吉林工程技術師范學院畢業論文PAGEVI基于單片機的太陽能路燈控制系統設計TheDesignofSolarstreetlampControlsystemBasedonMCU

摘要隨著可持續發展的不斷深入，人們在積極開發各類可再生新能源的同時也在倡導節能減排的綠色環保技術。太陽能作為一種清潔的優秀的可再生能源，已成為最有價值的新能源。而在照明領域，壽命長、節能、安全、綠色環保、色彩豐富、微型化的LED固態照明也已被公認為一種節能環保的重要途徑。本文研究的路燈同時整合了這兩者的優勢，利用清潔能源以及高效率的LED實現綠色照明。太陽能LED路燈是一種結合太陽能光伏發電技術與LED技術的新型路燈。系統通過蓄電池將太陽電池組件產生的電能儲存起來供負載在夜晚照明使用。基于單片機控制的太陽能路燈具有很多優點：安全可靠，維護方便；不需要常規能源，不污染環境；安裝方便，自動控制。從而不僅節約了電能，而且避免了由于四季晝夜長短不一，需要調整電路系統的麻煩，使路燈更為人性化。關鍵詞：光伏發電，蓄電池，發光二極管摘要ABSTRACTWiththedeepeningofthesustainabledevelopment,peopleareactiveinthedevelopmentofallkindsofrenewableenergy,whilealsoadvocatinggreenenvironmentaltechnologyofenergysavingandreducingemission.Solarenergyasakindofcleanexcellentrenewableenergyhasbecomethemostvaluablenewenergy.Whileinthelightingarea,longlife,energysaving,safety,greenenvironmentalprotection,richcolors,miniaturizationoflightemittingdiode(LED)solid-statelightinghasbeenconsideredasoneoftheimportantwaysofsavingenergyandenvironmentalprotection.Thestreetlampinthispapersimultaneouslyintegratesboththeadvantages;utilizecleanenergyandhighefficientLEDtorealizegreenlighting.SolarLEDlampisonenewtypeofstreetlampbyunitingsolarphoto-voltaic(PV)powergenerationtechnologyandLEDtechnology.Thesystemstoreselectricalenergyviabattery,generatedbycomponentsofsolarcells,tosupplynightilluminationofstreetlamps.SolarstreetlampsbasedonMCUcontrolhavemanyadvantages:safety,reliability,easytomaintain;energysaving,withoutpollutiontoenvironment;easyinstallation,automaticcontrol.Consequently,notonlysaveelectricalenergybutalsoavoidthetroublestoneedadjustingthecircuitsystemduetothedifferentday-and-night’slengthsinthefourseasons,tomakethestreetlampmoreuser-friendly.KeyWords:PV,Battery,LED目錄PAGEIII目錄第一章緒論 11.1概述 11.2太陽能路燈的優勢 21.3太陽能路燈的應用現狀 31.4本論文研究的主要內容 5第二章系統方案論證及選擇 62.1方案比較與論證 62.1.1太陽能電池板的選擇 62.1.2蓄電池的選擇 62.1.3照明燈具的選擇 82.1.4控制器芯片的選擇 92.2方案的配置與計算 112.2.1路燈設計所需的數據 112.2.3路燈設計參數的確定 12第三章系統設計的理論分析 143.1系統基本介紹 143.2太陽能路燈系統設計總體分析 153.3太陽能光伏發電的理論 153.4控制器設計的理論基礎 173.5蓄電池的充放電原理 183.6蓄電池充電技術研究 203.6.1恒流充電 203.6.2恒壓充電 213.6.3恒壓限流充電 223.6.4兩階段、三階段充電 223.6.5快速充電 233.6.6智能充電 243.7LED的發光及驅動原理 253.7.1發光原理 253.7.2驅動原理 27第四章系統的硬件設計 294.1系統電路框圖 294.2硬件設計的原理流程圖 304.3電源電路設計 314.4LED指示電路 314.5光控電路 324.6LED驅動電路設計 334.7涓流充電電路 354.8過充、過放控制電路 354.9單片機外圍電路設計 374.9.1復位模塊電路設計 374.9.2晶振電路 374.9.3按鍵開關電路 384.9.4顯示模塊電路設計 38第五章系統的軟件設計 405.1系統軟件框圖 405.2計時程序設計 415.3中斷程序設計 43第六章系統調試 446.1軟件調試 446.2硬件及總體電路調試 446.3系統改進方案 45第七章總結與展望 46附錄1 47附錄2 48參考文獻 I致謝 I吉林工程技術師范學院畢業論文PAGEI前言城市照明是一門科學、一種文化、一項藝術。