毕业设计（论文）-路灯节能控制系统的设计.doc

无 锡 职 业 技 术 学 院毕业设计说明书（论文）路灯节能控制系统的设计 摘 要：LED 被认为是新一代的绿色照明设备。太阳能LED 路灯是以太阳能作为能源。太阳能路灯 系统中蓄电池的使用寿命直接影响了整个控制器的寿命,针对此情况, 从控制器要实现的 功能，太阳能对蓄电池的充放电方式和实际的应用需求等方面做了分析，完成了整个系统 的硬件电路的设计和软件的编写，实现了对蓄电池的科学管理，将整个控制系统应用于太 阳能LED 路灯控制系统，实现了控制器的节能控制功能。关键词：LED路灯；太阳能电池；蓄电池；PIC16F876；充电控制器1 引言 太阳辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可再生，无污染，是国际社会公认的理想替代能源。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，即2060年，全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的13%15%之间，而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于5014。而在照明领域，白光LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件，LED电/光转化率高、省电节能、环保、寿命长（10万小时以上）、抗冲击、开关速度快，体积小等优点。是新一代高效固体光源。LED是低压直流器件，很容易被太阳能电池、蓄电池等低压直流电源驱动。如用常规交流电驱动，还要有AC/DC、DC/DC稳流降压段，能量消耗较高。另外若用常规交流电网供电电压也较高，因此安全性能也不及太阳能电池等直流驱动方式。因此太阳能与LED照明可完美结合。2 研究背景 2.1 太阳能的研究背景 2.1.1 太阳能光伏发电的原理：太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于PN结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。 2.1.2 太阳能路灯的组成及特点：太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、发光组件组成。具技术特点是：(1)具有特大功率，光亮度相当于白炽灯150W-250W时，每天8小时照明，可在连续阴雨9天内正常工作；(2)应用了具有充放电保护功能、光敏自控装置和时控装置的光电智能控制器，使产品可有效地节约能源，增加有效照明时间，降低生产成本；(3)中央控制器单元采用TEC1208型芯片，并在智能控制器中建立了全球不同纬度的全年日照时间数据。使用时在控制器中输入所在地区纬度，调整好年、月、日和开/关机的时间，就能够长年自动跟踪环境光线；(4)在大面积使用后，启动和关闭的时差很小，从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过大而产生的种种弊端。 2.1.3 负荷计算道路平均照度（E）计算公式E NUKSW式中： 为光源的总光通量；N 为路灯布置取值,当路灯为相对矩形排列布置时取2，当单侧和交错布置时取1；U 为利用系数；K为维护系数；S 为灯杆间距；W 为路面宽度。根据城市道路照明设计标准及道路类型的照度要求来确定太阳能路灯灯具的功率，根据每天照明的时间可计算出每天负荷的用电量。 2.2 LED的研究背景 2.2.1 LED 的原理：简单地说在一块本征半导体的两边通过不同的掺杂分别做成P 型和N 型半导体。P 型半导体中空穴为多数载流子，N型半导体中电子为多数载流子。由于浓度差，这两种载流子会自发向对方区域扩散。因为空穴带正电，电子带负电，所以两种载流子会在交界面复合，从而在交界面两侧形成一个空间电荷区，其电场方向由N 指向P，这就是PN 节。这个内电场的形成阻碍了多数载流子的扩散运动，因此一定温度下PN 节的尺度是确定的(见图1)。当PN 节外加正向电压时（P 型半导体接电源正极，N 型半导体接电源负极），外电与内电场作用，总的效果是削弱内电场，从而空穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时高能态的电子与空穴复合时就把多余的能量以的形式释放出来，从而把电能直接转化成光能（见图3）。