智能太阳能路灯控制器设计_毕业设计论文.docx

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：智能太阳能路灯控制器设计学 院：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电093 学 号：0908030297 学生姓名：丁仲强 指导教师：李雪梅 2013年 6月11日贵州大学本科毕业设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 VII 页目录摘要IVAbstractV前言1一、太阳能路灯控制器的介绍21.1 太阳能路灯的发展趋势21.2 太阳能路灯控制器的发展现状21.3 太阳能路灯控制器的发展趋势3二、太阳能路灯的设计42.1 太阳能路灯硬件设计42.2 太阳能路灯位置跟踪装置的设计42.3 太阳能路灯行人检测装置的设计52.4 太阳能路灯控制器电路的设计5三、太阳能路灯硬件的设计63.1 太阳能路灯的硬件组成63.2 LED工作原理与电路设计63.3 太阳能电池与蓄电池的选择73.4 单片机的选择83.5 A/D转换器的选择105.5.2 ADC0808简介10四、太阳能路灯的电路设计134.1 蓄电池充电电路134.2 单片机电源电路154.3 蓄电池过放保护电路164.4 LED阵列驱动电路164.5 步进电动机驱动电源电路17五、太阳位置追踪装置的设计205.1太阳运行规律215.2 太阳运行轨迹跟踪方式225.2.1 视日运动轨迹跟踪225.2.2 光电跟踪235.2.3 视日轨迹跟踪与光电跟踪结合255.3 太阳位置检测传感器265.3.1 方位检测传感器的选择275.3.2 太阳方位检测电路295.4 太阳光光强检测模块305.4.1 硅光电池的选择305.4.2 光电检测电路325.5 数据采集335.6 机械追踪部分的设计与选择335.6.1 蜗轮蜗杆的选择与计算345.6.2 联轴器的选择与计算365.6.3步进电动机的选择38六、行人检测装置的设计406.1 热释电效应及热释电传感器406.2 菲涅尔透镜的选择426.3 热释电传感器的输出信号特性426.4热释电传感器的噪声分析436.5 LM324的介绍436.6热释电传感器放大电路的设计与分析43七、控制器程序设计467.1 Keil C51软件的介绍467.2 程序流程的设计467.3 子程序的编写487.3.1 定时器定时（中断）程序487.3.2 外部中断程序497.3.3 步进电机驱动程序507.3.4 延时程序53八、总结与期望55参 考 文 献57致 谢58附录59附录73附录74附录75附录76附录77智能太阳能路灯控制器设计摘要随着社会的发展和人口的增长，人类面临这更加严峻的环境和能源危机，世界各国相继制定了各自的发展战略，于是，对于太阳路灯的研究也越来越受到关注。本文是介绍的是一种智能的太阳能路灯的控制器，具有自动识别行人并控制LED点数与自动追踪太阳方位的功能的智能控制系统，本设计同样具有一般太阳能路灯控制器的常规功能（过充保护、过放保护与双模供电）。采用节能的大功率LED作为发光器件与高效率的单片机作为处理器，采用光电技术提高系统的灵敏度。该系统主要由行人检测与太阳位置跟踪两个方面构成。行人检测方面采用两个热释电红外传感器，通过双限电压比较放大电路对信号的降噪与放大，将处理后的信号交由单片机处理，判断行人所在区域是否为工作区域。而太阳位置追踪装置，则是采用一块硅光电池作为光强检测与一块四象限光电探头作为太阳位置检测。光强信号与位置信号分别通过I/V变换电路与放大电路进行信号的处理与放大，以得到A/D转换器可以识别与分辨的电压信号，A/D转换器将模拟量的电压信号转换为相应的数字量信号，以供单片机比较与计算，进而对太阳的位置进行跟踪，保证太阳能电池的主光轴与光线平行。该系统采用的行人检测装置及LED点数控制，很好的节省了蓄电池的能源，降低了蓄电池的损耗，降低了蓄电池更换频率。并且选用精度较高的四象限光电探头与步进电动机配合的太阳位置跟踪装置，能够提供足够的精度，以实现实时跟踪。关键字：太阳能；大功率LED；控制器；路灯Design of intelligent controller of solar street lampAbstractWith the development of society and population growth, Mankind is facing the more serious environmental and energy crisis. Many countries have formulated the development strategy,so,the research for the solar street lamp is paid more and more attention. This paper introduces the controller for