城市照明體現了一個城市的形象，反映了一個城市的科學管理，是一項社會系統工程。太陽能LED燈具以其優越的節能效果、人文的光源照明控制，倍受客戶青睞，其性價比與工頻交流電燈具基本持平，且具有不破壞環境、不消耗不可再生能源的特點，易于客戶接受，所以只要光源充足的地方就有太陽能LED燈具開發應用的市場。太陽能LED照明是未來照明的方向，其最大的特點：環保、節能、發光效率高，因此使它將會逐步取代傳統光源。更值得一提的是，LED發光效率是以每十年提高十倍的速度來提高，成本也將逐年下降。1.系統技術指標：(1)太陽能板：18V，110Wp(2)輸出電壓：12V(3)輸出電流：恒流(4)燈具：6支1W大功率白光LED(5)控制器：光控，時控，防止蓄電池過度充放電(6)陰雨天連續工作時間：7天2.系統用途：(1)安裝在公園、小區等小路兩旁當路燈使用。(2)安裝在交通路段、港口等作為指示燈，保證交通航海的安全有序。(3)安裝在繁華鬧區或旅游景區作為裝飾照明，營造氣氛。(4)應用于果園，種植園，草坪等場所，既可以照明又可以殺蟲。吉林工程技術師范學院畢業論文PAGE61第一章緒論1.1概述跨入21世紀后，人類面臨著實現經濟和能源可持續發展的重大挑戰，如何能在能源有限和環境保護的雙重制約下發展經濟已成為全球的熱點問題。而能源問題更為突出，不僅表現在常規能源的匱乏，更嚴重的是化石能源的開發利用更加劇了環境的惡化。主要表現為以下幾個方面：(1)能源短缺。常規能源的有限性和分布不均勻，造成了世界上大部分國家能源供應不足，不能滿足其經濟發展的需求。從長遠來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，人類遲早要面臨化石燃料枯竭的危機局面。(2)環境污染。燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數十萬噸硫等有害物質排入天空，使大氣環境遭到嚴重污染，直接影響居民的身體健康和生活質量，甚至在局部地區形成酸雨，嚴重污染水土資源。(3)溫室效應。化石能源的利用不僅造成環境污染，同時會排放大量的溫室氣體，產生溫室效應，引起全球氣候變化。太陽能作為可再生能源，很早就被人們開發和利用了。隨著科學和技術的迅速發展，世界能源危機的日益嚴重，利用常規能源已不能適應世界經濟快速增長的需要，開發和利用新能源，尤其是太陽能越來越引起各國政府的重視。同時，以煤、石油等作為燃料油面臨嚴重的環境污染，再者人民生活水平的提高對能源的需求量越來越大，這就迫使政府和社會在大力發展常規能源的同時必須加大對新能源的開發和利用。為貫徹落實科學第一章緒論發展觀，把節約資源作為基本國策，發展循環經濟，保護生態環境，加快建設資源節約型、環境友好型社會，促進經濟與人口、資源、環境相互協調發展的要求。因而，可再生、無污染的太陽能利用在世界各國崛起，世界光伏產業迅猛發展。根據可持續發展戰略和環境保護的需求，在可以預計的將來，光伏發電必將部分取代常規能源。目前太陽能企業面臨新機遇，由于光伏發電技術的逐漸成熟，成本不斷下降，太陽能的利用無處不在。各種各樣的利用太陽能開發的太陽能電子產品發展非常迅速。1.2太陽能路燈的優勢太陽能路燈以太陽光為能源，不需要鋪設復雜的管線，安全節能無污染。基于單片機的太陽能控制系統很好的把太陽能光伏發電技術與單片機智能控制技術結合了起來。而且具有電路結構簡單、工作穩定可靠、實用性強等優點。綜上，太陽能路燈較傳統路燈的優勢有如下幾點：1.節能環保：據統計，所有路燈改為太陽能路燈可以節省一個三峽水電站的發電量。不僅如此，太陽能是一種清潔的可再生能源，它不僅節約了電能，而且減少了二氧化碳的排放量。有關數據表明太陽能路燈每年可以減少7740萬噸二氧化碳就相當于節省了310億美元的二氧化碳減量成本！2.可靠耐用：太陽能路燈在惡劣的環境和氣候條件下，光伏發電系統很少發生故障；目前絕大多數太陽能電池組件的生產技術都足以保證10年以上性能不下降，太陽能電池組件可以發電25年或更長的時間。3.成本低廉：就產品本身價格和首次投入費用而言，太陽能路燈比普通路燈造價要高。若按使用壽命15年把運行費用和路燈維護費用考慮進吉林工程技術師范學院畢業論文去的話，太陽能路燈在壽命周期內所發生的總費用要比普通路燈的總費用要低。且規模越大，普通路燈安裝的相關費用越高，如把電力增容費用、架設電力變壓器、光源的功率因數補償耗能、電力電纜、遠距離線路功率損耗及路燈開啟控制系統和管理人員工資等相關費用考慮進去的話實際費用要遠大于預計費用。4.