当然在发光二极管的PN 节上加反向电压（P 型半导体接电源负极，N 型半导体接电源正极），由于内电场被加强，所以进一步阻止了多数载流子的扩散运动，电路不能导通就不能发光。值得注意的是，不是所有的半导体材料都能用来做成发光二极管的，目前用得较多的是GaP(磷化稼)，GaAsP(磷砷化稼)等。通常的LED 结构见图2。 图1 PN结的形成 图2 LED结构 图3 电子空穴复合 2.2.2 LED的应用及发展前景LED在开始研发阶段其功率只有几毫瓦，而目前国内的很多LED产家都能生产出单灯功率超过200瓦的产品。上海、北京、杭州等城市已决意采用高效节能的LED 来代替传统的高压钠（汞）灯做为夜间道路的照明（见图4）。 图4 夜间道路的照明 2.2.3 LED路灯的特点 LED路灯即半导体照明灯，以发光二极管作为光源，是一种固态冷光源。LED路灯与目前普通的高压钠路灯相比，具有优势：省电节能，维护成本低，显色性佳，环保无污染，安全性高，配合软件可由远程自动遥控亮度，安装简便，模块安装、无多余配线等。 2.2.4 LED路灯的发展趋势路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义，这也是政府大力推广LED路灯的原因所在。在2009 年“十城万盏”的21个试点城市中，安装的LED 路灯大约为22.2万盏，预计两年内将大规模铺开。 2.3太阳能与LED照明的结合：太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合的关键在于两者同为直流电、电压低且能互相匹配。因此两者的结合不需要将太阳能电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。同时，借助于并网技术或利用蓄电池充放能量，使其优势更加明显。随着相关技术的深入研究，LED的发光效率正在不断提高，超高亮度的LED将要问世，势必会取代普通照明电光源，并大量节约能源且无污染。 LED的工作电流是直流，且工作电压较低。太阳能电池将光能转化为直流电能，且太阳能电池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统，实现十分完美的结合。值得一提的是近年来该领域发展的一种新思路太阳能与LED的结合。在一些生活小区、公园、景区等地，已出现利用太阳能电池板对LED进行供电的示范工程。这种照明是独立成系统，不需要从电网获得能量。从而进一步拓宽了太阳能和LED的应用，能取得更好的节能效果（见图5）。图5 LED与太阳能结合照系统明 2.4路灯节能需保障的四个方面首先，城市道路照明，需要保障的4个方面： 1)城市形象：当前我国各地政府，为了政治或民生需要，大力推进城市建设，扩大城市影响力和竞争力，着重城市规划和基础设施建设，城市规模和城市化率不断提升。而道路照明以及景观照明的亮化，是城市品味的重要方面，如果一个城市，一开灯就节能，亮度不足，将使这个城市没有生气，形象将不言而喻。 2)繁荣经济：政府财政的一大部分来自商业税收，如果傍晚灯光灰暗，将影响大家上街购物休闲的积极性，如果大家不购物，没有销售，财政税收将下降，政府可支配收入将出问题。 3)交通安全：由于人体生物“瞳孔效应”，在旁晚，强烈的太阳光将人体瞳孔缩得很小，保障视网膜不被烧伤。但太阳刚下山时，光线立即变暗，而人体的瞳孔，由于生物效应，需要时间张开，此时，再亮的灯光都觉得暗，因此需要高亮度照明。（太阳光强是路灯的几千倍），当然，在后半夜，由于道路车辆很少，行人也少，交通事故不容易发生，可做比较深度节能，但严禁采用半夜灯方式节能，这种方式形成斑马效应，使司机很难看清在阴影区是否有人存在。 4)社会治安：现代城市要求，有路就要有灯，有灯就要亮。如果那个地方路灯不够亮，小偷小摸就多。 各地路灯部门常接到公安部门由于有路无灯或大面积无灯的投诉。 当然，道路照明节能，不能影响灯具寿命,严禁采用固定降压等方式节能，和闪断突变调压方式节能，这些方式将大大缩短灯具寿命。 2.5理想路灯节能技术的要求1）节能原理：采用高频大功率电力电子器件实现电压调幅，不能采用可控硅调压技术，不建议使用变压器或电抗降压节能技术。2）智能可设置6时段以上自动控制节能，多时段电压、节电率、照度由用户设置调节。 3）无触点调压，不建议采用接触器触点调节电压。 4)电压调节无级连续，每级调节电压步进值小于1V，调节时灯不闪不灭，无电网闪断冲击。 