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太阳能路灯的设计,太阳能,路灯,设计
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湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计 太阳能路灯的设计THE DESIGN OF THE SOLAR LAMP学生姓名： 毛迪学 号： 200841914404年级专业及班级： 2008级机械设计制造及其自动化（4）班指导老师及职称： 匡迎春 副教授学 部： 理工学部湖南长沙提交日期：20 年 月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键字11 前言21.1 课题的提出及研究的意义21.1.1 课题的提出21.1.2 研究的意义21.2 国内外研究现状22 太阳能路灯系统结构32.1 太阳能路灯的组成32.2 太阳能路灯的工作原理32.3 太阳能路灯的优点32.4 与传统路灯的比较33 太阳能路灯方案论证43.1 太阳能路灯设计要求43.2 太阳能路灯方案选择43.3 系统总体框图54 系统主体设计54.1 太阳能电池5 4.1.1 太阳能电池的工作原理6 4.1.2 太阳能电池的基本特性6 4.1.3 太阳能电池的类型74.2 蓄电池7 4.2.1 蓄电池工作原理84.2.2 蓄电池的使用及对其寿命的影响84.2.3 蓄电池类型选择84.2.4 铅酸蓄电池充电特性8 4.2.5 铅酸蓄电池放电特性94.3 照明负载9 4.3.1 太阳能灯具的选择94.3.2 LED的特性104.4 蓄电池、太阳能板和LED灯的选用11 4.4.1 太阳能板的选用114.4.2 蓄电池选用124.4.3 LED灯型号的选择124.5 太阳能电池跟踪系统设计134.5.1 单片机的选择154.5.2 光敏检测电路16 4.5.3 驱动电机的选择164.6 灯杆和灯具外壳184.7 太阳能路灯控制电路的设计184.7.1 蓄电池充放电控制基本原理18 4.7.2 蓄电池充放电保护电路194.7.3 控制电路204.7.4 时钟电路224.7.5 键盘控制电路234.7.6 显示电路244.7.7 稳压电源电路255 系统软件设计256 结束语27参考文献27致谢28附录130太阳能路灯的设计学 生：毛 迪指导老师：匡迎春（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：太阳能路灯作为新型高科技节能产品替代传统路灯，可以实现路灯白天自身发电，晚上照明，路灯不耗能。具有环保节能，解决城市公共照明耗能大的问题，节省电费开支，经济效益和社会效益明显。本文综述了太阳能电池，铅酸蓄电池和LED灯具的工作原理、特性、类型及其相关知识。并介绍了铅酸蓄电池的充放电控制电路。然后设计了一种时钟型控制器，利用单片机AT89S52和时钟芯片DS1302控制路灯照明时间，利用单片机AT89S52存储路灯开关时间。文中详细分析了控制器的电路组成和工作原理。 关键词：太阳能电池；LED；铅酸蓄电池；充放电控制器；时控电路 The design of the solar lampSduten:Maodi Tutor:Kuang Yingchuen（Oriental ScienceTechnology College of hunan Agriculturall University,changsha ,410128）Abstract：Solar lamp products as a new alternative to traditional high-tech energy-efficient lighting, lighting can achieve their own electricity during the day, night lighting, street not energy. With environmental conservation and solve major problems of urban public lighting energy saving electricity costs, economic benefits and social benefits obvious.This article provides an overview of solar cells, and lead-acid batteries and LED lamp works, features, and types and their related knowledge. And the introduction of lead-acid battery charge and discharge control circuit. Then has designed one kind of time-controller, using monolithic integrated circuit AT89S52 and the clock chip DS1302 control street light illumination time, uses the monolithic integrated circuit AT89S52 memory street light switching time.In this paper, a detailed analysis of the controller circuit component and work principle.Key words: solar cell; LED;lead-acid batteries;Charging and discharging controller;Time control Circuit.1 前言1.1 课题的提出及研究的意义1.1.1 课题的提出随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能作为一种安全、环保新能源越来越受重视。