基于单片机的太阳能路灯控制系统设计毕业论文.doc
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吉林工程技术师范学院
信息工程学院
学士学位论文
基于单片机的太阳能路灯控制系统设计
基于单片机的太阳能路灯控制系统设计
TheDesignofSolarstreetlampControlsystemBasedonMCU
学生姓名：
张建木班级：
D0745
指导教师：
吉李满职称：
副教授
专业名称：
电子信息工程
答辩时间:
答辩委员会主席：
毕业设计（论文）评阅人：
2011年6月
吉林工程技术师范学院毕业论文
摘要
随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术。
太阳能作为一种清洁的优秀的可再生能源，已成为最有价值的新能源。
而在照明领域，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的LED固态照明也已被公认为一种节能环保的重要途径。
本文研究的路灯同时整合了这两者的优势，利用清洁能源以及高效率的LED实现绿色照明。
太阳能LED路灯是一种结合太阳能光伏发电技术与LED技术的新型路灯。
系统通过蓄电池将太阳电池组件产生的电能储存起来供负载在夜晚照明使用。
基于单片机控制的太阳能路灯具有很多优点：
安全可靠，维护方便；不需要常规能源，不污染环境；安装方便，自动控制。
从而不仅节约了电能，而且避免了由于四季昼夜长短不一，需要调整电路系统的麻烦，使路灯更为人性化。
关键词：
光伏发电，蓄电池，发光二极管
II
摘要
ABSTRACT
Withthedeepeningofthesustainabledevelopment,peopleareactiveinthedevelopmentofallkindsofrenewableenergy,whilealsoadvocatinggreenenvironmentaltechnologyofenergysavingandreducingemission.Solarenergyasakindofcleanexcellentrenewableenergyhasbecomethemostvaluablenewenergy.Whileinthelightingarea,longlife,energysaving,safety,greenenvironmentalprotection,richcolors,miniaturizationoflightemittingdiode（LED）solid-statelightinghasbeenconsideredasoneoftheimportantwaysofsavingenergyandenvironmentalprotection.Thestreetlampinthispapersimultaneouslyintegratesboththeadvantages;utilizecleanenergyandhighefficientLEDtorealizegreenlighting.
SolarLEDlampisonenewtypeofstreetlampbyunitingsolarphoto-voltaic（PV）powergenerationtechnologyandLEDtechnology.Thesystemstoreselectricalenergyviabattery,generatedbycomponentsofsolarcells,tosupplynightilluminationofstreetlamps.SolarstreetlampsbasedonMCUcontrolhavemanyadvantages:
safety,reliability,easytomaintain;energysaving,withoutpollutiontoenvironment;easyinstallation,automaticcontrol.Consequently,notonlysaveelectricalenergybutalsoavoidthetroublestoneedadjustingthecircuitsystemduetothedifferentday-and-night’slengthsinthefourseasons,tomakethestreetlampmoreuser-friendly.