control of solar street lamp,this intelligent control system with automatic recognition of pedestrians and controls the LED points,It also has the function of automatic tracking solar orientation.this design has the function of the general solar street lamp controller,like:overcharge protection,overdischarge protection and dual mode power supply。Its used energy-saving high-power LED as light emitting devices and efficient microcontroller as the processor.And its also used the photoelectric technology to improve the sensitivity of the system. The system is mainly composed of pedestrian detection and position of the sun tracking. Pedestrian detection using two pyroelectric infrared sensor, dual-threshold voltage amplifier circuit to reduce noise and amplification signal, then the signal will be processed by the microcontroller and determine whether the pedestrian area in the work area. The position of the sun tracking device uses a silicon photovoltaic cells as the light intensity detection and a four-quadrant photoelectric probe as the detection of the position of the sun. The light intensity signal and the position signal, respectively, through the I / V converting circuit and amplifying circuit to the processing and amplification,the voltage signal can be identified and distinguished by the A / D converter. A / D converter changes the analog voltage signal to be corresponding digital signal for the microcontroller compares and computation, thereby tracking the position of the sun, to ensure that the main optical axis of the solar cell parallel to the light. The system uses the pedestrian detection device and the LED point control,Its good used the battery energy and reduced battery consumption and the frequency of battery replacement.The position of the sun tracking device uses high-precision four-quadrant photoelectric probe and stepper motor to provide sufficient accuracy in order to achieve real-time tracking.Keyword：Solar Energy；High power LED；controller；Road lamp贵州大学本科毕业论文（设计） 第 80 页前言20世纪末二十一世纪初，各国意识到基于煤炭、石油等不可再生能源的能源危机，开始着手寻求新型能源，各类能源相继被应用于各个领域，尤其是太阳能与风力，虽然这些能源转换的效率并不高，但是其储备量大，清洁，可再生，继而被应用于各个场所，应用于各类发电，并且太阳能在在为人造卫星提供能源方面利用的比较广。