安全穩定：運行維護費用低，普通路燈明顯高于太陽能路燈，而且會隨著使用時間的增長而越來越高（電費、人工等）。太陽能路燈免維護，絕對安全，不會發生觸電事故且可通過改變控制方式來增強其穩定性。5.自主供電：離網運行的太陽能路燈具有供電的自主性、靈活性。但是太陽能LED路燈的優勢遠遠不只這些。一般認為，節能燈可節能4/5是偉大的創舉，但LED比節能燈還節能1/4，這是固體光源偉大的革新。除此之外，LED還具有光線質量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護費用極為低廉等優勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統初裝的成本報價，并且具有保護環境、安裝簡便、操作安全、經濟節能等優點。由于LED具有發光效率高，發熱量低等優勢，已經越來越多地應用在照明領域，并呈現出取代傳統照明光源的趨勢。太陽能與LED相結合的技術運用在路燈領域完全符合“綠色，節能，低成本”的現代化設計理念。而且針對現階段太陽能LED路燈研究遭遇技術“瓶頸”而處于“花香”卻難“滿園綻放”的尷尬境地的情況，這個課題具有很大的研究價值，而從上面一系列的分析中也不難看出這個課題本身所具有的潛在價值更是無法估量的。1.3太陽能路燈的應用現狀在國家可持續發展戰略的推動下，太陽能產業從無到有、從小到大發第一章緒論展起來。國內各大研究單位都對太陽能路燈作了詳盡的研究，特別是近幾年來，在“產業上規模、技術上水平、產品上檔次和市場上規范”的產業發展思路引導下，太陽能產業得到了快速發展，如太陽能熱水器、太陽能光伏電池技術日趨成熟，產品質量不斷提高。近年來，隨著我國城市建設規模的不斷擴大和建設水平的不斷提高，我國城市的路燈總數以每年約20%的平均速度遞增，全國數千萬盞路燈的節電問題已引起政府部門的關注。在能源日趨緊張、電力供應持續緊張的今天，低效、高耗的傳統城市照明已成為節能降耗的重要領域。為此，建設部和發改委明確提出城市道路照明要向“高效、節能、環保、健康”的“綠色照明”方向發展。隨著太陽能發電技術的不斷發展，太陽能路燈以環保、節能等優勢成為城市道路照明行業的新寵，市場潛力巨大。我國太陽能路燈首先在沿海發達地區使用，上海市于2005年在崇明島建成風光互補道路照明工程。在我國西部，非主干道太陽能路燈、太陽能庭院燈漸成規模，太陽能資源相對豐富的青海省自2006年以來已在西寧等地安裝太陽能路燈超過200套；在北京奧運會主要場館及其相關場所，太陽能路燈得到普遍應用。歐洲各國都在開辟通向持久能源的通道，影響他們決策的主要因素是環境保護、創造就業機會和能源供應的安全可靠，可再生能源技術在這些方面有著較大優勢。它對環境的影響最小、可替代部分常規能源、增加能源供應的安全性和可靠性。它要求較大的設備投資、創造了更多的就業機會、有助于經濟增長。在歐洲大部分地區，環保的思路推動著替代能源技術的開發，太陽能被公認為是一種極好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而達到保護環境，很多國家，如丹麥、芬蘭、德國和瑞士，都認為氣候變暖是推動太陽能研究開發、發展和銷售活動的主要因素。盡管受到常規能源吉林工程技術師范學院畢業論文的低價影響，在歐洲很多國家中，太陽能路燈市場仍然持續增長。1.4本論文研究的主要內容1.分析太陽能光伏發電技術和LED技術2.根據太陽能電池板輸出特性和蓄電池的特性，設計蓄電池的充放電控制方法。4.根據LED驅動原理設計LED驅動電路3.設計電源控制電路。5.根據系統方案設計控制器外圍電路。6.編寫單片機執行程序。7.調試、實驗硬件電路，保證可以實現既定功能。第二章系統方案論證及選擇第二章系統方案論證及選擇2.1方案比較與論證2.1.1太陽能電池板的選擇太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。在眾多太陽光電池中比較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種。(1)單晶硅太陽能電池性能參數比較穩定，適合在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區使用；(2)多晶硅太陽能電池生產工藝相對簡單，價格比單晶硅低，適合在太陽光充足、日照好的東西部地區使用；(3)非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低，適合在室外陽光不足的地區使用。太陽能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍，才能保證給蓄電池正常充電。如6V蓄電池充電需要用8~9V太陽能電池，給12V蓄電池充電需要用15~18V太陽能電池。2.1.2蓄電池的選擇由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池。鉛酸蓄電池有多種充電形式，主要為：恒流充電、恒壓充電和3階段最優形式充電。