KeyWords:
PV,Battery,LED
目录
目录
第一章绪论 1
1.1概述 1
1.2太阳能路灯的优势 2
1.3太阳能路灯的应用现状 3
1.4本论文研究的主要内容 5
第二章系统方案论证及选择 6
2.1方案比较与论证 6
2.1.1太阳能电池板的选择 6
2.1.2蓄电池的选择 6
2.1.3照明灯具的选择 8
2.1.4控制器芯片的选择 9
2.2方案的配置与计算 11
2.2.1路灯设计所需的数据 11
2.2.3路灯设计参数的确定 12
第三章系统设计的理论分析 14
3.1系统基本介绍 14
3.2太阳能路灯系统设计总体分析 15
3.3太阳能光伏发电的理论 15
3.4控制器设计的理论基础 17
3.5蓄电池的充放电原理 18
3.6蓄电池充电技术研究 20
3.6.1恒流充电 20
3.6.2恒压充电 21
3.6.3恒压限流充电 22
3.6.4两阶段、三阶段充电 22
3.6.5快速充电 23
3.6.6智能充电 24
3.7LED的发光及驱动原理 25
3.7.1发光原理 25
3.7.2驱动原理 27
第四章系统的硬件设计 29
4.1系统电路框图 29
4.2硬件设计的原理流程图 30
4.3电源电路设计 31
4.4LED指示电路 31
4.5光控电路 32
4.6LED驱动电路设计 33
4.7涓流充电电路 35
4.8过充、过放控制电路 35
4.9单片机外围电路设计 37
4.9.1复位模块电路设计 37
4.9.2晶振电路 37
4.9.3按键开关电路 38
4.9.4显示模块电路设计 38
第五章系统的软件设计 40
5.1系统软件框图 40
5.2计时程序设计 41
5.3中断程序设计 43
第六章系统调试 44
6.1软件调试 44
6.2硬件及总体电路调试 44
6.3系统改进方案 45
第七章总结与展望 46
附录1 47
附录2 48
参考文献 I
致谢 I
III
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前言
城市照明是一门科学、一种文化、一项艺术。
城市照明体现了一个城市的形象，反映了一个城市的科学管理，是一项社会系统工程。
太阳能LED灯具以其优越的节能效果、人文的光源照明控制，倍受客户青睐，其性价比与工频交流电灯具基本持平，且具有不破坏环境、不消耗不可再生能源的特点，易于客户接受，所以只要光源充足的地方就有太阳能LED灯具开发应用的市场。
太阳能LED照明是未来照明的方向，其最大的特点：
环保、节能、发光效率高，因此使它将会逐步取代传统光源。
更值得一提的是，LED发光效率是以每十年提高十倍的速度来提高，成本也将逐年下降。
1.系统技术指标：
（1）太阳能板：
18V，110Wp
（2）输出电压：
12V
（3）输出电流：
恒流
（4）灯具：
6支1W大功率白光LED
（5）控制器：
光控，时控，防止蓄电池过度充放电
（6）阴雨天连续工作时间：
7天
2.系统用途：
（1）安装在公园、小区等小路两旁当路灯使用。
（2）安装在交通路段、港口等作为指示灯，保证交通航海的安全有序。
（3）安装在繁华闹区或旅游景区作为装饰照明，营造气氛。
（4）应用于果园，种植园，草坪等场所，既可以照明又可以杀虫。
I
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第一章绪论
1.1概述
跨入21世纪后，人类面临着实现经济和能源可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。
而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。
主要表现为以下几个方面：
（1）能源短缺。
常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。
从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。
因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。
（2）环境污染。
燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。
（3）温室效应。
化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。
太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。
随着科学和技术的迅速发展，世界能源危机的日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。
同时，以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染，再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。
为贯彻落实科学
61
第一章绪论
发展观，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济与人口、资源、环境相互协调发展的要求。
因而，可再生、无污染的太阳能利用在世界各国崛起，世界光伏产业迅猛发展。
根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。
目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏发电技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的利用无处不在。
各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速。
1.2太阳能路灯的优势
太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。
基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。
而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。
综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：
1.节能环保：
据统计，所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量。
不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。
有关数据表明太阳能路灯每年可以减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！
2.可靠耐用：
太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。
3.成本低廉：
就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。
若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进
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去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。
且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。
4.安全稳定：
运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。
太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
5.自主供电：
离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。
但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。
一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。
除此之外，LED还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。
超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。
由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。
太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。
而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。
1.3太阳能路灯的应用现状
在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发
第一章绪论
展起来。
国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。
近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。