同时，随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展急需解决的问题。每年照明消耗电能约占全部电能消耗的12%15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。据我国国家绿色照明工程促进项目办公室的专项调查显示，我国照明用电每年在3000亿度以上，道路照明用电量占1/3如用太阳能取代，这相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量1。1.1.2 研究的意义太阳能作为一种巨量的可再生能源，已被广泛应用在各个领域，是当前能源利用的补充能源，并被认为是未来人类生活的可替代能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路，还是保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。1.2 国内外研究现状太阳能是用之不尽的清洁能源，当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。2011年世界太阳能光伏发电装机总容量达到24Gw。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占1315，到2100年将约占64。我国光伏组件生产能力逐年增强，装机容量逐年增加，2007年累计容量达100MW。2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为120元(kwh)；20102020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为060元(kwh)。到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列2。2 太阳能路灯系统结构2.1 太阳能路灯的组成太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池组、光源、控制器、蓄电池、灯杆及支架。 2.2 太阳能路灯的工作原理系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，但到达设定的开灯时间时，蓄电池对灯头放电，开始照明。蓄电池放电到设定时间后，充放电控制器动作，切断路灯供电电路，使路灯熄灭蓄电池放电结束。2.3 太阳能路灯的优点太阳能灯优点有以下几点：（1）节能：以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭；（2）环保：无污染、无噪音、无辐射；（3）安全：绝无触电、火灾等意外事故；（4）方便：安装简洁，不需要架线或“开膛破肚”挖地施工，也没有停电限电顾虑；（5）寿命长：产品科技含量高，控制系统、国际系统、智能化设计，质量可靠； （6）投资少：一次投资、长期受用；（7）适用广：太阳能源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用，特别适用于 绿地景观灯光配备，高档次住宅及室外照明，旅游景点海岸景观照明及点缀，工业开发区、工矿企业路灯，各大院校室外灯光照明3。 2.4 与传统路灯的比较（1）市电照明路灯安装复杂：市电照明路灯工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就需要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能路灯安装简便：太阳能路灯安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。（2）市电照明路灯电费高昂：市电照明路灯工作中需要支付固定高昂的电费，并且需要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能路灯具免电费：太阳能路灯是一次性投入，无任何维护成本，长期受益。（3）市电照明路灯存在安全隐患：市电照明路灯在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面都会带来诸多安全隐患。 太阳能路灯没有安全隐患：太阳能路灯是超低压产品，运行安全可靠。太阳能路灯的其它优势：绿色环保4。综上对比所述，太阳能路灯具有安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性。3 太阳能路灯方案论证3.1 太阳能路灯设计要求（1）电池板功率的计算和选用；（2）蓄电池容量、充放电控制；（3）连续阴雨天七天路灯仍能照明；（4）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。3.2 太阳能路灯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5。