一般來講，這種蓄電池充電時，應外接直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，吉林工程技術師范學院畢業論文并把外界的電能轉變為化學能儲存起來。其過充電時間與充電速率有關，實際工作中可以根據電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。鎳鎘（Ni-Cd）蓄電池的正極為氧化鎳，其負極為海綿狀金屬鎘，電解液多為氫氧化鉀，氫氧化鈉堿性水溶液。小型密封鎳鎘電池的結構緊湊，堅固，耐沖擊，震動，成品電池自放電小，在使用上適合大電流放電，使用溫度范圍廣，零下40度到零上60度。鎳氫（Ni-H）蓄電池鎳氫電池的設計源于鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應上，有極大的發展。其主要的改變，在于以儲氫合金取代負極原來使用的鎘，因此鎳氫電池可以說是材料革新的典型代表。鎳氫電池所造成的污染，會比含有鎘的鎳鎘電池小很多。蓄電池是太陽能燈具的核心部件，它儲存、并釋放電能，功能等同于電能倉庫。蓄電池容量的選擇一般遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件吸收的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應與太陽能電池、用電負荷（路燈）相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20~30%，才能保證給蓄電池正常供電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。蓄電池結構分為：板柵（正極板柵、負極板柵）、隔板、電解質及其它部件（外殼、電氣蓋等）。目前市場上蓄電池因酸液不同分為鉛酸蓄電池和膠體蓄電池（固體蓄電池）。鉛酸蓄電池因其維護復雜（酸液因為析氫的損耗，需要補充酸液），使用壽命短（3年左右），自恢復能力差等因素，正逐漸被膠體蓄電池所第二章系統方案論證及選擇替代。膠體蓄電池的特點：1.深度放電后回充電性能強，甚至在放電后未及時補充電的情況下容量也能100％得到回充；2.循環使用壽命長達8～10年，適合每天使用；3.適合用于較長時間的放電使用；4.工作環境溫度更高；5.優越的耐低溫性能；6.適合在電力干線不穩定的環境下使用；7.無流動的膠體電解液使電解液在電池內部不產生分層現象；8.自放電小，很小均衡充電；9.內阻低，充電接受能力強；10.與普通鉛酸蓄電池相比較，電池內部水分損耗小。綜上對比，以及客觀條件的要求可得，太陽能燈具優先采用膠體蓄電池。2.1.3照明燈具的選擇太陽能路燈采用何種光源，是判斷太陽能燈具能否正常使用的重要指標，一般太陽能燈具采用低壓節能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。1.低壓節能燈：功率小，光效較高，但使用壽命在2000小時左右，電壓低，燈管發黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。2.低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統造價高，采用較少。3.無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達到5萬小時，但在太陽能燈具上使吉林工程技術師范學院畢業論文用壽命大大減少，與普通節能燈差不多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220V輸出頻率、相位、電壓都是不能和普通市電相比的）。4.LED：LED燈光源，壽命長，可達100000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產50Lm/w，進口80Lm/w。隨著技術進步，LED的性能將進一步提高。筆者認為LED作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。因此，為達到最佳性能要求，選擇LED燈具作為光源。2.1.4控制器芯片的選擇智能化控制芯片中，單片機憑其體積小、封裝形式簡單、易于焊接、功能齊全、功耗較小等優點不失為最佳選擇。利用單片機完全可以實現路燈亮度的自動調節并能達到節省能源的目的，并且一旦開機就可以智能地持續工作，減少了工作人員的維護量。在光伏發電系統中，充電器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，能快速、平穩高效的為蓄電池充電，同時保護蓄電池，避免過充現象的發生，并在充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命。選擇控制器的關鍵取決于芯片的不同和電路的不同，以下從三個方面進行對比論證。首先是簡易并聯調節的控制器，其近似可以看作是恒流源對蓄電池充電。因此，當在蓄電池達到浮充電壓點時，蓄電池并沒有充滿，切斷電源后，蓄電池電壓會有很大的降落。如果將浮充電電壓點值設定得太高，欲使蓄電池盡量充滿，這樣又會導致蓄電池的過早損壞。