太阳能是太阳内部或是太阳表面的黑子连续不断的核聚变产生的能量，并且地球上的能量无不是间接或者是直接来自太阳能，植物通过光合作用，将太阳能转换为化学能从而存储起来，而人类常用的煤碳，石油与天然气等化石能源也是由远古时代的植物经过化学演变而成。此外，水势能与风能也是由太阳能产生的。太阳能的存储量非常丰富，但是又因为其密度过小且分散，不同纬度的太阳能密度不同。地球轨道上平均太阳能辐射强度为1.369W/m2,赤道的周长则为40000KM，从而可以计算出地球所接收的太阳能达173000TW。在海平面的标准太阳能辐射强度峰值为1KW/m2，地球表面的每一点24H内的平均太阳能辐射强度为0.2 KW/m2，相当于102000TW。太阳能总量是地球人类所利用能源的很多倍，但是因其缺点，现阶段因技术，无法得到很好的利用。尽管太阳辐射到大气层的能量仅为其总能量的22亿分之1，但是也有173000TW，一秒钟辐射到地球表面的能量相当于500万吨煤炭。这样大的能源储备，对于太阳能的应用有着非常好的前景。对于太阳能路灯来说，还是有这相当广阔的前景，现阶段，对于太阳能能路灯的研究则是在其如何提高其能源的利用率与如何提高其的太阳能转换效率。对于前者来说，采用现阶段高效节能的发光器件大功率LED，并且视情况确定点亮LED的点数，根据行人的多少来控制点亮LED点数，或者是根据行人距离路灯的距离，通过一定的计算保证标准的光照明度的前提下，控制LED点数；对于后者来说，提高太阳能能量转换效率有两种方法，一是对太阳能转换器件（太阳能电池）的研究，这类需要在一定的科学水平上，现阶段受限制于光伏技术水平。二是通过追踪装置，来提高太阳能的转换效率，这是可以运用现有的技术来克服太阳光线与太阳能接受装置的光轴不平行的困难。太阳能控制器则是针对与太阳能路灯的改进而产生的一类产品，对太阳能路灯赋予更加明显的优势。一、太阳能路灯控制器的介绍太阳能控制器应用于太阳能光伏系统中，它全称太阳能充放电控制器，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统中非常重要的组件。它能够起到保障整个太阳能光伏系统高效，安全的运作的作用。而太阳能路灯控制器则是应用与太阳能路灯的一类太阳能控制器，协调太阳能电池板、蓄电池以及LED的工作。1.1 太阳能路灯的发展趋势太阳能路灯是以太阳光为能源，白天太阳电池板给蓄电池充电，夜晚，蓄电池驱动LED照明。太阳能路灯现阶段的造价要比传统的路灯造价高上20%以上，但是太阳能路灯的日后的总费用可以和传统路灯的费用拉平，太阳能路灯之所以不能够普及还存在以下两点困难：一、蓄电池需要定期更换；二、太阳能路灯的结构与传统的太阳能路灯不同，一般的电工不会修理，维修困难。但是相对于传统路灯来说，太阳能路灯无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费。就是因为太阳能路灯有上述的优点，目前也得到了一定范围内的推广，目前已经初步应用于校园、家庭等。但是也因为太阳光的密度比较分散，所以太阳能路灯在原有的基础上，添加风能组成新型的路灯，利用风能与太阳光能互补，这样就可以减小蓄电池的容量，并且可以在一定程度上可以解决连续阴雨天气对太阳能路灯的影响。还有一种方式就是，太阳能路灯采用双模供电（市电蓄电池）的方式进行供电，若是采取这样的解决方式，太阳能路灯的铺设费用就急剧增加。但是，这样可以做为一种改进传统路灯的方法，利用原有的管线设备，增加太阳能路灯的基础器件进行改进，以降低路灯损耗。太阳能路灯发展到现在，太阳能的利用并不高，所以太阳能路灯争先开始研制太阳能路灯控制器，以达到节省能源等作用。1.2 太阳能路灯控制器的发展现状目前的太阳能路灯一般都具有以下功能：过载保护、短路保护、雷电保护、欠压保护（过放保护）、负载开机复位设置等。由于LED自身的特性，要求太阳能路灯控制器可以保障电路的恒流输出，常用的方法是外接一个恒流电流源，但是这恒流电流源带来了额外的功率损耗。因为太阳能路灯，电池板与负载的工作时段的问题，所以要求太阳能路灯控制器需要有一定控制时段输出的功能。一般情况下，路上行人的数量与时间有很大的关系，所以对控制器要求具有一定的功率调节功能，即行人多的时段开启大功率模式，而行人少的时间段开启节能模式。这样即节省了能源的消耗，在一定程度也提高了蓄电池的寿命。1.3 太阳能路灯控制器的发展趋势目前，传统的太阳能路灯控制器在一定程度上是提高太阳能路灯组件的使用寿命与能源的使用效率。在提高太阳能路灯组件寿命上，蓄电池的使用寿命有限，并且相对较贵，所以需要采用更加有效的方式对蓄电池进行保护，在充电电路与放电路上就需要更多的处理研究。如何更加合理且有效的节省能源也是目前的一个重要的发展趋势，因为太阳光的分布密度较小，且太阳光的光强且受环境的因素的影响比较大，所以转换的能源需要更加合理的分配与利用。在目前节省能源方面上，在程序定时调节功率的方法，但是此类方法虽然可靠，也节约了很大部分的能源，但是其灵活程度比较差。