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6。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7 。本设计采用的是单独的时钟控制的方式，实现太阳能路灯的设计。3.3 系统总体方框图太阳能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。系统总体方框图如图1所示。图1 系统总体方框图Fig1 The whole system is arrived4 系统主体设计4.1 太阳能电池在新能源中，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8。4.1.1 太阳能电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础，是半导体pn结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：（1）首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子） 电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在他们被分离之前不会复合消失。（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在一边，在p-n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。（4）在太阳能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能9。4.1.2 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=l000Wm2；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10。4.1.3 太阳能电池的类型太阳能电池是太阳能路灯中的重要部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳能辐射能转换为电能，送到蓄电池中存存储起来。我们知道在太阳能光电池中，硅太阳能电池是目前发展最成熟，占主导地位的太阳能电池，它非常普遍而且实用，所以我们在大的范围内选择硅太阳能电池。而硅太阳能电池又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池三种。这里对三种电池进行比较：（1）单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7，规模生产时的效率为15.在大规模应用和工业生产中占据主导地位，但是单晶硅成本很高，大幅度降低其成本也很困难。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）多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18，工业规模生产的转换效率为10.适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；（3）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，所以也就直接影响了它的实际应用。其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11。综上所叙，本次设计我们选择单晶硅太阳能电池。4.2 蓄电池蓄电池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。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。4.2.1 蓄电池的使用及对其寿命的影响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。4.2.3 蓄电池类型选择蓄电池有种类很多，我们针对市面上常见的三种蓄电池进行比较：（1）铅酸(CS)蓄电池：适于低温高倍率放电，比能量偏低，目前大部分太阳能路灯采用。密封免维护，价格低。注意防止铅酸污染，应逐步淘汰。（2）镍镉(Ni-Cd)蓄电池：放电倍率高、低温性能好，循环寿命长，小型系统采用。注意防止镉污染。（3）镍氢(Ni-H)蓄电池：高倍率放电，低温性能好，价格便宜，无污染，为绿色环保电池。小型系统采用。要大力提倡13。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。4.2.4 铅酸蓄电池充电特性铅酸蓄电池充电特性见图3。由充电曲线可以看出，蓄电池充电过程有三个阶段，初期（OA）电压快速上升，中期（ABC）电压缓慢上升，延续较长时间，C点开始为充电末期，电化学反应接近结束，电压开始迅速上升，接近D点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水分被分解。上述所有迹象表明，D点电压标志着蓄电池已充满电，应立即停止充电，否则将给铅酸蓄电池带来损坏通过对蓄电池充电特性（图2）的分析可知，在蓄电池充电过程中当充电到D点的电压出现时就标志着该电池已充满。依据这一原理，在控制器的软件中设置电压值，通过检测出D点电压值，即可判断蓄电池是否应该结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态（25，0.1C充电率）下的充电终了（D点）电压约2.52.6V。