在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。
为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。
随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。
我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。
在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。
欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。
它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。
它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。
在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。
它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。
尽管受到常规能源
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的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然持续增长。
1.4本论文研究的主要内容
1.分析太阳能光伏发电技术和LED技术
2.根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法。
4.根据LED驱动原理设计LED驱动电路
3.设计电源控制电路。
5.根据系统方案设计控制器外围电路。
6.编写单片机执行程序。
7.调试、实验硬件电路，保证可以实现既定功能。
第二章系统方案论证及选择
第二章系统方案论证及选择
2.1方案比较与论证
2.1.1太阳能电池板的选择
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。
在众多太阳光电池中比较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
（1）单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；
（2）多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；
（3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。
太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。
如6V蓄电池充电需要用8~9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15~18V太阳能电池。
2.1.2蓄电池的选择
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：
恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。
一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，
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并把外界的电能转变为化学能储存起来。
其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。
小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40度到零上60度。
镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的发展。
其主要的改变，在于以储氢合金取代负极原来使用的镉，因此镍氢电池可以说是材料革新的典型代表。
镍氢电池所造成的污染，会比含有镉的镍镉电池小很多。
蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。
蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：
首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。
可用一种简单方法确定它们之间的关系。
太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。
蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
蓄电池结构分为：
板栅（正极板栅、负极板栅）、隔板、电解质及其它部件（外壳、电气盖等）。
目前市场上蓄电池因酸液不同分为铅酸蓄电池和胶体蓄电池（固体蓄电池）。
铅酸蓄电池因其维护复杂（酸液因为析氢的损耗，需要补充酸液），使用寿命短（3年左右），自恢复能力差等因素，正逐渐被胶体蓄电池所
第二章系统方案论证及选择
替代。
胶体蓄电池的特点：
1.深度放电后回充电性能强，甚至在放电后未及时补充电的情况下容量也能100％得到回充；
2.循环使用寿命长达8～10年，适合每天使用；
3.适合用于较长时间的放电使用；
4.工作环境温度更高；
5.优越的耐低温性能；
6.适合在电力干线不稳定的环境下使用；
7.无流动的胶体电解液使电解液在电池内部不产生分层现象；
8.自放电小，很小均衡充电；
9.内阻低，充电接受能力强；
10.与普通铅酸蓄电池相比较，电池内部水分损耗小。
综上对比，以及客观条件的要求可得，太阳能灯具优先采用胶体蓄电池。
2.1.3照明灯具的选择
太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
1.低压节能灯：
功率小，光效较高，但使用寿命在2000小时左右，电压低，灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。
2.低压钠灯：
低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造价高，采用较少。
3.无极灯：
功率小，光效较高。
该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，但在太阳能灯具上使
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用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）。
4.LED：
LED灯光源，寿命长，可达100000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。
随着技术进步，LED的性能将进一步提高。
笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。
2.1.4控制器芯片的选择
智能化控制芯片中，单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。
利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少了工作人员的维护量。
在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。
选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同，以下从三个方面进行对比论证。
首先是简易并联调节的控制器，其近似可以看作是恒流源对蓄电池充电。
因此，当在蓄电池达到浮充电压点时，蓄电池并没有充满，切断电源后，蓄电池电压会有很大的降落。
如果将浮充电电压点值设定得太高，欲使蓄电池尽量充满，这样又会导致蓄电池的过早损坏。
其充放电曲线不是很好，因此只适用于小功率的用户和要求不高的场合，特别适用于12V和24V输入的220W以下的用户系统。
其次是PIC1F6716，众所周知的PIC系列单片机具有的特点有，哈佛
第二章系统方案论证及选择
总线结构，精简指令集技术，寻址方式简单、寻址空间独立，代码压缩率高、程序保密性强，功耗低，驱动力强，拥有两种串行总线端口，外接电路简洁，开发方便，运用C语言编程，程序存储器版本齐全等。
具有性能完善，功能强大，学习容易，开发应用方便等优点。
最后，对于芯片AT89C51的单片机。
AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。
功能强大的AT89C51单片机可为用户提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51的芯片管脚图如图2-1.
其主要特性为：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
鉴于对AT89C51比较熟悉，而且对于应用大型功率无人看守的光伏发
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