太阳能LED路灯设计.docx

太阳能LED路灯设计.docx

《太阳能LED路灯设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能LED路灯设计.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

太阳能LED路灯设计

仲恺农业工程学院

2010届本科毕业论文（设计）

论文题目：

太阳能路灯设计

学生姓名：

孔繁璋

所在院系：

机电学院

所学专业：

工业自动化

导师姓名：

沈向阳

完成时间：

2011年12月8日

摘要

本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用单片机STC12C2051和时钟芯片DS1302控制路灯照明时间，利用低功耗的数据存储器24C02存储路灯点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。

傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。

文中详细分析了控制器的电路组成和工作原理，简述了控制器的调试过程。

太阳能路灯由太阳能电池、蓄电池、高亮度LED,控制器等部件组成，减少噪声污染：

太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。

关键词：

太阳能电池；LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器

Solarstreetlampdesign

Abstract

Thisarticleisdesignedwithacontrolandlightcontrolwhenthecombinationofsolarstreetlampcontroller,STC12C2051useofsingle-chipcontrolandclockchipDS1302lawnlamplightingtime,theuseoflow-power24C02Thedatamemorystorageandextinguishstreetlampslitatalltimes,usingPhotoelectriccontrolofphotoperiod-sensitiveresistorstoachieve.Controllerautomaticallyswitchestheeveningstreetpower,fewerpedestrianslateatnighttimesetoutunderthestreetlights,themorninglightandthenautomaticallyconnectedtopowerstreetlightsautomaticallyturnoffafterdawn.Inthispaper,adetailedanalysisofthecontrollercircuitandworkingprincipleofthecontrollerontheprocessofdebugging.

Solarstreetlightsfromsolarcells,batteries,high-brightnessLED,controllerandothercomponentstoreducenoisepollution:

veryfewmovingpartssolarstreetlighting,littlenoise.

Keywords:

solarcell;LED;lead-acidbatteries;whenthecontrol;lightcontrolcircuit;charge-dischargecontroller

1引言

面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。

因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。

利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。

特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。

太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。

在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。

与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。

21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。

今后。

随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命[6]。

太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。

道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。

2方案论证

2.1设计要求

（1）电池板功率的计算和选用；

（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；

（3）连续阴雨天三天路灯仍能照明；

（4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；

（5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

2.2方案选择

太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。

国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。

为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。

随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。

感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作[1]。

采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。

优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。

缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。

定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。

电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。

近几年还出现将电子钟LED液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。

经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。

它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。

目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。

路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。

本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。

3系统总体框图

太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。

根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

系统总体方框图如图1所示。

由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。

4系统硬件设计

4.1电源电路

电源电路如图2所示。

系统太阳能供电，24V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。

电容C2、C3作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。

同样电容C1、C4为滤波电容。

图2电源电路

4.2太阳能电池板组件

在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。

太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。

（1）太阳能热发电：

将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：

一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。

有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。

由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。

（2）太阳能光发电：

不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。

目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。

其缺点：

间歇性。

受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。

迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。

近年来，产量迅速增加．生产成本开始下降[7]。

目前．光伏发电主要用于三大方面：

为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。

如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。

太阳能电池的基本特性

太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。

太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：

当日射S=l000W／m2；太阳能电池温度T=25℃；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。

太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。

在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量[9]。

太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用70W单晶硅太阳能电池组件。

4.3蓄电池

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。

蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。

一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。

目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。

需要时再把化学能转变为电能释放出来。

能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。

在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。

由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。

蓄电池也能够提供相对稳定的电能[12]。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。

在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：

白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。

因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。

但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。

首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。

其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。

大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。

本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。

但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。

4.4照明负载

LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。

按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。

发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。

半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。

白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光[8]。

由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。

超高亮白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。

超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5mA。

超高亮白光LED发光源具有如下优点：

（1）寿命长。

LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000h，荧光灯的寿命也不过5000h左右。

（2）效率高。

相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的10％～20％。

（3）绿色环保。

与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。

（4）耐低温。

环境使用温度在一40℃～80℃，环境适应性非常强[7]。

这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。

在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。

反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。

太阳能LED发光源：

在太阳能LED灯具中，发光源所用的LED数量，从1个到上千个不等，一定数量的LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。

即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。

在LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED的发光效率，并使得单位面积LED的数量少以降低成本。

