一步解读如下：

（1）太阳能路灯由光伏电池进行供电，光伏电池同时提供控制电源±5V，白天对锂电池进行充电，将电池电压3.7V升压至+5V，这部分电路可由充电电路、升压电路、电源转换电路完成；

（2）自然光检测电路决定是否提供照明，在检测没有自然光（晚上）的情况下，LED灯以低亮度照明，反之，LED灯灭；

（3）当感应有人靠近、声音信号或开关触发的情 图1 太阳能控制器系统结构示意图

况下，LED灯以高亮度照明一定时间，由人体感应、声

控、手动控制电路作为LED亮度控制来源；

（4）LED灯的亮度可通过PWM调制技术对脉冲宽度进行控制；

（5）LED灯的高亮度照明时间可通过定时电路进行控制；

（6）LED灯需要驱动电路才能点亮；

（7）逻辑电路部分、定时电路部分和PWM部分可由FPGA完成。

2．整体方案

控制器结构框图如图2，系统包含直流供电、传感器及测量模块、逻辑控制模块、驱动电路四个模块，各模块功能分别为：

图2 控制器结构框图

（1）直流供电：为测量和控制电路提供直流电源，由DC-DC转换器完成，共有光伏电池升压，负电压生成和蓄电池充电三个模块，同时还为LED提供驱动功率。

（2）传感器及其测量系统：为LED控制提供逻辑电平，由自然光检测，红外线检测，声音检测和手动控制模块构成，输出为多路逻辑电平，分别控制LED的点亮、熄灭和亮度控制 。

（3）逻辑控制：将多路逻辑电平转换成LED控制信号

PWM控制：脉冲宽度调制，控制LED亮度

（4）LED驱动：PWM控制信号经过功率放大才能驱动路灯照明

此外，逻辑控制和PWM控制部分可由FPGA实现

3. 模块设计

1）子模块一、传感器及其测量系统

i）红外线检测（图3）

图3 红外线检测电路

功能：红外传感器探测到信号时，P2口输出一定宽度的脉冲“1”，无人时维持“0”

涉及知识点：热释电红外传感器PIR及其典型应用电路。

ii）声控电路（图4）

图4 声控电路

功能：话筒有一定强度的声音信号输入时，P4口输出“0”，静止时输出“1”

涉及知识点：2SK117 场效应晶体管单管放大电路

iii）光控电路（图5）

图5 光控电路

功能：白天输出“0”

夜晚输出“1”

2）子模块二、PWM控制模块（图6）

图6 PWM控制模块

功能：将三角波与设定电平比较，产生脉冲宽度正比于参考电平的PWM信号，PWM脉冲宽度对应LED灯亮度。

涉及知识点：三角波方波发生器电路

3）子模块三、逻辑控制模块

i）单稳态触发器（图7）

图7 单稳态触发器电路

功能：产生一定时间的照明，其中输出脉宽期间，对应需要高亮度照明阶段；输出低电平期间，对应PWM输出时间。

涉及知识点：555单稳态触发器电路

ii）控制逻辑（图8）

图8 逻辑控制电路

各接口功能说明：

J3 声控 无声“1”，有声“0”

J4 热释电输出 有人“1”，无人 “0”

J8 光控输出 有光“0”，无光“1”

J9 手动 +5V启动 0V停止

J10 PWM输出 亮度调节

条件：红外、声音、手动触发555产生一定时间的照明

条件：

有光（J8=0）时，封锁照明；

无光（J8=1，黑夜）时，

O555=1，单稳输出期间，对应高亮度输出阶段 J6=1

O555=0，停止输出期间，亮度由PWM输出调节，维持低亮度，J6=J10

该部分为自主设计部分，可选器件：

74LS00 与非门

74LS32 或门

74LS04 反相器

74LS08 与门

涉及知识点：组合逻辑电路设计，以上参考方案可优化

4）子模块四：电源控制模块

基本功能：太阳能路灯由光伏电池进行供电，白天对电池充电，并通过电源转换模块提供直流供电，此外还需要给LED提供驱动

组成：光伏电池和DC-DC变换器

i）BQ21040 太阳能充电电路

ii）LM2735 升压电路

iii）TPS60401 +5V转-5V电路

iv）TPS6165 LED驱动电路

涉及技能，直流变换电路，专用集成电路应用

5）拓展功能：用VHDL设计FPGA逻辑功能，替代系统结构中的子模块二、三

涉及技能，开发板DE10-Lite的应用，VHDL编程

可编程器件实现功能包括：

i）PWM控制模块

ii）三角波发生器和比较器

iii）逻辑控制模块

与控制逻辑的电路连接（图9）：

图9 FPGA模块与控制电路的连接

4.实物电路

图10 参考成品电路

图11 通用电路板

图12 学生作品

图13 调试和验收现场

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），如：

实验报告需要反映以下工作：

1. 设计任务分析

2. 整体方案论证和选择

3. 理论分析和参数计算

4. 单元电路仿真分析

5. 电路设计与参数选择

6. 实验步骤及测试方法

7. 实验数据记录和测试点波形分析验证

8. 实验结果分析和结论

9. 实验过程的体会和建议

课程设计是基于独立实验项目的综合和深化，设计报告既要反映独立实验项目的基本工作，也要包括系统讨论和分析，体现电子系统综合设计的完整性和综合性，故此在形式上需加入封面设计并装订成册，内容上需包含题名，摘要，关键词，目录，正文，参考文献和附录等，附录可包含源程序代码，专用芯片手册、调试日记等可选内容。

图14 学生设计报告封面和目录

考核要求与方法

考核的节点、时间、标准及考核方法。

考核分理论设计（30%）、实物验收（40%）、总结报告（30%）三部分，可分为以下几个部分：

1. 自主创新：功能构思、方案的合理性，材料与元器件选择合理性，电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力；

2. 实物验收：功能完整性，可测量指标正确性以及是否在规定时间完成，有否功能拓展等；

3. 实验质量：

硬件部分包括电路，电路外观、焊接质量、组装工艺，电路运行的稳定性；

软件部分包括编程的有效、简洁、合理、层次化；

4. 仿真分析：子功能模块的功能验证完成度，与理论分析的符合程度。

5. 实验数据和测试波形：验证方案的有效性，设计的正确性，做到理论、仿真、实测结果相互印证。

6. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新

案例聚焦工程素养培育，用数模结合的方案实现了光伏照明节能控制器，再用方案迭代优化的过程展现了由基础知识向专业课程的过渡，有效搭建起理论知识和工程实践融汇的桥梁，以“引导”型实践过程让学生自主探索了一条通往专业领域的渐进提升式“路径”。