今后，这一问题必将使用传感器与微型处理系统代替，以适应多样变化的工作环境。由于太阳能电池板受现阶段技术的限制，其转换效率无法得到很大程度的提高，所以，太阳能控制器的另一个大的发展方向必定为如何提高太阳能的转换效率方面。现阶段的大型的太阳能发电装置采用了一种太阳能跟踪装置以提高太阳能转换效率，而太阳能路灯上却没有应用这一技术，很大程度上受限与太阳能电池板的转换效率，跟踪装置的能量损耗无法由所提高的转换效率带来能量所抵消。这样也就是说太阳能路灯控制的发展也受制与太阳能电池板的技术发展，但是这一切并不能够限制它的发展趋势，太阳能路灯控制器的发展也将在一定程度上促进太阳能电池技术的发展。二、太阳能路灯的设计太阳能路灯主要是由太阳能路灯主体、控制器、太阳位置跟踪装置组成。细致划分分为太阳能路灯硬件、太阳能路灯太阳位置跟踪装置、太阳能路灯行人检测、太阳能路灯控制器电路四个部分。图2.1为太阳能路灯系统的框图，以下简单简述其设计及其功能。市电行人检测装置太阳光检测装置太阳能光伏阵列AC-DC转换电路蓄电池充电装置AT89C522蓄电池驱动装置电机驱动装置LED阵列图2.1 太阳能路灯系统框图2.1 太阳能路灯硬件设计此次设计是基于单片机的程序可控的太阳能路灯，本次采用AT89C52单片机为控制元，单片机接受经过A/D转换之后光电传感器的信号，将此时的太阳光强与系统设计最小跟踪阈值比较，当小于该阈值时，追日装置保持原位，当太阳光强度高于这一阈值时，单片机开始处理四象限光电探头的信号，判断太阳位置，整个追日系统开始运作，调整太阳能电池板的位置。在夜间的时候。太阳光的光照度在低于一定阈值时，光电传感器的输出信号微弱，甚至没有，这时候，判断是否在路灯的工作时间，热释电红外传感器开始运作，检测行人控制点亮LED点数。2.2 太阳能路灯位置跟踪装置的设计太阳能位置跟踪装置采用视日跟踪与光电跟踪结合的方式，系统通过控制单元处理通过AD转换之后光电传感器检测的太阳光光强度信号，同处理器的设定阈值比较，判断此刻天气情况是否适合追踪太阳，如果光照度适合，则A/D转换器与处理器转换与处理四象限光电传感器的信号，发出控制信号，控制步进电机运转，调整太阳能电池板的主光轴，使其同太阳光线平行即太阳能电池板所在平面垂直于太阳光线。2.3 太阳能路灯行人检测装置的设计该设计采用基于热释电效应的热释电红外传感器作为探测元件，但因热释电红外传感器的探测距离较短，需配套菲涅尔头透镜使用以增加其探测距离。菲涅尔透镜将其安装在路灯灯柱沿路方向布置，菲涅尔透镜采用单区多端垂直感应式布置，只能探测到路灯一侧，故采用两组热释电红外传感器和菲涅尔透镜组合以检测来自路灯两侧的行人。太阳能路灯行人检测装置共用太阳能位置跟踪装置中的光电传感器，判断光强是否接通整个放大电路与传感器供电电路的电源。放大电路采用低噪声、高增益、内部频率补偿的运算放大器LM324组成的带通滤波两级放大双限比较电路。2.4 太阳能路灯控制器电路的设计整个太阳能控制器的电路部分主要由以下几部分构成：蓄电池充电电路（防过充）、蓄电池放电电路（防止过放）、单片机电源电路、热释电红外传感器放大电路、单片机基本电路、A/D转换器基本电路、四象限光电传感器放大电路、光电池光电传感器放大电路、步进电动机驱动电路、整流电路组成。单片机电源电路调整蓄电池电压以达到单片机的工作电压，并且提供各个放大电路运作、A/D转换器与热释电红外传感器工作；充电电路与放电电路主要提高蓄电池的使用寿命，当蓄电池的电压低于所标定的最低电压时，蓄电池放电电路断开，转入市电电路。三、太阳能路灯硬件的设计3.1 太阳能路灯的硬件组成太阳能路灯系统只要由电池组件、LED灯具、灯杆、太阳位置跟踪装置和控制箱（内有充电器、控制器、行人检测装置、）五部分组成。本文为基于大功率LED路灯（功率大于30W）选择整体路灯的功率大约为35W。整个系统采用的是双模电源供电。整个系统由蓄电池充电电路（防过充）、蓄电池放电电路（放过放）、太阳位置检测电路、行人检测电路、AC-DC转换电路、LED驱动电路、步进电动机驱动电路组成。3.2 LED工作原理与电路设计LED为半导体发光器件，是在电场的作用下，高能电子与空穴相复合，并且释放一定的能量，即致激发载流子由低能级跃迁到高能级，而高能级的电子不稳定，总要回到稳定的低能级，这样当电子由高能级向低能级跃迁时放出光子，致使半导体发光。本设计选用的是晶科电子公司制造的30颗型号ESG-D8N8的白光LED（自然白4000K）。从图3.1中可以得知当正向电压超过2.75V之后，稍微改变顺向电压，通过LED的电流就有很大的改变。为了得到预期的亮度，并且避免正向电流超过LED的最高额定电流，因此采用电流驱动方式为LED的驱动方式。图3.1 LED电压与电流的关系LED阵列采用5行六列的形式，如图3.2所示。三十个LED均采用同一公司同一批次的产品，所以可以认为每一颗LED的特性是一致的流过每一个LED的电流均为350mA（该LED的典型工作电流）。系统照明功率为35W左右，光通量在2400Lm至2700Lm。