本设计采用的单个高亮管的正常工作电压3.3V，共采用28个1W高亮管，每7个高亮管串联成一组，共四组并连在电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。

4.5蓄电池和太阳能板的选用

该电源给路灯供电,该路灯的工作电压为24V,工作电流约1.2A。

由于路灯一天要工作8个小时左右,考虑连续阴天3天情况下系统的供电,后备电源须具有24h的供电能力,且按80%的放电率计算,则蓄电池的容量如公式

（1）为:

Qx=（Tx×Is）=（24×1.2）/0.8=36（Ah）

（1）

式中:

Qx——蓄电池容量;

Tx——蓄电池放电时间;

Is——设备工作电流。

应选用24V/36Ah免维护蓄电池。

有日照时，要求太阳能板给蓄电池充电，每天有效充电时间8H,两天充满,则可计算出太阳能板输出的功率如式

（2）：

P=24Ic

=Vg〔Qx+Qs×（D-1）〕/（Tc×D）

=24Qx/Tc=24*（36+9.6）/16=68.4W

（2）

式中:

——蓄电池容量；

D——充满电需要的天数；

Qs——日耗蓄电池容量；

——设备工作电压；

——充电满电所用时间。

则太阳能板取24V/70W。

太阳能LED灯具的具体技术指标如表1所示：

表1太阳能LED灯具的主要性能指标

太阳能电池

70W，24V

LED发光源

28只LED、每只1W

工作温度

-40℃+80℃

过充保护电压

26V（25C）

过放保护电压

22V

蓄电池

24V,36Ah

照明时间

天黑后，光控自动启动电光转换功能，使路灯点亮；在深夜时控（时间点可调）自动使路灯熄灭；早晨时控（时间点可调）自动使路灯点亮；天亮后光控自动恢复到光电转换模式

阴雨天保证时间

保证连续3个阴雨天正常工作

4.6显示电路

本电路采用单片机串口显示，由74LS164作为数码管驱动电路，二极管D1、D2和D3起降压、保护数码管作用，数码管用四位，前两位显示小时内容，后两位显示分钟内容，电路图如图3。

STC12C2051单片机的串行口RXD，TXD

图3显示电路

为一个全双工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其数

据由RXD（P3.0）端串行输出或输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，

在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。

由于74LS164在低电平输出时允许通过的电流达8mA，故不必添加驱动电路，亮度也较理想。

4.7过充、过放控制电路

过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。

过充、过放控制都是为了保护蓄电池，

延长蓄电池的使用寿命。

过充、过放控制电路如图4。

过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：

过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于26V时，认为蓄电池处于过充状态，U1A“-”端电压高于“+”端电压时U1A输出“-”，低电平，使Q1截止，同时Q2导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。

过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。

在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于22V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U1B“+”端电压低于其“-”端电压时，U1B输出“-”低电平，使Q3截止，同时Q4导通，继电器线圈J2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮停止向负载供电。

达到过放保护功能。

4.8DS1302的结构及工作原理

在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时，定时器定时，但其缺点是计时有误差，需要隔一段时间校正一次；另一种就硬件计时，现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。

这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用[17]。

在设计中采用是硬件定时，时钟芯片DS1302。

DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

采用普通32.768kHz晶振。

表2DS1302的管脚介绍

管脚名称

功能

X1、X2

32.768kHz晶振引脚

RST

复位

I/O

数据输入/输出

SCLK

写保护

VCC1、VCC2

电源引脚

GND

地

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

图51302与单片机连接图

表2为DS1302引脚功能,图5为与单片机的连接图,其中Vcc1为主电源，

VCC2为后备电源。

在一般情况下，由主电源供电，同时主电源向备用电源充电，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

图中SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

4.9存储器AT24C02简介

存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源端口。

其与单片机的连接如图6所示：

图624C02与单片机连接图

表324C02的管脚介绍

AT24C02在本设计中的作用是掉电存储器，是为了防止电源突然断开的时候，用户的信息不会丢失，存储当前设定的信息。

AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。

电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA（5.5V），芯片内的资料可以在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

管脚名称

功能

A0、A1、A2

器件地址选择

SDA

串行数据/地址

SCL

串行时钟

WP

写保护

VCC

+1.8V～6.0V工作电压

GND

地

图中R18、R19为上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗。

每当设定一次信息，系统就自动调用存储程序，将信息保存在芯片内；当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的信息，读到缓存单元中，供主程序使用。

5系统软件设计

系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。