全日制普通本科生毕业设计
基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计DESIGN OF ENERGY-SA VING SOLAR STREET
LIGHT USING LED BASED ON MCU
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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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目录
摘要： (1)
关键词： (1)
1前言 (2)
1.1课题的选题背景与意义 (2)
1.2国内外的研究现状及发展方向 (3)
2研究的主要内容 (5)
2.1本课题研究目标和总体设计 (5)
2.2系统组成 (7)
2.2.1太阳能电池板 (7)
2.2.2太阳能控制器 (9)
2.2.3蓄电池的选择 (10)
2.2.4光源和应用 (10)
2.3工作原理 (11)
2.4太阳能路灯需要解决的问题 (11)
3设计工作及研究方案 (12)
3.1太阳能路灯设计思路与要点 (12)
3.2硅太阳能电池特性和最大功率点跟踪的原理 (12)
3.2太阳能电池的外特性 (15)
3.3蓄电池容量的计算方法 (16)
3.3.1确定蓄电池容量的主要因素 (16)
3.3.2蓄电池的充、放电方法 (16)
3.3.3蓄电池容量的计算 (17)
3.4LED的特性和亮灭控制 (18)
3.5红外检测 (19)
4硬件电路 (20)
4.1信号采集电路 (20)
4.1.1环境光检测电路 (20)
4.1.2红外检测电路 (20)
4.2硬时钟电路 (22)
4.3充放电驱动电路 (22)
4.4MPPT技术的硬件电路支持 (23)
4.5LED驱动电路 (24)
4.6系统供电电路 (25)
5软件设计 (26)
5.1控制器选择 (26)
5.2开发工具 (26)
5.3总体程序流程图 (27)
5.4充电处理程序 (28)
5.5定时处理程序 (29)
5.5蓄电池剩余容量检测处理 (30)
6抗干扰设计 (30)
6.1太阳能路灯抗风设计 (31)
6.2防雷和接地 (32)
6.3信号采集的数字滤波 (33)
6.4看门狗技术 (33)
7调试和结果 (33)
7.1路灯系统的硬件调试 (34)
7.2路灯系统的软件调试 (34)
7.3太阳能路灯的系统调试 (34)
8结论 (35)
参考文献 (37)
致谢 (38)
附录 (39)
基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计
学生：
指导老师：
摘要：针对太阳能LED路灯控制系统的特点，介绍了研究太阳能LED路灯的意义、现状、发展及技术要点，对整个路灯控制系统的设计流程进行了分析。提出设计思路，并在此基础上开发了相应硬件装置和软件。利用MCS-51单片机进行各项工作的处理，包括信号的采集、数据的传输及对控制对象的控制。利用按键实现功能的开启、关闭及切换。结合传感器监控道路行人的数量，并从而控制路灯点亮的数量。通过蓄电池充放电控制实现太阳能到电能的转换及存储，非常环保。设计并实现光线的自动检测，在天黑或光线昏暗的情况下自动开启路灯系统，天亮自动熄灭很大程度的达到节能目的。最后总结概括本设计的优缺点和实用性，为后续研究提供了参考方向。
关键词：太阳能；路灯控制；传感器；蓄电池
Design of Energy-saving Solar Street Light Using LED Based on
MCU
Student:
Tutor:
Abstract: According to the characteristics of solar LED street light control s ystem, the article introduces the research significance, solar LED street light’ status, development and main techniques, and the design process of the solar LED street light control system is analyzed. The article presents the design ideas, and develops corresponding that basis. Do each work with the MCS-51 SCM, included the signal
collection, the data transmission and the control of the controlled objects; use key functions’ open, close and switch, combine the number of on the street according to sensors monitoring , and thus control the number of street lights that are lighted; and control the conversion and storage through charging and discharging of the battery, that is very environment-friendly. Design and realize automatic detection of light, it automatically opens lamp system in the daytime or under badly-lighted circumstance, and automatically put out at day ,that saves energy to a great extent. Finally, sum up the pros and cons of this design , and provide reference direction for sequential studies.