其充放電曲線不是很好，因此只適用于小功率的用戶和要求不高的場合，特別適用于12V和24V輸入的220W以下的用戶系統。其次是PIC1F6716，眾所周知的PIC系列單片機具有的特點有，哈佛第二章系統方案論證及選擇總線結構，精簡指令集技術，尋址方式簡單、尋址空間獨立，代碼壓縮率高、程序保密性強，功耗低，驅動力強，擁有兩種串行總線端口，外接電路簡潔，開發方便，運用C語言編程，程序存儲器版本齊全等。具有性能完善，功能強大，學習容易，開發應用方便等優點。最后，對于芯片AT89C51的單片機。AT89C51單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4Kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統。功能強大的AT89C51單片機可為用戶提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。AT89C51的芯片管腳圖如圖2-1.其主要特性為：·與MCS-51兼容·4K字節可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環·數據保留時間：10年·全靜態工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內振蕩器和時鐘電路鑒于對AT89C51比較熟悉，而且對于應用大型功率無人看守的光伏發吉林工程技術師范學院畢業論文電系統，直接關系到運行、維修的成本及系統的可靠性因此選擇此款芯片。圖2-1AT89C51芯片管腳2.2方案的配置與計算在眾多太陽能路燈實際應用中，很多地方的太陽能路燈不能滿足正常照明需要，尤其在陰雨天的情況下更為突出，除使用了質量較差的相關組件外，另一個主要的原因就是一味的降低組件成本，不按需求設計配置，減小電池板和蓄電池的使用標準，所以導致在陰雨天路燈無法提供照明。2.2.1路燈設計所需的數據1.太陽能路燈使用地的經度與緯度。通過地理位置可以了解并掌握設備使用地的氣象資源，比如月（年）的平均太陽能輻照情況、平均氣溫、第二章系統方案論證及選擇大氣質量等，根據這些條件可以確定當地的太陽能標準峰值時數(h)和太陽能電池組件的傾斜腳與方位角。2.路燈所選用光源的功率。光源功率大小直接影響整個系統的參數。3.太陽能路燈每天晚上工作時間(H)。這是決定系統組件大小的核心參數，通過確定工作時間，可以初步計算負載每天的功耗和與之對應的太陽能電池組件的充電電流。4.太陽能路燈需要保持的連續陰雨天數(d)。此參數決定了蓄電池容量大小及陰雨天過后恢復電池容量所需要的太陽能電池組件功率。5.確定兩個連續陰雨天之間的間隔天數(D)。這是決定系統在一個連續陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。2.2.3路燈設計參數的確定以某市為例，安裝一批太陽能路燈，光源功率8W，要求路燈每天工作11小時，保證連續7個陰雨天能正常工作。當地東經114度，北緯23度，年平均日太陽輻射為3.82KW.h/m2，年平均月氣溫為20.5度，兩個連續的陰雨天間隔時長25天。根據以上資料，計算出光伏組件傾斜角26度，標準峰值時數約4小時。負載日耗電量：(2-1)式中U為系統蓄電池標稱電壓(2)滿足負載日用電的光伏組件的充電電流：(2-2)式中系數分別為太陽能充電綜合損失系數，蓄電池充電效率和控制器效率(3)蓄電池容量：吉林工程技術師范學院畢業論文(2-3)式中0.75為蓄電池放電深度，1.2為蓄電池安全系數(4)連續陰雨天過后需要恢復蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流：(2-4)式中0.75為蓄電池放電深度(5)太陽能電池組件的功率為：(2-5)式中18為太陽能電池工作電壓第三章系統設計的理論分析第三章系統設計的理論分析3.1系統基本介紹系統由太陽能電池組件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(內有控制器)等幾部分構成,太陽能電池板的設計對系統的抗風設計非常有利。蓄電池采用地埋式，蓄電池箱采用防腐材料加工而成，可有防盜、防水、易于維修等作用。如圖3-1所示。太陽能電池：吸收太陽能，將光能轉換成直流電能。控制器：控制蓄電池的充放電的深度，延長蓄電池壽命，控制負載運行時間及狀態。蓄電池：儲存太陽能電池板產生的電能，在夜晚為負載提供電力。圖3-1系統組成吉林工程技術師范學院畢業論文3.2太陽能路燈系統設計總體分析太陽能路燈以控制、工作方式的不同，可分為兩種系統：1、光控開－光控關原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應產生電能，并通過控制器對蓄電池進行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產生的電壓不斷下降，當電壓值低于控制器設置的啟動電壓值時，控制器啟動負載工作。光線逐漸增強，電池組件產生的電壓增大并達到控制器設定關斷電壓值時，控制器切斷負載。