对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态下的充电终了（D点）电压约2.352.4V。在控制器里比较设置的D点电压称为“门限电压”或“电压阈值”14。图2 铅酸蓄电池充电特性Fig 2 Lead-acid battery characteristics4.2.5 铅酸蓄电池放电特性铅酸蓄电池放电特性见图3。由放电曲线可以看出，蓄电池放电过程有三个阶段，开始（OE）阶段电压下降较快，中期（EFG）电压缓慢下降，延续时间较长，G点后放电电压急剧下降。其原因首先是酸浓度降低，引起电动势基地；其次是活性物质的不断消耗，反应面积减小，使极化不断增加。此外由于硫酸铅的不断生成，使电池内阻不断增加。上述使放电电压急剧下降的所有迹象表明，G点电压标志着蓄电池已经接近放电终了，应立即停止放电，否则将给铅酸蓄电池带来不可逆转的损坏。图3铅酸蓄电池放电特性Fig 3 Lead-acid battery discharge properties通过上述对蓄电池放电特性（图3）的分析可知，在蓄电池放电过程中当放电到相当于G点的电压出现时就标志着该电池已放电终了。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过监测出G点电压值，即可判断蓄电池是否应结束放电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状太（25，0.1C放电率）下的放电终了（G点）电压约1.751.8V。对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态（25，0.1C放电率）下的放电终了(G点)电压约1.781.82V。在控制器里比较器设置的G点电压称为“门限电压”或“电压阀值”15。4.3 照明负载4.3.1 太阳能灯具的选择太阳能路灯采用何种灯具是太阳能路灯是否能正常使用的重要指标，目前一般的太阳能灯具有低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED灯。这里我们比较一下以上四种灯具：（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适用太阳能草坪灯或庭院灯；（2）低压钠灯：低压钠灯光效较高（可达200Lm/w），但需要逆变器，其价格也很高昂，整个系统造价太高，较少采用；（3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电下使用，寿命可以达到5万小时，但是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。，所以其在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多，所以也不适用与太阳能路灯光源；（4）LED灯：LED作为一种固体光源，长寿命、高光效、多光色及一次配光定向造射功能，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能轻松实现0-100调光功能16。 综上所叙，我们选择LED灯作为太阳能光源，并认为LED作为太阳能路灯的光源将成为一种趋势。4.3.2 LED的特性作为新兴能源，LED正处在飞速发展的阶段，目前大功率白光LED的光效已有1001m/W，而且通过对其发光机理的研究，可以推算出LED的辐射光效可达3501m/W，还具有很大的发展空间。LED的特点之一是定向发光，在实际应用中尽可能使灯具中的LED分别把直线射向被照面各个区域，配合灯具发射器的辅助配光，得到符合各种需求的精准光分布，因此LED路灯灯具配光设计精准到位也是代替传统路灯的关键。虽然传统光源也有更高的光效，但这类光源应用在道路灯具中时，只有40的光是直接照射到路面，其它光是通过灯具反射器再投射出灯具。而此类灯具的反射器效率仅为5060，灯具效率一般仅为70.反射器设计难度大，无法满足配光需求，普遍存在在直接照射方向照度过大，而在两灯光线交叉处照度过小的问题。反观LED路灯，3次配光设计使大部分光是直接投射到路面，灯具整体光效很高。LED光源输出白光显色性达65，色温适中：5000K6000K，相比钠灯，光色更自然。按“中间视觉”理论，白光LED具有较高的中间视觉等效光效，即在中间视觉条件下的亮度提高约40，而此时“黄光”高压钠灯的等效光效要降低约30.虽然中间视觉理论依据人眼感官，现在还处于争议中并无确切标准，但LED的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标，在同样的路面亮度下提供更好的通行条件。LED无明显的失效机理，理论寿命可达10万小时。在泛光照明应用中，通常约定LED输出光通量衰减到初始值的70时为寿命终点，照此现有寿命也有5万小时。可大幅减少维护工作，节约运行成本。作为半导体光源，LED响应迅速，能在连续开关闪断状态工作，可与控制系统整合，按需要调整光输出。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17。4.4 蓄电池、太阳能板和LED灯的选用4.4.2 蓄电池选用设计要求：长沙地区，负载输入电压12V功耗20W，每天工作时数10h，保证连续阴雨天数7天。负载电流 = 负载功率负载电压负载电流 =2012=1.67Ah因为要保证连续阴雨天数7天。