5）当调压时，调压速度可由用户设置，以适应灯光亮度缓慢变化和灯管电弧稳定。 6）开灯具有全电压预热，预热时间(大于10分钟)可软件设置调节。 7）节电器输出电压稳压调节范围160-220V。 8）节电器输入电压适应范围：160V-260V。 9）三相独立调节，能适应三相严重不平衡工况。 10）有手动旁路和故障自动旁路功能，节能状态到旁路以及旁路到节电状态转换，不能闪灯和灭灯。 11）具有无条件保障照明功能，过流、过压、欠压、过热自动旁路，并能记录故障代码，以便维修维护。设备损坏时不能导致灭灯，故障时不影响路灯寿命和正常运行。 12）节能设备在室外露天安装，箱体材料需采用厚为2毫米的钢板静电喷塑（保证10年不氧化），要求防护等级不低于IP33，具有风冷系统，箱内开关选用优质品牌。 13）标准的正弦波电压（同输入电压波形），无畸变；不额外增加照明负载电流谐波（钠灯双峰电流波形），输入电流总谐波不增加。 14）功率因数只能提高不能降低。 15）具有监控开关灯接口和监控调压接口，可由中央控制室发出调压命令和开关灯。 16）具有自动复位功能，在停电后恢复送电时，全电压启动预热，启动完成后按工作设定自动调整进入工作状态。 17）具有防雷装置和安全接地。 18）其它要求及说明。 2.6 传统路灯节能方法对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备很多，其中照明控制调控装置所占比例最大。传统的路灯节能方法可以分为以下几种:(1)晶闸管斩波型照明节能装置原理:采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管(可控硅)的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。但该调压方式存在致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。(现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数)在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海外发达国家，广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用.大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备是不宜用于照明电路中。谐波的危害：a.缩短电力电容器的使用寿命，严重情况下，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。b.变压器的铜耗、铁耗增大，减少变压器的实际使用容量，浪费电能。c.增加电气设备附加损耗，减少出力，浪费电能，严重时使电气设备过热，烧损。d.造成开关、接触器等电气设备的误动作，自动化仪表不能正常工作。e.产生严重的、看不见的电磁波干扰，使有线和无线信号无法接收和传输，影响手机、电视、广播、电脑等设备的正常使用，损害人体正常生理机能。(2)自祸降压式调控装置现在市场上最多照明节电产品就是此类产品。它的原理是，通过一个自祸变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、巧、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。这类产品最大的优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，当然可靠性也比较高。存在的技术缺陷:l)固定多档降压器由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，一般副边有三到五个降压抽头，分别降5V、IOV、15V、20V，一旦接线端固定，降低电压就是固定值，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压处在不稳定波动状态，无法起到对电光源的保护作用。当电网电压高时，节电率不是最佳状态；而电网电压低时，可能出现欠压现象，造成灯具无法正常点亮，反而降低灯具寿命，这是这类调控装置存在的最大安全缺陷。当用电高峰时，电压过低，电气设备也无法正常运行。