2、光控開－時控關原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應產生電能，并通過控制器對蓄電池進行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產生的電壓不斷下降，當電壓值低于控制器設置的啟動電壓值時，控制器啟動負載工作。當負載工作時間達到控制器預先設定時間時，控制器切斷負載，負載停止工作。由于單片機程序設計十分靈活，所以可由軟件設計選擇控制方式。本系統的程序采用第二種方案。3.3太陽能光伏發電的理論為什么半導體PN結經由太陽光一照就有電呢?科學家們將這種光照生電的現象叫做“光生伏打效應”，簡稱“光伏效應”。光伏效應的核心原理就是PN結的“空穴導電”。空穴代表著正電荷，正電荷的移動就形成了電流，這個電流就叫“光生電流”，它與光電池板的面積、光照度、光電池板表面溫度等因素有關。實驗證明，光生電流的大小，受光電池板安裝角度偏差的影響也是非第三章系統設計的理論分析常大的而且變化迅速，在相同實驗條件下，光伏電壓對安裝角度的偏差變化則反應遲鈍，受其影響很小。電池的驅動能力的大小也即電動勢的大小與電流是直接相關的，雖然電動勢是以“伏特”為單位來表示的，但其“實力”是由內部電流的強弱決定的，實踐中我們經常能遇到這樣的情況，一節（塊）電池的電壓還很高，但是電流特別小，電壓再高也是虛的。那什么是電流呢？電流就是電子的定向移動。回路中電流的方向永遠與電子流動的方向相反。對太陽能電池來說，光生電流的方向就是“空穴”移動的方向，也就是電子流的反方向。光生電流決定了太陽能電池的發電效率，因此光電產品和光伏發電工程特別要注意光電池組件板的安裝角度。角度偏差一點，光生電流都會下降很多。光生電流的產生，表面上看是“空穴導電”形成的，但實質上還是電子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移動”和電子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太陽能電池的制作材料單晶硅的內部結構。單晶硅內部的分子結構是四價電子結晶形態。硅原子靠這四價電子相互間形成強勁有力的離子鍵從而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有規則的排列，豎看成列，縱看成行，美麗而神奇。原子間的空格也叫晶格，是自由電子活動的空間。P型半導體就是在美麗的四價單晶硅中摻雜了三價的硼原子，結果，某一個硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因為硼原子周圍只有三個電子，必定有一對離子鍵因失配而呈現“空缺”（缺少單價電子相配），這就存在了一種不穩定或者說不平衡的趨勢，“空穴”的形象化比喻由此而來，“空穴”時時表現出使晶格趨于穩定的態勢。這就是P型半導體的特性。再說N型半導體。與P型半導體相類似，單晶硅在高溫高壓下形成結晶態之前，在純硅當中摻雜了五價的磷原子，結晶形成后，某一個磷原子吉林工程技術師范學院畢業論文占據了硅原子的位置混在晶格中，結果必定有一價電子找不到配對、無家可歸因而成為不安定因素。N型半導體就形成了。

現在要做一件好事，就是把P型半導體與N型半導體貼合在一起。結果在接觸面上就形成了很薄的半導體膜層，這個膜層被科學家稱為PN結，PN結是一個內建電場，具有單向導電性，即加上正向電場就導通，加上反向電場就截止。PN結是半導體器件技術和電子科學發展的關鍵基礎。目前實驗室內的PN結可以細微到納米級。這意味著超大規模集成電路的開發應用會來一次歷史性的飛躍，帶給我們的好處是最高檔的PC機可以制作得很輕、很薄、很小巧。太陽能電池的外表面——向陽的一面是富空穴的P型半導體，緊貼下面的就是富電子的N型半導體。在太陽光子的激發下，N區的自由電子異常活躍，終于沖破PN結的阻擋，逐次開始填充P區中的空穴。有意思的是，這些空穴由下向上依次被電子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移動。這就是“空穴的移動”，這個移動是虛擬移動，晶格中的每個原子都在各自的位置上紋絲不動，動的只是與正電荷相配對的電子而已。太陽能電池的電動勢由此而生。但是，空穴的虛擬移動和電子的實際定向移動還都只是帶有電荷的載流子向電池上下兩面的聚集，只能形成電動勢，還不能形成電流。要形成電流還得怎么樣？還要在電池的兩端加上導線使其構成回路才行。3.4控制器設計的理論基礎太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統中最為重要的部件，也是各種路燈系統最大的區別所在。可以說，光伏路燈系統的不同，其實質就是控制器的不同。其設計的好壞，決定了一個太陽能光伏發電系統運行情況的優劣。所以設計功能完備，結構簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。