智能追光节能路灯论文.doc

智能追光节能路灯设计论文院校：安徽大学参赛队员：张平 刘少青 张涛 指导老师：李民权前 言本课题主要运用追光控制、电能采集、PC监控等技术对路灯进行控制，达到智能节能的目的。该系统能实现自动追光控制，以达到最高的光电转换效率；具有可靠的充电电路为蓄电池充电，可以实现自助供电而脱离外界电源；另在总部可以通过有线或无线控制技术控制多个路灯，在智能之上实现人为的管理。其可以对现有的太阳能路灯进行改进，制作出更高效节能的太阳能路灯，还可将此系统进行改进运用于电动汽车的太阳能收集、户外工作设施等领域。本系统主要工作和成果如下：1. 最大功率点跟踪控制方法是太阳能采集系统中提高系统效率的重要手段。本系统通过比较使用光敏电阻探测法和采集太阳能电池板电压比较法两种方案，结合电路复杂度及灵敏度选择了后者作为该系统的最大功率点探测方法，在此方法中采用脉宽调制信号（PWM）控制舵机平滑转动，以寻找最大功率点。2. 本系统是脱离外界电源的装置，内部各设备工作电源均有蓄电池提供。为达到稳定且满足要求的工作电压，研究了使用5V稳压电路。在电路中设置了多个开关便于检查电路故障与协调电路工作。3. 路灯控制也是智能路灯的一个体现，该系统中比较分析了两种控制方案。其一，通过光敏电阻控制继电器装置来实现开关的闭合。其二，从追光部分采集的电压进行分析来控制灯的亮灭。通过比较一中电路过于复杂，而且二中使用的数据可以直接得到，无需增添其他设施，基于此选择二中方案作为路灯的控制方案。4. 电能采集是本系统的核心部分之一，研究使用升降压电路以得到满足充电范围的电压。在系统采用了MC34063，根据芯片的电压和太阳能电池板输出电压可知由此芯片组成的电路满足电能采集的要求。5. 实际应用中，可以增添监控装置及外界防护设备。应用中，可以根据实际情况采用有线和无线两种控制装置对每个路灯进行系统的管理与控制，本系统设计了有线控制系统，并提出采用Zigbee技术实现无线的控制方案。防护方面是外接工作装置必须考虑的一个方面，本系统提出了多了防护对象及在防护过程中的注意事项。2、 系统简介：1、 整体设计：如图1所示本系统设计主要有追光控制、电压转换、路灯控制、充电部分和监控五个部分组成，其中核心部分是追光及充电两个部分。追光控制可使用舵机实现，研究将太阳能电池板转动角度分为57个部分，每转动一次约3.1度（此处分析的是演示模式）。通过脉宽调制信号（PWM）控制舵机的转动。当太阳光照射在太阳能电池板上时，使用ADC0809转换芯片每5S将模拟电压转换为成数字量，通过单片机每次从首位置到末位置的过程寻找输出电压最大位置，后将太阳能电池板转到此位置，5秒后进入下一轮的寻找。在路灯状态控制部分，同样使用电池板输出电压来判断白天/黑夜状态，以控制路灯的亮灭情况。由电池板输出的电压经充电电路后为蓄电池充电，在此处基于充电条件的考虑选择了升/降压电路，以获得最佳的充电条件。在整个控制和电能收集的过程中使用的电源就有充电蓄电池提供，基于此采用了稳压电路，为各装置提供稳定、可靠地工作电压。采用7805制作的5V稳压电路，为单片机提供电源采集电压经A/D转换送入单片机进行比较控制蓄电装置充电电路太阳能电池板装置AT89S52监控与控制电路AD转换电路稳压电路趋光控制电路PC机监控系统路灯控制装置路灯模拟由低电压LED灯组合而成，需对工作电压稳压在5V左右。路灯白天/黑夜状态转换控制管PC机采用有线或无线对本系统进行监控图1.整体设计框图监控部分是PC机对该系统的监测与控制，根据实际情况可以采取有线和无线两种方案，在本系统中采用有线监控方案，研究自制控制软件于PC机上对系统进行控制，操作简单，监控效果良好。2. 系统方案（1） 追光控制部分方案一：利用光敏电阻设计控制电路，在太阳能电池板转动的180度范围内安置8个光敏电阻，分别与ADC0809八个模拟量输入端口相连接，把采集的八个端口模拟量送入51单片机比较，根据比较结果控制舵机选择最佳位置进行采光。从而寻得最大功率点。方案二：利用太阳能电池板的输出电压作为ADC0809的模拟输入量，将太阳能电池板转动角度分为57个部分，每转动一次约3.1度。在每个角度上设定脉宽调制信号（PWM），用以控制舵机的转动。当太阳光照射在太阳能电池板上时，使用ADC0809转换芯片将采集的模拟电压转换为成数字量V，通过单片机控制其从起始位置到末位置寻找电压最大位置Vmax，后舵机转到此处停下，待五秒后进行下一轮循环。图2.A/D转换电路连接图如图2所示，ADC0809芯片模拟选择设置端口选择与单片机P2口的4、5、6三引脚相接。选择AD的IN2引脚作为模拟量大的输入（从太阳能电池板获得），转换的数字量输出到AT89S52的P0口。其中ADC0809输入模拟量在05V范围内，八个输出口可以把5V的电压分为255份，即没改变输入模拟量约0.02V，输出量就改变一份，方案比较：方案一中将舵机转动的180度分为8个位置，且占用了AD芯片的八个模拟量输入口；而方式二将180度转动角度分成了57位置，仅用一个模拟量输入口。