图3.2 LED阵列3.3 太阳能电池与蓄电池的选择本设计的太阳能路灯是根据行人距离路灯的远近，调整LED点数，在无行人的情况时仅点亮中间的两列LED，在有行人进入红外线热释传感器的探测范围时，点亮探测方向外围的两列LED，并且经过一定的时间延时关闭外围LED，从而达到节省能源的目的。假设每天LED阵列的消耗为15颗LED以350mA的工作电流工作9个小时，路灯功耗约为31.5W。考虑连续阴雨天气，初步设计蓄电池充满电保证LED阵列工作三天。LED发光阵列的工作电压为15V，总功率为31.5W，因此LED发光阵列日耗电量为31.5/15*9=18.9AH。全国峰值日照时数在2.8至5.5，普遍分布与3至4，本次选取峰值日照时数为3.5，假设两个连续阴雨天气间隔不小于16天。所需太阳能组件总充电电流为1.05*18.9*（16+3）/16/（3.8*0.85）=7.296A。其中1.05为太阳能组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。太阳能电池的最小功率为7.296*15=109.44W，综合选用120W的SN-S120W的太阳能电池板。参数如图3.3图3.3 SN-S120W参数对于蓄电池采用最常用的12V蓄电池，综上可以31.5/12*9=23.625（AH），在蓄电池满电的情况下保证工作连续三个阴雨天，因而蓄电池的容量为23.628*（3+12）=94.5（AH）。初步选用赛特12V100AH蓄电池，基本参数如图3.4图3.4 赛特12V100AH蓄电池参数3.4 单片机的选择本设计是基于单片机控制的控制器设计，初步计算输入端子，输出端子，由于本次采用外接A/D转化器及LM324也可以用作比较器所以选择简单的80系列的单片机，采用ATMEL公司的AT89C52单片机。AT8952 是一种低功耗、高性能CMOS8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。AT89C52单片机主要性能如下：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 。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AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。本次采用的是DIP封装的AT89C52单片机，图3.4为DIP封装的AT89C52单片机外观图3.5。图3.5 AT89C52单片机管脚示意图管脚序号逆时针布置依次为P1（18）口；复位端口RST（9）；P3（1017）口；XTAL2（18）振荡器反相放大器的输出端；XTAL1（19）振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端；GND（20）电源地；P2(2128)口；PSEN（29）程序储存允许，输出是外部程序存储器的读选通信号；ALE/PROG（30）当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，PROG为编程脉冲；EA/VPP（31）外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）；P0（3239）口；VCC（40）电源+5V。3.5 A/D转换器的选择本次课题对于传感器数据的实时转换与处理要求不高，仅用的数据处理为比较处理，并且传感器的输出微弱信号经过放大之后的电压值为0-5V，由表3.1可知8位，满度值为5V的AD转换器的LSB为19.5mV，本次初步选用的AD转换器为ADC0808，其最大误差为12 LSB，即1219.5mV。综合ADC0808的性能，完全符合于本系统的要求。表3.1 AD转换器的分辨率（满度值为5V）位数级数1LSB（满度值的百分数）1LSB（5V满度）82560.195%19.5mV1240960.0122%1.22 mV16655360.00075%0.075 mV2010485760.0000475%7.75V24167772160.0000030%0.30V5.5.2 ADC0808简介ADC0808为COMS器件，它拥有一个8位的逐次逼近型的ADC部分，并且可以提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换。如图3.6所示，则为ADC0808内部结构框图，可以很直观的看出ADC0808内部包括一个多通路选择开关，一个地址锁存器和译码器，逐渐逼近寄存器和八位锁存和三态门数字输出。1）IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。2）D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位3）：ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表3.2所示。