2)接触器型降压器这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路(设备的安全保护)，一般都用的都是交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。但是，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下:a.交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开起和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁切换的场合。b.交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10一20ms的断电，我们称之为“闪断”，这样的断电会导致Hlo灯(HighIntensityDischargedLam介一高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等)熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5一10min左右，在使用中，这将是个严重故障。根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。从这两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为其本身都存在技术缺陷，可控硅(相控)型优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值，缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自祸降压型的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。3 太阳能路灯系统组成、工作原理与发展现状 3.1 太阳能路灯系统组成目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统，主要由六个部分组成：太阳能电池、蓄电池、负载（高压钠灯、或者LED路灯）、控制器、充电电路、放电/负载驱动电路。基本结构如图6所示：路灯 蓄电池太阳能电池 放电驱动电路 充电电路控制器 传感器 图6 太阳能路灯控制系统3.2 太阳能路灯的工作原理太阳能LED路灯运行过程中，LED路灯都是在夜间运行的。因此太阳能LED路灯的工作方式为：太阳能电池在控制器控制下通过充电路在白天为蓄电池充电，而在夜间或连续阴雨天气里蓄电池放在控制器控制下通过放电/驱动电路点亮并调节LED路灯的亮度另外因为太阳能电池受环境温度、光照条件、湿度等影响很大，所以供应的电力不稳定，蓄电池可以稳定整个路灯系统电路的势能，为控制器提供稳定的工作电压和电流。在太阳能LED路灯系统中，太阳能电池的使用寿命一般是在2030年，而LED正常寿命也在10万小时以上，而寿命比较长的免维护铅酸蓄电池的寿命在使用得当的情况下，一般是56年，所以铅酸蓄电池的使用寿命基本上就代表着太阳能路灯的阶段性寿命。3.3 太阳能路灯的发展现状目前，市场上有各种各样的太阳能路灯，这些路灯系统主要问题是可靠性不高，其原因是：控制器对于蓄电池的保护不充分而导致蓄电池的损坏。这些控制器对蓄电池的充电采取了很多有效的措施，确保蓄电池不会过充电；比如当蓄电池的电压达到充满点（密封铅酸电池为单体2.35V，固定式铅酸电池为单体2.5V）时，控制器将充电回路断开，或者采用脉宽调制的办法或多路充电的办法，随蓄电池的电压接近充满点时，充电电流逐渐减小，从而达到保护蓄电池不被过充的目的。但是对于防止蓄电池过放电，目前市场上的太阳能路灯控制器只是一点式控制，例如，德国的STECA控制器，TRISTAR充放电控制器，PSR20充放电控制器等。即在蓄电池达到过放点之前不做任何控制。尽管目前的路灯控制器一般还具有光控开关和定时器，可以人为设定路灯的工作时间，也有将路灯的功率分档，前半夜满功率，后半夜半功率工作，但都没有通过在线检测蓄电池的剩余容量而自动调整负荷,这样仍然避免不了蓄电池的过放电，而蓄电池一旦过放电，或者强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压过低使负载自动断电。这样做的后果是：切断负载影响整个系统的正常工作并且蓄电池已经处于深度放电状态，大大缩短了蓄电池的使用寿命。