Key words: solar energy；lamp control；sensors；battery；
1 前言
1.1 课题的选题背景与意义
1.1.1 全球性能源危机及新能源的开发
随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。目前，传统的燃料能源正在一天天减少，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限。不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9 年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可采量已经是屈指可数了。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终将葬送现代市场经济。随着化石能源的减少其价格也会提高这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。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和不加限制的消耗极大地污染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应、酸雨，引起疾病、农业减
产等严重问题。同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。因此，世界能源面临着巨大的危机。
当煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。解决未来世纪的能源问题成为人类社会面临的头等大事。这个时候，全世界的都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。其中，水能、风能、潮汐能、生物能、地热能等都因为一定的条件限制而只适于作补充能源，相对于人类对能源的巨大需求来说，只能解决局部的一些问题。核能的发现和利用是本世纪的重大成就之一，现在已作为一种可以大规模和集中利用的能源代替矿产能源，目前主要用于发电。但是核裂变能也存在一些问题，如投资大，技术要求高，大量核废料难以处置，以及安全性较低等，以致目前不能广泛应用。而丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能，每秒钟到达地面的能量最高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。所以太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
1.1.2 课题意义
随着中国经济的快速发展，对能源的需求日益扩大，能源短缺问题已经成为影响中国经济快速发展的一个重要问题，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。同时在国际光电市场巨大潜力的推动下，各国的观点制造也都争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国目前作为世界能源消耗第二大国也不例外。
作为21世纪最有潜力的能源，太阳能的开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。发展太阳能科技可减少在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻
空气污染及全球暖化的问题。太阳能产业根据其本身的特性和良好的政策环境，发展潜力巨大，具有较高的投资价值。
太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。
1.2 国内外的研究现状及发展方向
1.2.1 单片机
现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系统)，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，和计算机相比，单片机只缺少了IO设备。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的
应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机总和，甚至多过人类的数量。1.2.2 太阳能技术研究的现状及发展
太阳能是一种巨大、久远、无尽且对环境无污染的能源。太阳能利用便是把太阳能收集起来转化为电能为生产、生活所用。作为太阳能利用的光伏电池起初是用在人造地球卫星上，现在已开始转向地面应用。科学家们认为它将是人类未来能源科学发展的方向之一。2004年世界光伏电池生产企业总产能达到1000MW以上。2005年全球光伏市场增长34％，太阳能光伏总的装机容量达1460MW。欧、美、日占九成，其中德国最多，达837MW，日本292MW，美国为185MW。2006年德国光伏市场的增幅仍可达到35％。2006～2012年，欧洲太阳能光伏装机容量将达6000～7000MW，每年均高于1500MW。
与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国还明显落后于发达国家。但是中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。并且我国光伏产业发展迅速，2005年中国太阳能电池生产总量达到139MW，较2004年猛增了179%，2006年达到400MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1180MW。以3年产量增长45倍，产能增长125倍而成为全球发展最快的国家。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发
展提供了政策保障；京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；西部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。
在今后的十几年中，太阳能电池的市场走向将发生很大的改变，到2012年以前中国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。在国家各部委立项支持下目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的光伏组件效率达14~15%，一般商业化电池效率10~13%。目前中国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元瓦降到2003年的33元瓦，再到2012年大约只要15元瓦，但是太阳能电池大规模使用仍然受到经济上的限制。然而，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。
1.2.3 LED的研究和发展
LED是英文LightEmitting Diode的缩写,译为发光二极管,属于固态光源。LED的应用已有较悠久的历史，以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来,随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步，LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高，LED已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED 车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。
随着人们环保意识的增强，传统照明设备的高耗电性和废弃物污染等问题，已引起各国政府的重视，纷纷投入大量的人力、物力研发新的环保光源。而有“绿色照明光源’’之称的LED，由于其独有的节能、寿命长、免维护、易控制、环保等特点，已成为各国积极发展的方向。据了解，国际上半导体照明产业近年来保持着40％的增长速度，2008年全球发光二极管(LED)市场己达到56亿美元。日本于1998年在世界率先实施“2l世纪照”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED 技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少二氧化碳的产生，并在2006年完成了用白光发光二极管照明替代50％的传统照明。2003年，我国科技部发起了“国家半导体照明工程”，旨在迎接新的照明革命，加速我国半导体照明技术和产业化发展。我国台湾地区也设立了“次世纪照明光源开发计划"，大力发展半导体发光二极管产业，该计划投资约6～10亿新台币，有14个企业、科研机构和大学参加。面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头一通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团也纷纷与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在2012年以前，使半导体灯发光效率再提高8倍，价格降低100倍。像GE公司的Geleore 公司、ph订ips照明公司的Lumileds Lighting公司、0sram公司的Osram 光电公司，均投入巨资发展自身的半导体照明产业，这些无疑将加速推进LED产业进入普通照明领域的进程，对半导体照明产业发生巨大影响。