第三章系統設計的理論分析太陽能燈具中,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器應兼有路燈控制功能,具有光控、時控的功能,并應具備夜間自動切斷負載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間。控制模塊的基本思想是檢測太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，LED燈關閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，LED燈點亮。同時檢測蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對負載LED的供電方式。控制器結構電路主要由充電電路、放電電路、單片機外圍電路和LED驅動電路等幾部分組成。太陽能控制器功能：1.電池組件防反充保護；2.蓄電池過充保護；3.蓄電池的過放保護。4.電池組件、蓄電池的反接保護；5.負載過壓保護；6.智能充電：增加浮充功能，即恒壓控制。3.5蓄電池的充放電原理以鉛酸電池為例。所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備。鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩定物質—氫氧化鉛（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發生反應，變成鉛離子（），鉛離子轉移到電解液吉林工程技術師范學院畢業論文中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）。可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，如圖3-2所示，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。圖3-2鉛酸蓄電池電動勢產生原理其原理可通過下面的反應方程式來表示：負極：(3-1)正極：(3-2)總反應：(3-3)1.放電中的化學變化蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物“硫酸鉛”。經由放電，硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。2.充電中的化學變化由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還第三章系統設計的理論分析原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內電解液的濃度逐漸增加,亦即電解液之比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應以純水補充。太陽能綜合供電系統中的蓄電池主要以浮充方式運行。一般來說，當有日照時，蓄電池與光伏陣列發電裝置并聯運行，此時蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補足；在無日照時，則由蓄電池單獨向負載供電。當蓄電池組電量未飽和時，系統通過輸入變換單元對蓄電池組進行補充充電。隨著充電過程的進行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制單元適時檢測蓄電池組的荷電狀態，當蓄電池組端電壓達到充電保護電壓時，充電過程終止。在浮充方式運行下的蓄電池，其充放電循環次數較少，自放電和瞬間放電后的電量能夠很快恢復，因此蓄電池的使用壽命可以得到延長。3.6蓄電池充電技術研究蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法3.6.1恒流充電恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個蓄電池串聯的蓄電池組進行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復，最好用于小電流長時間的充電模式。吉林工程技術師范學院畢業論文這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過大的缺點，一種改進型的恒流方法得到應用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時間以及何時轉換為小電流，必須參照蓄電池維護使用說明書中的有關規定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關系如圖3-3所示。圖3-3恒流充電曲線圖3-4恒壓充電曲線3.6.2恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調整電流。相對恒流充電來說，此法的充電電流自動減小，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達80%，如充電電壓選擇適當，可在8小時內完成充電。