（7天另加阴雨天前一夜的照明，计8天）所以蓄电池容量=1.67810=133.6Ah另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90左右；放电余留520左右。所以133.6Ah也只是应用中真正标准的7085左右。另外还要根据负载的不同，测出实际的损耗。实际的工作电流受其它元器件、线损等影响，可能会在1.67Ah的基础上增加15-25左右。所以负载电流的范围：1.92Ah-2.00Ah蓄电池容量最小为：1.928100.85=180.71 Ah蓄电池容量最大为： 28100.7=228.57 Ah在下面本设计还设计了太阳能跟踪系统，但由于其在白天工作，且工作时间不长设定其占用蓄电池20的用电量。综上所叙，选用12V150Ah的蓄电池并连即可保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。4.4.1 太阳能板的选用 因为 在太阳能电池板给蓄电池充电时，太阳能电池板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充电。如给12V蓄电池充电需要用14.415.6V太阳能电池板，本设计采用15V的太阳能电池板。而15V的太阳能电池板工作电压都是14.4V。经查资料长沙地区平均日照时数是3.27h最少放宽对电池板需求20%的预留额。太阳能电池板的峰值WP计算公式是:WP14.4V = （2A 10h 120%） 3.27h所以WP=105.69W另外在太阳能路灯组件中，线损、控制器的损耗、及其它元器件的功耗各有不同，实际应用中可能在5%-25%左右。所以105.69W也只是理论值，根据实际情况需要有所增加。所以太阳能电池板的峰值范围是：111.25W-140.92W在加上为太阳能跟踪系统30%的预留额。综上所叙，选用两块15V100W太阳能电池板并联即可保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。4.4.3 LED灯型号的选择由于用作户外照明，做为市内城市道路太阳能路灯设计，考察各项条件、参数及性价比，参照市面上的LED路灯基本行情，这里我选择JS5324LD-20W-A5, 其参数如下表：表1 JS5324LD的项目参数表Table 1 JS5324LD project parameter table项目 参数功率规格 10W / 15W / 20W外观结构 外壳铝合金一次成型，表面进行阳极氧化防腐处理电源 AC 85-265V / DC 12V/24V，平均寿命40000小时光源寿命 50000小时光衰小于15%，平均寿命10年光效 100Lm/W灯具效率 90%显色指数 65-90防护等级 IP65色温 暖白2700-3500K，正白3500-4500K外形尺寸 540240150 节能 LED路灯10W/15W/20W，钠、汞灯20W/30W/40W其特点为：（1） 使用单颗大功率LED，光源寿命50000小时以上。（2） 电源平均寿命大于40000小时。输入电压AC 85265V/DC 12V/24V。（3） 启动无延时；对电网无谐波干扰。（4） 革命性的配光技术、独特的散热设计。（5） 比高压钠灯节电50%；绿色环保，无铅、汞污染。（6） 显色指数大于90，接近自然光，保证了对远方景物的良好视觉辨认特性。（7） 优质的防尘防水性能，防护等级IP65。（8） 可选择分时降功率智能照明模式。即上半夜全功率，下半夜半功率照明，更省电。（9） 同时可适用于太阳能路灯照明。其适用范围：城市道路、居住区工业区道路、人行道、广场、公园、学校、别墅、庭院等场所。4.5 太阳能电池跟踪系统设计太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0）时，太阳电池发电量是最大的。众所周知 ，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为24h，所以地球每个小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)法线倾斜成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。本设计中通过东西向的方位角的跟踪达到使太阳能电池板能够始终正对太阳照射角，从而达到提高太阳能利用率的目的，因此转向部分首先需要满足能够进行东西向自由转动。同时，此跟踪系统的设计还必须本着造价低廉、可靠性高、结构简洁的原则进行。机械转向机构在结构上要做到结构紧凑、布局合理，选件不能过大臃肿，在同等条件下，尽量选用小型的构件。图4 系统组成示意图Fig 4 System composition schemes 通过对目前多种太阳能采集装置的机械结构的收集和对比，再在几种比较合适的结构的基础上进行一些修改以更加符合本设计的要求，最终得到的结构如图4所示。此结构在东西向有很大的转动空间，并且结构简单，耗材较少，比较适合小型的太阳能路灯发电系统。如图4，本机械转向机构基本组成主要有：转轴、光敏电阻、控制器、步进电机、电池板固定框架等。4.5.1单片机的选择方案一：采用51系列单片机作为主控单片机，通过AD0809进行AD采集，价格低廉、参考资源多、指令丰富，编程灵活度大，开发周期短等优点3。 方案二：采用AVR系列单片机，内带有AD模块，片上资源及指令系统相当丰富，能完全满足本系统设计的要求，但因其成本过高，又加上现库存没有此类单片机，不宜采用。 方案三：采用PIC系列单片机作为主控单片机，功耗低、体积小、干扰较小，且编程灵活，运算速度快，且大部分都片内带有AD模块。