图3.6 ADC0808内部结构框图4）：VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。图3.7 ADC0808管脚图（ADC0808与ADC0809一致）5）：ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。表3.2 通道选择地址码对应的输入通道23（ADD A）24（ADD B）25（ADD C）000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN76）：STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。7）：EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。8）：）OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。四、太阳能路灯的电路设计太阳能路灯的电路主要由蓄电池充电电路、蓄电池放电电路、单片机及传感器电源电路、热释电红外传感器放大电路、光电传感器放大电路、LED驱动电路、双轴跟踪系统驱动电路。热释电红外传感器放大电路与光电传感器放大电路由后续章节分析。4.1 蓄电池充电电路蓄电池的充电电路在一定程度上可以决定蓄电池的使用寿命，正确的充电方式与适当的过冲保护可以减小充电过程中对蓄电池的伤害。由上文所选择的太阳能电池板的最大工作电压为18V，蓄电池的额定电压为12V，初步选择以UC3906集成开关元件的充电电路。图4.1即为UC3906的引脚封装图。图4.1 UC3906的引脚封装图下面对各个管脚的功能简单介绍：C/S OUT（1）：充电电流控制环路的充电电流检测放大器的输出端；C/S -（2）：充电电流检测放大器的充电电流检测反相信号输入端；C/S+（3）：充电电流检测放大器的充电电流检测同相信号输入端； C/L（4）：充电电流限流放大器的反相检测信号输入端；+Vin（5）：UC3906的供电输入端；GROUND（6）：UC3906的接地端；POWER/INDICATE（7）：充电器电路的电源指示端；OVER-CHARGE/TERMINATE（8）：电池过充电终止控制信号输入端；OVER-CHARGE/INDICATE（9）：电池过充电指示控制信号输出端；STATE LEVEL CONTROL（10）：电池充电状态电平控制信号输出；TRICKLE BIAS（11）：充电使能比较器的输出涓流充电偏置控制信号输出端；CHARGE ENABLE（12）：充电使能比较器的控制信号输入端；VOLTACE SENSE（13）：充电电压控制环路的充电电压检测放大器的控制信号输入；COMPESATION（14）：补偿元件接入端；DRIVER SOURAC（15）：驱动放大器的发射极输出端；DRIVER SINK（16）：驱动放大器的集电极输出端。UC3906是美国TI公司专门针对铅酸蓄电池充电设计的，它能提供电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充电）控制，能够使充电电路的电压随电池温度电压系数变化而变化，从而使蓄电池在很宽的温度范围内都可以处于最佳工作状态，可以分别对充电电流、充电电压进行控制，电路静态功耗低，能提供实现密封其实蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。以UC3906为基础的太阳能电池板蓄电池充电电路如图4.2。图4.2 太阳能电池板蓄电池充电电路充电电路输入电压VIN=18V；浮充电压VF=13.8V；过充电压VOC=15V；充电电流IMAX=500mA；过充电流IOCT=50mA；选择分流电流ID=100uA。RS=0.5；R1=68.1K；R2=22.6K；R3=47K；R4=348K；RD=1.2K；RR=40。图中的二极管是采用二极管的单向导通的特性，防止当蓄电池充满之后电流回流，以破坏充电电路 。当输入电压18V输入电路时，Q1导通，开始恒流充电，充电电流为500mA，电池电压逐渐升高。当电池电压达到过充电压VOC的95（即14.25V）时，电池转入过充电状态，充电电压维持在过充电电压，充电电流开始下降。当充电电流降到过充电终止电流（IOCT）时，UC3906的脚10输出高电平，蓄电池自动转入浮充状态。IOCT=IMAX/10RS=0.25V/IMAX4.2 单片机电源电路由上文可知，单片机及各个传感器需要+5V的驱动电压，所以需要对蓄电池的电压进行调整，以达到适合单片机的使用要求。所以选用7805型三端稳压集成块，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。7805构成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。