比较两方案可以发现方案二更加精确，太阳能电磁板反应很灵敏，光强有很微弱的改变时输出电压就会发生改变，作为选定位置控制信号很合适，基于此本系统采用方案二在此部分中脉宽调制信号设计如下：（2） 路灯控制部分方案一：采用光敏电阻设计一继电器开关来控制路灯亮灭的切换。继电器开关原理图如图4所示，当照度下降到设置时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对路灯电路的控制。其中，Rc为光敏电阻，K为继电器。图3.光敏电阻开关电路方案二：采用太阳能电池板输出电压进行控制，由于电池板反应比较灵敏，当电池板输出电压大于0.1V时认为是白天，即关闭路灯；反之，是黑夜，打开路灯。其中控制信号和追光部分一样获取，在ADC0809转换数值量后对其进行判断，成立（黑夜）则将P1.1口赋低电平，开关导通，路灯亮；反之，赋高电平，开关截止，路灯灭。开关电路如图5所示。 P1.2端口信号图4.采集电压晶体管控制开关电路方案比较：方案一中使用了光敏电阻控制继电器的方法实现开关的控制，方法可行但需外加电路；在方案二中采用电池板输出电压进行控制，仅需一个晶体管，在软件中对输出电压进行判断，在夜晚中由于没有太阳光输出电压很低，基于此寻找一个临界点，当低于此点即可打开路灯。（4）充电电路部分该部分采用以MC34063芯片为核心的升压和降压电路，根据太阳能电池板的输出电压大小，选择不同的电路将输出电压稳定在蓄电池的充电电压范围内。如框图所示：太阳能电池板输出电压MC34036降压电路RMC34036升压电路蓄电池Rd图5.充电电路部分框图具体升降压电路如下所述：1 降压电路在太阳能电池板输出电压高于充电电压时采用该电路对其降压，降压变换器的原理：图6.降压型变换器的原理电路图图7为降压型变换器的原理电路图，由开关S、续流二极管D和低通滤波器L、C组成：当开关S闭合时设开关导通电阻为零，则A点电压等于直流电压V，二极管D因反偏而截止，电压V向电感L充电；当开关S断开时，电感L中的电流开始减小，相应产生反极性的感应电动势，导致D管导通，A点的电压下降到0。A点电压是幅度为V的周期性重复脉冲波形。为了保证电流的连续，通过电感的电流正增量应等于负增量，同样可以得出输出电压和输入电压的正比例关系，比例系数为脉冲占空系数，该系统始终小于1，为降压型变换器，且系数越大，输出电压就越大，但始终小于输入电压。输出电压和输入电压的关系：Vout=Vin*d式中，Vin为输入电压，Vout为输出电压，d为脉冲占空系数。2 升压电路在电压小于充电电压时使用该电路。由于MC34063芯片工作电压在340V范围内，所以输入电压Vin必须在这一范围内，对太阳能电池板来说，当外界光强较弱时该电路无法工作。在电路上加有指示灯，当有电流通过时灯即亮。升压倍数由芯片内部振荡器产生的脉冲占空系数决定的，在电路中其可以由电阻R1和R2调节，其中输出电压Vout与输入电压Vin的关系是：Vout=（1+R1/R2）*1.25VR1和R2比值试蓄电池的充电电压而定，在该电路中我们将R1换接为20K的电位器，调节使其达到最佳的输出电压（满足充电要求）。（5）监测与控制部分在实际应用中要考虑路灯的工作状态，为了确保路灯稳定可靠的工作，研究使用监测与控制系统。可根据实际情况选择有线和无线两种方式对本系统进行监控。如在监控的过程中，时刻监测核心部分单片机的工作电压，在工作出现异常问题时可以及时通知相关工作人员进行维修。具体设计如下：1) 有线控制方案1 问题分析在实际应用中，一般情况下采用有线监控系统对整个工作模块进行监测与控制，这种方案实施简单，成本低，采集的数据稳定，是一种可行性较强的监控方案。2 设计框图输出控制命令路灯工作系统PC监控中心反馈工作数据图7.有线控制的硬件组成框架图3 设计分析如上述框图所示，在有线监控系统中，PC机控制部分与路灯工作部分用串口线进行连接。在特殊的场合，PC机可以发送命令对路灯的工作状态进行控制；路灯工作系统亦可随时发送此时的工作数据给PC，工作人员根据工作数据分析此时路灯的工作状态，如出现异常状态及时采取有效措施给以解决。在本系统中，研究采用有线监控模式对路灯进行监测与控制，设计了PC机控制软件（界面如附录三所示）。在此监控系统中，可以对最大功率点电压、稳压电路输出电压进行采集并线显示于监控软件上；另路灯的工作状态可以即时的显示于软件上，在控制部分结合此处显示可以准确的人为控制路灯的亮灭状态。PC机使用此软件可以方便、有效的监控本系统的工作情况。四、小结太阳能的利用主要是采取太阳能取暖、太阳能热水（做饭）、太阳能发电等方式来完成。太阳能的利用由来已久，真正意义上的开发只有几十年，光伏电池是太阳能发电的主要手段之一，同一型号的光伏电池板与太阳光线的角度，直接影响着光电转换的效率。本系统让电池板时刻与太阳光线保持垂直以获得最佳光照，是提高光电转换效率是一个很好的方案。我们采用