基于以上分析，本设计采用方案三，并采用PIC16F676单片机足矣达到系统要求。PIC16F676是一种带1K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能8位微处理器。内部有8 级深硬件堆栈；宽工作电压范围宽（2.0V 到 5.5V ）；64字节的SRAM和128字节的EEPROM；12个双向IO口；8通道10位的A/D；一个外部中断；一个比较器；一个8位和一个16位定时器；带有独立振荡器的看门狗定时器 （WDT）；内部高精度 4 MHz 振荡器（出厂时精度校准为 1%）或可使用晶振和谐振器作为外部振荡器；具有高持久性的 FLASH/EEPROM 单元，其中FLASH 可经受 100,000 次写操作， EEPROM 可经受 1,000,000 次写操作， FLASH/数据EEPROM的数据保存期超过40年；低功耗。其引脚图如下： 图5 PIC16F676引脚图Fig 5 PIC16F676 pin figure4.5.2 光敏检测电路 本设计采用的光敏元件是光敏电阻，两个光敏电阻在阳光下会产生不同的电压，此电压通过信号放大器后送人单片机，经单片机内部集成的10位AD单元，转换成数字信号，通过两个数值的比较，得出结果最终控制步进电机的转动。其电路图如下；图6光敏检测电路Fig 6 Photosensitive detection circuit4.5.3 驱动电机的选择本太阳能自动跟踪系统要求能够比较准确的跟踪太阳位置，因此要求驱动电机能够准确的把电信号转化为电机轴上的角位移。本系统选取步进电机作为驱动电机。步进电机又称为脉冲电动机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号变换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电动机的移量或者线位移量S与脉冲数k成正比;它的转速n，或者线速度v与脉冲频率f成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化.因而可适用于开环系统中作为执行元件，使控制系统大为简化。步进电动机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速;能够快速反转和制动。它不需要变换可直接将数字脉冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制。步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步动机就转动一个角度，因此作常适合于单片机控制。按励磁方式分类，步进电动机可分为3大类：（1）反应式步进电动机(anv baelelrcutance，简称vR)反应式步进电动机又称为磁阻式步进电动机。它的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，.但动态性能较差。（2）永磁式步进电功机(Pemranentmanegt，简称PM)永磁式步进电动机的转子是用永磁材料制成的.转子本身就是一个磁源。它的输出转矩大，动态性能好。转子的极数与定子的极数相同，所以步距角一般较大。需供给正负脉冲信号。（3） 混合式步进电动机（hybird，简称HB）混合式步进电动机也称为感应式步进电动机。它综合了反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步距角小。在本设计中，考虑到驱动电机带动的负载较大，故选用了两相混合式步进电机做为系统驱动源。而更好的发挥步进电机的功能采用A3977芯片驱动电机运转。其电路图如下：图 7 驱动电路Fig 7 Driving circuit4.6 灯杆和灯具外壳灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准来确定。灯具外壳根据我们收集了许多国外太阳能资料，在美观和节能之间，大多数都选择节能，灯具外观要求不高，相对实用即可。4.7 太阳能路灯控制电路的设计无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能庭院灯的设计，没有一个性能良好的充放电控制电路，就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。 充电过程一般分为主充、均充和浮充三个阶段，有时在充电末期还有以微小充电电流长时间持续充电的涓流充电。主充一般是快速充电，如两阶段充电、变流间歇式充电和脉冲式充电都是现阶段常见的主充模式。以慢充作为主充模式的一般采用的是低充电电流的恒流充电模式。铅酸蓄电池深度放电或长期浮充后，串联中的单体蓄电池的电压和容量都可能出现不平衡现象。为了消除这种不平衡现象而进行的充电叫做均衡充电，简称均充。为保护蓄电池不过充，在蓄电池充电至90容量后，转为浮充（恒压充电）模式，以适应充电后期蓄电池可接受充电电流的减小。为防止可能出现的蓄电池充电不足，在此之后还可以加上涓流充电，使已基本充电的蓄电池极板内部较多的活性物质参加化学反应，其充电比较彻底19。4.7.1 蓄电池充放电控制基本原理充放电控制电路是具有自动防止太阳能光伏电源系统的贮能蓄电池组过充电和过放电的电路，它是光伏发电系统的重要电路。控制器最重要的作用就是防止蓄电池过度充电和过度放电。由于蓄电池的投资在系统成本中占了较大的比重，而蓄电池过度充电和过度放电都将大大缩短蓄电池的使用寿命，为了最大限度延长蓄电池使用寿命，保证光伏发电系统能长期可靠地工作，就需要对蓄电池的充放电进行控制。