78xx系类稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电高34V。还要考虑输出与输入电压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。如果7V的电压要想输出5V，则需要使用低压差的稳压集成块。7805的TO-220封装如图4.3。图4.3 7805的TO-220封装图如图4.4，即以7805构成的稳压电源，图中C1与C2为滤波电容，RL为负载电阻。图4.4 单片机电源电路4.3 蓄电池过放保护电路蓄电池的过放保护是但蓄电池持续放电，当蓄电池的电压低于10.4V时，单片机控制自动切断蓄电池负载电路，以达到保护蓄电池，延长使用寿命的目的。采用LM324（行人检测装置详细介绍）作为比较器，同向输入端采用2.5V的基准电压作为输入，反向输入端是利用电阻的分压特性，当蓄电池的电压小于10.4V时，反向输入端的电压值即小于2.5V，比较器LM324输出信号，单片机发出切断蓄电池负载电路并转入市电电路。如图4.5所示，R2与RV1构成的分压电路为比较器的反向输入信号。图4.5 过放保护电路4.4 LED阵列驱动电路上文介绍到，LED的电压与电流的关系曲线，当电压超过3V的时候，通过LED的电流极具增加，所以对于LED阵列的驱动方式采用恒流驱动的方式，本次采用MC7105作为驱动元件，是专门为LED装置而设计的驱动IC。在低电压应用中只需要五颗外部元件就可以正常工作输入电压从4V变化到40V，LED串的总正向电压（在理想电流下）比供应电压最小的情况下还小1.6V。本次采用三块AMC7105驱动三路LED，每一路的参数可以认为是一致的。C1、C2与C3是滤波电容；C4、C5与C6是定时电容，决定AMC7105的开关管工作频率；D1、D2与D3是快速开关二极管，采用的是肖特级二极管DF，这是因为高的反向电流将会导致电压通过R下降高达300mV，这样将导致开关在刚刚导管就迅速的截止；L1、L2与L3为电容，其作用是稳定输出电流；R1、R2与R3是限流电阻，其大小取决于输出每路的平均电流Im与纹波电流Iw的大小。LED阵列驱动电路图如图4.6所示，各个参数的计算如下：R=330mV/(Im+0.5Iw)每路的平均电流Im=700mA；纹波电流Iw不大于100Ma,则R=0.44。图4.6 LED阵列驱动电路4.5 步进电动机驱动电源电路为了降低蓄电池的损耗，提高蓄电池的使用寿命，对于追日装置的步进驱动部分选用市电驱动。因为步进电动机的驱动电压为直流30V，这就需要对交流电进行处理，具体过程如图4.7所示。将交流电变为可供直流负载使用的直流电需要以下四个过程：整流变压、整流电路、滤波器、稳压环节。由图可以看的出，正弦波形的电压经过整流变压器调幅，调整为需要的电压幅值。调整过的交流电通过整流电路，变为单向的脉动电压，在通过滤波器，进一步改善电压的脉动情况，最后通过稳压环节，将其变为真的直流电源。图4.7 直流电源的原理方框图对于整流电路，选用常见的单相桥式整流电路，以提高电源的使用效率并且降低整流电压的脉动。由于本次采用了稳压二极管的稳压电路，所以交流负载经整流滤波后的电压U1=90V。变压器二次电压的有效值为U=U1/0.9=100V考虑到变压器二次绕组及管子上的电压降，变压器的二次电压大约要高出10%，即100X1.1=110V，所以变压器的变比K则为220/110=2。而URM=2110V=156V因此可以选用 2CZ52D二极管，其最大整流电流为100mA，方向工作峰值电压为200V。整流电路虽然可以把交流电转换为直流电，但是所得到的输出电压是单向的脉动电压。在某些设备（例如电镀、蓄电池充电设备）中，这种电压的脉动是允许的。但是在绝大部分电子设备中，整流电路都需要添加滤波器，以改善输出电压的脉动程度，本次选用电容滤波器，利用电容的充、放电，以改善输出电压U0的脉动程度。由于选用的电压为市电，所电压频率f=50Hz，交流负载经整流滤波后的电压U1=90V，负载电阻大约为RL=4.5 K，根据RLC=5T2，所以RLC=51/502=0.05s已知RL=4.5 K，所以C=0.05/RL=0.05/4500=11uF则选用C=20 uF，耐压为90V的极性电容。由于交流电源电压的波动和负载电流的变化，引起了电压的不稳定，为了消除电压不稳定对系统的影响，所以需要采取稳压处理。本次采用稳压二极管的稳压电路，对于选择稳压二极管时，一般取UZ=U0IZM=(1.53)IOMU1=(23)U0式中，UZ为稳压二极管的压降；U0为整个稳压电路的开路电压；IZM为稳压二极管的最大稳压电流；IOM为最大负载电流；U1为交流负载经整流滤波后的电压。由于工作电压要求为30V，则UZ= U0=30V，所以初步选用的稳压二极管为IN4751A，其稳定电压UZ为30V，稳定电流为8.5mA，最大稳定电流IZM为30mA，所以IOM=(1020)mA，则负载电阻RL=(1.53)K=2 K，则IOM=15mA。