2 研究的主要内容
2.1 本课题研究目标和总体设计
就整个市场的调查来看，路灯管理部门的要求主要为:能够自动控制路灯的开关，能评估系统内的路灯工作情况，给出系统维护的信息，包括亮灯率，电压，电流，开关状态等。系统能够自动分析系统故障，给出故
障相关信息。完善的控制功能，方便的安装方式。高可靠性，符合21世纪环保节能的要求等等。根据任务书，本课题主要要求设计并制作基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯系统。要求实现太阳能到电能的转换，并根据道路行人的数量进行路灯亮度的调节，而达到节能的目的。在微处理器单元，利用MCS-51系列单片机进行各项工作的处理，包括信号的采集和数据的传输以及对控制对象的控制。利用按键实现功能的开启及关闭，以及功能的切换。在太阳能电源电路模块实现太阳能到电能的转换及存储。在道路监控单元，结合传感器监控道路行人的数量，并从而控制路灯点亮的数量。设计并实现光线的自动检测，在天黑或光线昏暗的情况下自动开启路灯系统。用Protel Dxp软件进行绘制电路图。利用电路仿真软件proteus进行仿真设计与调试。根据提出的系统设计内容和目标，本文给出整个系统的设计规划，并且对于系统的各个模块的实现进行元件选型。
系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。与照明负载配合，考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。太阳能电池是太阳能照明系统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，路灯熄灭，太阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电池不再供电，充电器停止工作，转而进入蓄电池放电阶段，点亮路灯。蓄电池作为太阳能照明系统的储能环节，白天将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出到照明负载。全天中控制器的电源一直由蓄电池供给。控制系统以单片机为核心，来实现系统中太阳能电池工作状态的MPPT即最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking）、蓄电池容量检测和蓄电池充电精确控制以及集中化的对区域内路灯故障的准确诊断和调试。从而实现太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求提高太阳能照明系统效率，延长蓄电池的寿命，并实现人性化的集中远程管
理。
图2.1 光伏发电系统
Fig.2.1 block of PV Systems
2.2 系统组成
本课题研究的主要内容是基于单片机的节能型太阳能LED路灯的设计。太阳能路灯主要由太阳能电池板(包括支架)、LED灯头、控制器、蓄电池组、灯杆及灯具外壳几个部分组成。其中控制系统由单片机及逻辑电路实现。各地应根据本地照明要求和气候条件进行太阳能路灯设计。
图2.2 系统结构图
Fig.2.2 the Structure of System
2.2.1 太阳能电池板
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力转化为电能，或送至蓄电池中存储起来。较实用的有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池等三种。本课题主要研究的也是硅太阳能电池。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；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；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。太阳能电池的单位面积输出功率约127Wpm2。太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串联组成，其容量取决于照明光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射能量。太阳能电池组输出功率宜为光源功率的3~5倍以上:光照丰富、开灯时短地区为3~4倍以上，反之为4~5倍以上。太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即:欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000Wm2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。
不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。所谓标准条件，接近平时晴天中午前后的太阳光照条件。表2.1即为我国不同地区太阳光照条件对比，表2.2为年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表。
表2.1 我国不同地区太阳光照条件
Table 2.1 Solar illumination conditions in different regions of China
区域划分丰富地区比较丰富地区可以利用地区贫乏地区
年总辐射量≥580 500～580 420～500 ≤420 千焦厘米2.年不宜用太阳能
地域内蒙西部、甘新疆北部、东北、东北北端、内蒙呼重庆、四川、
肃西部、新疆、内蒙东部、华北、盟、长江下游、福贵州、广西、
南部、青藏高陕北、宁夏、甘建、广州、广西、江西部分地
原肃部分、青藏高贵州部分、云南、区
原东侧、海南、河南、陕西
台湾
连续阴雨天 2 3 7 5
表2.2 年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表
Table 2.2 The total radiation and daily average peak sunshine angle
城市纬度最佳倾角年平均日照时间城市纬度最佳倾角年平均日照时间
Φ(°) (h) Φ(°) (h)
哈尔滨45.68 Φ+3 4.4 杭州30.23 Φ+3 3.42
长春43.90 Φ+1 4.8 南昌28.67 Φ+2 3.81
沈阳42.77 Φ+1 4.6 福州26.08 Φ+4 3.46
城市纬度最佳倾角年平均日照时间城市纬度最佳倾角年平均日照时间
Φ(°) (h) Φ(°) (h)
北京39.8 Φ+4 5 济南36.68 Φ+6 4.44
天津39.10 Φ+5 4.65 郑州34.72 Φ+7 4.04
呼和40.78 Φ+3 5.6 武汉30.63 Φ+7 3.80
太原37.78 Φ+5 4.8 长沙28.20 Φ+6 3.22
乌鲁43.78 Φ+12 4.6 广州23.12 Φ-7 3.52
木齐
续表1
城市纬度最佳倾角年平均日照时间城市纬度最佳倾角年平均日照时间
Φ(°) (h) Φ(°) (h)
西宁36.75 Φ+1 5.5 海口20.03 Φ+12 3.75
兰州36.05 Φ+8 4.4 南宁22.82 Φ+5 3.54
银川38.48 Φ+2 5.5 成都30.67 Φ+2 2.87
西安34.30 Φ+14 3.6 贵阳26.58 Φ+8 2.84
上海31.17 Φ+3 3.8 昆明25.02 Φ-8 4.26
南京32.00 Φ+5 3.94 拉萨29.70 Φ-8 6.7
合肥31.85 Φ+9 3.69
2.2.2 太阳能控制器
无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少
的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时空、温控等功能选择，具有调光功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。
要给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，否则输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。而MPPT控制器是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。即MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率点跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%~30%。从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。
2.2.3 蓄电池的选择