如图5所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理，在该电路原理图中由太阳能电池组件、蓄电池、控制器电路和负载（LED灯）组成了一个基本的太阳能光伏庭院灯系统。这里的开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路中的一部分，K1、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：等蓄电池充满时断开充电开关K1。否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合，开关K1、K2是广义上的开关，它可能是各种开关元件或由电路组成。图8太阳能路灯充放电控制器基本原理图Fig 8 Solar street lamps charging and discharging controller basic principle diagram4.7.2 蓄电池充放电控制电路蓄电池过放电保护措施：控制电路防止蓄电池过放电的措施是在达到预置的过放电电平时，断开负载。蓄电池防过充、过放保护电压功能，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。电路结构电路如图5所示。双电压比较器LM393两个反相输入端脚和脚连接在一起，并由稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，两个输出端脚和脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输入端脚和脚，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。R1、RP1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路；R3、RP2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。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14.5V时，认为蓄电池处于过充状态，A1“-”端电压高于“+”端电压时A1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11.5V时，认为蓄电池处于过放状态，此时A2“+”端电压低于其“-”端电压时，A2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。图9 充放电控制电路Fig 9 Charge and discharge control circuit4.7.3 控制电路 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智能控制，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少维护量。本设计选用的是AT89S52单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。其主要性能：（1） 与MCS-51单片机产品兼容；（2） 8K字节在系统可编程Flash存储器；（3） 1000次擦写周期；（4） 全静态操作；0Hz-33MHz；（5） 三级加密程序存储器；（6） 32个可编程I/O口线；（7） 三个16位定时器/计数器；（8） 六个中断源；（9） 全双工UART串行通道；（10） 低功耗空闲和掉电模式；（11） 掉电后中断可唤醒；（12） 看门狗定时器；（13） 双数据指针；（14） 掉电标识符。其管脚图如下：图10 AT89S52的引脚图Fig 10 The AT89S52 pins figure4.7.4 时钟电路为了系统定时准确性的需要，系统需要一个实时的时钟，而平常的电子设计中常用的时钟是直接通过汇编语言对单片机进行编程实现的，这样的时钟在电源断电时不能正常运行，再次通电后也不能保证时钟的持续运转。由于系统要求根据时间来准时开关灯箱电源，所以要求系统时间一定要准确，为了避免断电时钟不运行情况的发生，在本设计中选用了低功耗的实时时钟芯片DS1302提供系统的时钟，它具有功耗低、性能稳定、自带RAM、具有年月日功能，确保定时的可靠性。DS1302实时时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AM（上午）/PM（下午）的12小时格式。DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。数据可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。而且DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。DS1302具有一个用于主电源和备用电源的双电源引脚，即除了主电源外，我们可以在其8脚和地之间接一个大电容，主电源正常时对电容充电，当电源突然断电或者进行电力维修时，电容工作，以保证时钟芯片的正常工作。其与单片机连接电路如图8。图11 时钟电路Fig 11 Clocke circuitDS1302各脚功能如表2所示。DS1302主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。为了初始化时进行数据传送，将RST置为高电平且把提供地址和命令信息的8位装入到移位寄存器。