由于U1=(23)U0，则选择U1=90V。由此可以初步估算出负载电阻R=2.5 K。则直流电源的电路图如图4.8所示。图4.8 直流电源的电路图五、太阳位置追踪装置的设计太阳能是一种低密度、间歇性且空间不断变化的能源，这些特性就对如何更好的利用太阳能提出了更多的要求。目前的太阳能装置都在追求如何最大限度的提高太阳能利用率，并且这一问题仍是国内外学着研究的热点。普遍解决这一问题从一下两个方面入手，一是提高太阳能装置的能量转化率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于对能量转换装置材料及工艺的研究，这一问题还有待研究，但是后者可以利用现有的技术实现。太阳跟踪系统在一定程度上为解决这一问题提供了可能。图5.1则为硅光电池的光电特性曲线，由图可以看出，硅光电池的开路电压在光照度小于2000lm/m2时，开路电压增幅相当大，并且之后的曲线的斜率仍然大于零，而短路电流与光照度成正比。根据光学的余弦定理（任意表面上的光照度随该法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化，即布给定律），当被光照的表面是理想的漫反射表面时（朗伯辐射表面），则由该表面辐射的光强也服从余弦定律，即朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化I=I0cos图5.1 硅光电池的光电特性曲线式中，I0是理想漫反射表面法线上的光强；I是与法线方向夹角为方向的辐射光强。所以硅光电池平面与太阳光的夹角可以影响硅光电池的接收效率。目前，太阳能跟踪系统中实现跟踪太阳的方法有很多，但无外乎采用以下两种方式，一是光电跟踪方式吗，另外一种是根据太阳的轨迹跟踪（程序追踪），前者为闭环系统，后者是开环程序系统。或是二者的结合。5.1太阳运行规律由于地球的自转和围绕太阳的公转，导致了太阳位置相对与地面静止的物体运动。这种变化是周期性的并且可预测，所以利用周期性这一特性根据可预测预设程序，周期的调用，就可以达到跟踪太阳的目的，下面简要介绍几种标定太阳轨迹的方法：地球极轴与黄道天球极轴存在一个2327的夹角，引起了太阳赤纬角在一年中的变化，冬至时这个角度为-2327，然后逐渐增大，到春分的时候变为0并且继续增大，到了夏至时，赤纬角达到最大的2327，并且开始逐渐减小，到秋分时，赤纬角又变为0，并且持续减小，直至冬至，这就是太阳的变化周期。赤纬角可以由以下公式近似求的：=23.45sin360284+n365式中，为赤纬角；n为一年中的第几天。在一天之中，赤纬角的变化很小，太阳的位置变化主要原来还是来自地球的自转，一天之中随时间变化而引起的太阳位置的变化可由太阳时角表示，太阳在正午为0，每小时变化15，上午为正，下午为负。因此即：=（12-T）150式中，T代表当地时间。图5.2 极轴坐标与地平坐标跟踪系统图跟踪太阳位置的变化可以使用多种坐标方式，最为常用的为极轴坐标和地平坐标，如图5.2所示。极轴坐标是将太阳能能量转换设备的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故成为极轴；另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时太阳能设备的能量转换设备所在的平面绕极轴运转，其转动的速度设定与地球自转速度大小和方向相反以跟踪太阳方位角；围绕赤纬轴做俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整，具体赤纬角上文以介绍。这种跟踪方式并不复杂，但在结构上有一个反射镜，它的质心不能通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。地平坐标系双轴跟踪又称为高度角方位角式太阳跟踪方法，太阳能设备的能量转换部分的方位垂直于地面，另一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴做俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面，支承结构比较容易。并且根据天文三角形之间的关系式可以得到太阳和观测者位置之间的关系，以方便程序设定，换算公式如下：太阳高度角H：sinH=sinsin+coscoscos太阳方位角A：sinA=coscos/cosH式中，为观测点的地理纬度；为赤纬角上文可知；为太阳时角上文可知。5.2 太阳运行轨迹跟踪方式目前国内外的太阳运行轨迹跟踪方式有很多，但只要有视日轨迹跟踪和光电跟踪两种方式，下面对上述两种追踪方式进行比较分析，并且提出可行的，能够满足太阳能路灯的跟踪方式。5.2.1 视日运动轨迹跟踪由上文讲述，太阳的运行轨迹周期的并且可以预测，通过计算就可以得到任何地点，任何时间的太阳位置，将其位置参数转换为调整太阳能装置的能量转换装置所在平面的需要运动的参数，就可以实时对日跟踪。虽然这类方式可以适应大部分环境并且能够稳定