4 太阳能路灯系统设计的关键技术 4.1 太阳能电池是太阳能路灯系统的动力源泉，由于受环境影响比较大，所发电力微弱而不稳定，而且安装方式对其影响也很大，所以必须对太阳能电池板进行最佳安装倾角和太阳能电池倾斜面上辐射强度的计算。对这两方面的计算主要采用由各向异性Hay数学模型的推导的太阳能电池板安装最佳倾角的数学表达式来计算：式中：Hb水平面上直接、Hd散射辐射量、Rb倾斜面与水平面上直接辐射量之比、Ho大气层外水平面上太阳辐射量、太阳能电池板倾角、H水平面上总辐射量、为地物表面反射率、当地纬度，s日出时角。以及各向异性Hay模型的推导所得的倾斜面上太阳辐射量的公式：式中：Hb水平面上直接、Hd散射辐射量、Rb倾斜面与水平面上直接辐射量之比、Ho大气层外水平面上太阳辐射量、太阳能电池板倾角、H水平面上总辐射量、为地物表面反射率。 4.2 铅酸蓄电池虽然结构简单，但实际上是一个比较复杂的储电装备。蓄电池的容量检测由于受到诸多因素(温度、电压、充放电电流及次数、放度、内阻、溶液的密度、使用时间、自放电等)的影响,难以准确进行在线测因此对蓄电池剩余荷电容量的准确测试提出了很高的要求。对蓄电池剩余容量的检测，通常有电液比重法，开路电压法，内阻法等电液比重法对于阀控式密封铅酸蓄电池不适用。开路电压法，是基于Ne热力学方程电液比重与开路电压有确定关系的原理，对于新电池尚可采用。池使用后期，当其容量下降后，开路电压的变化已经无法反映真实剩余容量外，开路电压法还无法进行在线测试。内阻法，是根据蓄电池内阻与蓄电池量有着更为确定的关系，但通常必须先测出某一规格和型号蓄电池的内阻一曲线，然后采用比较法通过测量内阻得知同型号、同规格蓄电池的剩余容量用性比较差，测量过程也相当复杂。综合以上蓄电池荷电容量（SOC）测试法的缺陷，本文采用了综合考虑蓄电池充放电率、充放电过程中的端电压、电液比重、内阻等各个物理化学的蓄电池剩余荷电容量（SOC）的数学模型，该数学模型就能够较为准确地反应出各个物理化学参数的变化对蓄电池剩余容量的影响。有了这样的通用性强能够反映各个物理化学参数连续变化对蓄电池荷电状态影响的数学模型，就很方便地在线测量蓄电池的剩余容量。蓄电池剩余容量充电和放电过程的数学模型如下。蓄电池充电过程数学模型：式中：rU静止电压SOC蓄电池剩余荷电容量DOD放电深度（DOD=1?SOC）I充电电流Ah电池标称容量T环境温度a由于反应物和生成物比例的改变引起的电压变化的常数，0.10.2；b电化学极化项常数，0.20.25；c内阻极化项常数，0.150.25。蓄电池放电过程数学模型：式中：d由于反应物和生成物比例的改变引起的电压变化的常数，0.10.2；e电化学极化项常数，0.10.15；f内阻极化项常数，0.080.15。蓄电池的循环寿命与蓄电池的放电深度有着密切的关系，阀控式密封式铅酸蓄电池在放电深度(DOD)为20%时，循环寿命大于1500次；当放电深度为50%时，则循环寿命将降到500次左右，而当放电深度为80%时，循环寿命将只有大约200次。由此可以看出放电深度在20%以下时的循环寿命分别是放电深度在50%时的循环寿命3倍以上，是放电深度在80%时的循环寿命5倍以上。控制蓄电池尽量工作在浅放电状态(SOC50%)，将有利于延长蓄电池的使用寿命。另外蓄电池如果经常处于过放（SOC10%20%）或者过充（SOC=100%，但仍充电），其寿命一般会比长期处于相对饱和状态的蓄电池寿命要缩短到正常寿命的1/3或者更短的1/5的时间。因此，在这些仅仅依赖太阳电池对蓄电池充电的光伏系统，控制器对蓄电池的控制对系统的稳定性能及成本的作用是显而易见的。5 改进控制方案与设计思路在本课题的设计过程中充分考虑了蓄电池过充与过放问题，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC）充放电数学模型和剩余荷电容量（SOC）与蓄电池循环寿命的关系，在设计太阳能LED路灯控制器的时候，我们采用以下控制方案，完全避免蓄电池过充和过放，并保证LED路灯以尽可能延长点亮的时间。在充电阶段为三点控制：第一段（10%SOC40%：过放状态）为快充阶段、第二段（40%SOC95%）浮充阶段。充电过程中逐渐减小脉宽调制信号（PWM）的宽度。在放电/驱动阶段分六段进行监控：（100%SOC90%）（80%SOC90%）（80%SOC70%）（60%SOC70%）（50%SOC60%）（40%SOC50%），对应各段计算出对应的脉宽调制信号（PWM）宽度来驱动LED路灯。