数据在SCLK的上升沿串行输入。无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定40个字节中的哪个单元将被访问。在开始的8个时钟周期把命令字节装入移位寄存器之后，时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的时钟脉冲个数20。表2 DS1302的管脚介绍Table 2 DS1302 tube feet is introduced管脚名称功能X1X232.768kHz晶振引脚RST复位I/O数据输入/输出SCLK写保护VCC1VCC2电源引脚GND地4.7.5 键盘控制电路下面是键盘控制电路图：图12 键盘电路Fig 12 Key board circuit单片机应用系统通常都需要进行人机对话，这包括人对应用系统的状态干预与数据输入，还有应用系统向人显示运行状态与运行结果等。如键盘就是用来完成人机对话的人机通道。在该系统的设计中采用的是独立连接式键盘。它有四个按键，每个按键都是一个常开开关。在这四个按键中，每个按键的分工各不相同，它们分别作为菜单键，加键，减键确定键。当任何一个按键按下时，与之相连的输入数据线即被清零，而平时该线为高电平。要判别是否有按键按下，用单片机的位处理命令非常方便22。4.7.6 显示电路显示电路是为了让使用者能够很清楚的了解到所需要的信息,方便的对控制时间进行调整。它可以采用液晶或者数码管作为显示器件，液晶显示可以使显示的内容更清晰和丰富，但基于成本较高，该电路中选用数码管作为显示器件。电路图如图:图13 数码显示电路Fig 13 Digital display circuit数码管显示的串口输出电路，串口4位数码显示主要由供电电路、串并转换电路、数码显示电路组成(如图9)。串并转换电路主要由4块移位寄存器74ALS164组成。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当一组数据依次输入时，寄存器中的数据在每个时钟脉冲的作用下依次向下一个寄存器传递。最终在输出端（QAQH）得到八位并行输出的数据。由于寄存器是级联的，所以在时钟脉冲的作用下依次为每个数码管提供八位的数据。数码显示电路主要由八段数码管组成，其电路是共阳的，当输出一定的编码数据时显示相应的数字。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， 4.7.7 稳压电源电路由于本方案采用单片机来完成对系统的控制，对单片机等芯片的供电电源质量要求比较严格，因为蓄电池的端电压会随着充放电的深度而变化 ，所以不能直接从蓄电池端电压进行采取为芯片供电，所以要设计一个为芯片供电的电路。电源直接从蓄电池取电， 经过MC34063稳压后， 所用的芯片提供5 V 的工作电压， 其电路如图14所示。图14 稳压电源电路Fig 14 Stabilized voltage power supply circuit5 系统的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、DS1302的读写程序、AT89S52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。程序开始要进行初始化，调用AT89S52内部存储的开关路灯时间点，程序每隔一段时间调一次DS1302中的时间。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，设定的比较间隔为1秒一次，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，对驱动电路进行驱动。系统总体程序流程图如图15所示。陈序见附录。图15 系统总体程序流程图Fig15 The whole system program flow chart太阳能跟踪系统的陈序流程图：图16太阳能跟踪系统陈序流程图Fig 126Solar energy tracking system Chen sequence flow chart6 结束语本系统采用MSC一51系列单片机AT89S52为中心器件来设计路灯控制器，实现了设置路灯燃亮时间的功能，显示时间的功能。系统设计简便、实用性强、操作简单。同时，系统采用太阳能电池进行供电，不仅环保节能，还省去了铺设电缆的麻烦系统不足之处不能自动根据光照强度改变路灯开关等，如果需要亦可以扩充原系统。硬件控制电路简单，可降低生产成本， 采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性, 缩小系统的体积，调试和维护方便，并可根据具体情况修改程序中的参数。参考文献1 刘树民.太阳能光伏发电系统的设计与施工M.科学出版社,2006:25-482 张正华.有机太阳电池与塑料太阳电池M.化学工业出版社,2006:22-35 3 张宏.单片机原理及应用M.中国电力出版社,2009.2:210-2505 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京航空航天出版社,1999:34-646 凌玲.太阳能半导体照明的机遇及前景.新材料产业M.2003:55-847 刘宏,张晓晶.高亮度白光LED直流照明灯的研究J.节能与环保,2005:1-58 迎接高亮度LED车头灯照明世代J.新电子科技杂志,2006:24-28 9 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