在放电/驱动过程中逐段缩小PWM信号的宽度，保证足够亮度同时，以最长的点亮时间为控制目标。10%SOC959080706050电压/V12.1911.0011.7611.3710.90SOC/%403020105 在控制器设计中，我们选择LM331芯片对太阳电池和蓄电池进行电压采样。LM331把电压信号转变成与电压信号大小相对应的一定频率的方波信号，检测频率信号即可知道太阳能电池和铅酸电池的电压的大小，另外当太阳能电池的电压0.5OCV（V）（即500outf Hz），即可断定为环境光线暗弱（天黑、阴天或是大雾等等），需打开路灯照明。太阳能电池与蓄电池的电压测量电路原理图8 如下所示：图8 太阳能电池与铅酸蓄电池电压采样模块电路设计 6.7.4 温度采样模块温度影响蓄电池的容量，温度升高，其过充电电压降低。图9 多路DS18B20的三线接法例如太阳电池对蓄电池充电时，我们对过充点进行温度补偿，补偿方式对于2V（铅酸蓄电池每格的电压）蓄电池，基准温度为25，温度每变化1，电压补偿3mV：例如：对于12V系统蓄电池的过充点电压为13.3V（25），如果温度为28，经过补偿后的过充点电压大小为： 6.7.5 时钟电路的设计时钟电路为系统提供时钟，路灯控制器一方面通过太阳电池的光控功能自动提供天黑、天亮的时间点。但是采用时钟电路能够为系统提供更多的时间点，例如，我们可以根据时钟电路确定现在的准确时间，可以确定四季、前后半夜。使控制器能根据季节的变化来确定灯每晚点亮的时间，来调整负载的工作时间，使路灯系统设计的更为合理。另外时钟信号的加入也加入了另外一个白昼与黑夜交替时间的另一个准确参考，必免开灯时间的误判断而影响路灯正常使用。本控制器选用DALLAS的DS1307作为时钟电路。DS1307是美国DALLAS公司推出的I2C总线接口的实时时钟芯片，它可独立于CPU工作，芯片还具有主电源掉电情况下的时钟保护电路，DS1307的时钟靠后备电池维持工作，同时还具有备用电源自动切换控制电路，因而可在主电源掉电和其他一些恶劣环境场合中保证系统时钟的定时准确性。DS1307与AT89S52的硬件连接图10。图10 DS1307与单片机的连接1)IC总线的特点IC总线是菲利浦公司的一种二线通信专利技术。它可用两根线（SCL、SDA）连接多个具有I2C总线的接口的器件，每类I2C器件都有唯一确定的地址号，以便在器件之间进行数据传送。I2C总线是同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开结构，故总线上必须有上拉电阻，总线上可以连接若干单片机和外围器件，每一个器件有一个唯一的地址。2)I2C总线虚拟技术普通的微处理器通常无I2C总线接口，这样要驱动DS1307，就必须采用单主方式下的I2C总线虚拟技术，在单主方式下的I2C总线虚拟系统中，总线上只有一个单片机，其余都是带I2C总线的外围器件，因此不会出现总线竞争，主节点不会有自己的节点地址，在这种情况下，单片机可以没有I2C总线接口，但是可以用两根I/O口线来虚拟I2C总线接口，DS1307在I2C总线上应作为从器件。 6.7.6 充电电路的设计T1 为充电控制场效应管，T2 为防反充控制场效应管，两个场效应管串联在一起控制充电电路。T1 是通过一个三极管来驱动的；T2 的通断由光耦来控制，这样可以使控制回路和主回路隔离。充电时，T1、T2 同时通，电流从太阳能电池正极向蓄电池充电， 经过T2 和T1 流到太阳能电池负极形成回路。充电时PWM 的占空比从0到100持续可调。 6.7.7 放电电路的设计T3为放电控制场效应管，其控制方法和T1 是一样的，利用光耦也可以使主回路和控制回路隔离。到了晚上且蓄电池的电压大于过放电压，则T3 就会导通，电流从蓄电池向LED 灯放电，经过T3 流回蓄电池形成回路。若负载短路，导致采集到的电压值超过了安全值，那么过流保护电路将直接切断T3， 保证系统不会因为负载短路而损坏9。 6.7.8 LED路灯驱动与亮度调节电路该驱动电路与充电电路基本相同，只是电源是蓄电池，负载为大功率白光LED发光版，并去掉了防反冲二极管部分。输入端调节LED路灯亮度的PWM信号宽度是根据蓄电池的剩余荷电容量（SOC）的大小来计算，并在计算时要用LED路灯的温度进行补偿，以防止LED器件节温超过120而产生光衰现象。电路实现如下图：图11 LED路灯驱动与亮度调节电路图 6.7.9 实现脉宽调制信号（PWM）输出设计一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种是采用模拟电路中的调节方法，另一种方法是使用脉冲计数法。在模拟电路中，我们可以使用比较器将正玄波与三角波调变为PWM波，如图12所示为PWM调变电路及图13所示PWM调变示意图。图12 PWM调变电路图13 PWM调变示意图 对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在比大的困难，这主要是因为滤波频率比较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此这里主要采用有单片机控制实现的脉冲计数法。用单片机产生PWM信号的方法有两种，一种是应用延时函数来产生PWM波，另外一种就是采用专用的带有PWM信号输出的专用计数芯片来产生PWM的输出。PWM的输出端可接于上面所示的PWM充电控制电路。7 太阳能LED路灯控制器固件程序总流程 a控制器从上电后开始运行初始化程序，主要是设置各硬件端口的初始状态，在这一部分要对看门狗芯片进行设置防止系统跑飞的初始时间，随后对看门狗进行清零，开始计数。b放电/充电部分要测量太阳能电池电压小于阈值(Voc0.5V)，以此来判断是否环境光线已经暗弱（天黑、阴天大雾等等）到需要打开路灯照明的程度，反之进入充电状态。c在充电支，对于是否可充电的判断是通过对太阳能电池电压采样数据和铅酸蓄电电压采样数据的比较来判断。太阳能电池电压大于蓄电池电压的时候才真正进入充电状态。（1）在充电状态，首先对太阳能电池和蓄电池电压测量取值，并计算二者的差值。并根据剩余荷电容量（SOC）数学模型进行铅酸蓄电池剩余荷电容量（SOC）的计算以判断铅酸蓄电池的荷电状态。以差值和蓄电池剩余荷电容量（SOC）为参数计算出对应于快充、过充（慢充）或者浮充时控制充电电路的脉宽信号（PWM）对应的键值。（2）将键值输入到控制充电电路的脉宽信号发生器的锁存器上，随后主程序可进行相关的延时处理，而脉宽信号（PWM）发生器在此期间不断发送控制信号到充电电路控制端对铅酸蓄电池进行充电（过充、快充或者浮充）。（3）主程序要根据不同的充电状态，需要设定延时程度不同长短的延迟时间。以使因不同充方式要有大致相同的延迟时间，因为要求速度要求不高，可以设置30s40s延时。（4）延时30s40s后返回清狗程序段，继续判断应该充电（白天）还是放电（夜间）继续执行。（5）当太阳能电池电压相对要低于蓄电池电压时候，这部分的延时间程序除了对控制器中必要的接口锁存器操作外，基本处于空闲状态，延时的时间可以设定为充电（快充、过充、浮充）总延时的35倍，这样控制器在运行时能量消耗可以相应降低。d在放电支，测量蓄电池电压，根据数学模型计算出蓄电池剩余荷电容量（SOC），计算各区间（90%，100%、80%，90%、70%，80%、60%，70%50%，60%、40%，50%）中驱动并调节LED照明亮度的脉宽信号（PWM）的对应键值，为了减少系统运算量，保证系统控制的实时性，可在各区段取对应的固定值，然后加上LED温度作为补偿值，防止LED温度过高出现光衰，甚至因过热损坏。当SOC处于40%以下时候，应该做特殊处理，以最低亮度标准运行，并且一定要在过放之前切断负载供电，在设计中，我们一般在剩余荷电容量（SOC）为25%时候就切断电源，以阻止蓄电池进入深度放电状态。虽然与一点式控制的控制器都是切断了电源的处理方法，但是在过放之前分段控制能大大延长路灯的点亮时长，实践中本文设计的太阳能LED路灯点亮的时长，在很少牺牲亮度的前提下，是用同样型号的太阳能电池、蓄电池、负载（LED照明器件）过放点监控的太阳能LED路灯23倍。e以上在计算蓄电池剩余荷电容量（SOC）时及判断电池所处状态定点值的时候，为了提高数值准确性，都要进行温度补偿。例如太阳电池对蓄电池充电时，我们对过充点进行温度补偿，补偿方式对于2V（铅酸蓄电池每格的电压）蓄电池，基准温度为25，温度每变化1，电压补偿3mV：例如：对于12V系统蓄电池的过充点电压为13.3V（25），如果温度为28，经过补偿后的过充点电压大小为：太阳能电运行初始化程序代码放电充电计算对应PWM键值50%SOC60%?计算对应PWM键值计算对应PWM键值计算对应PWM键值快充慢充计算控制快充的脉宽PWM）信号对应的键值计算控制慢充的脉宽PWM）信号对应的键值延时处理是否可充电充电放电清狗Y计算控制浮充的脉宽（PWM）信号对应的键值计算