此法的充電特性曲線如圖3-4所示，此法也有其不足之處：第三章系統設計的理論分析①在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。②如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯數量多的電池組充電。③蓄電池端電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統中常采用，由于其充電電源來自太陽能陣列，其功率不足以使蓄電池產生很大的電流，所以在這樣的系統中蓄電池組串聯不多。3.6.3恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時初始電流過大而進行改進的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯一限流電阻，當電流大時，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當電流小時，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動調整了充電電流，使之在某個限定范圍內，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱這種方式為準恒壓方式。這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統來說，肯定是不實用的，因為串聯電阻將消耗掉有限的電能。但如果采用其它非能耗限流方式，還是有其優越性。3.6.4兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結合的一種充電策略。它要求首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達一定容量后，吉林工程技術師范學院畢業論文然后采用恒壓方式進行充電。這樣蓄電池在初期充電不會出現很大的電流，在后期也不會出現高電壓，使蓄電池產生析氣。其充電特性如圖3-5所示。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達其額定容量(當時環境條件下)時，許多充電控制器允許對蓄電池繼續以小電流進行充電，以彌補蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。這就是在兩階段基礎上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖3-5的虛線段。圖3-5兩階段、三階段充電曲線3.6.5快速充電正常充電方式蓄電池從0%到100%容量比，一般需要8-20小時，充電時間長。在某些場合需要縮短充電時間，但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快，對蓄電池有損害，且電流利用率也下降。快速充電就是采用大電流和高電壓對蓄電池充電，在1-2小時內把蓄電池充好，而且在這個過程中不會使蓄電池產生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高(一般在45℃以下)。這種方式解決不產生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采第三章系統設計的理論分析用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結合方法。短時反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時間。當然脈沖充電電流、持續時間和放電電流以及持續時間必須根據蓄電池的要求進行。3.6.6智能充電智能充電是以美國人J.A.MAS（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規律為基礎。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。1967年美國學者麥斯(J.A.Mas)經過大量試驗提出了電池充電可接受電流定律，如式3-4所示(3-4)上式中：——電池可接受的充電電流；——開始充電(t=0)時電池可接受的最大充電電流；a——充電可接受電流衰減常數(接收率)，與電池的結構和狀態有關，a=I/C，其中I為任意充電狀態下蓄電池可接受的充電電流，C表示蓄電池的容量。由此可見，a的數值越大則表示蓄電池的充電接受能力越強，其充電時間也就越短。電池在充電過程中其充電可接受電流按圖3-6所示，具有指數規律下降的可接受電流特性。當充電電流大于充電可接受電流時，即處在1區域時則會導致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產生析氣反應；當充電電流在可接受電流曲線以下時，即處在2區域時，不產生析氣，此時充入的電量幾乎都轉變為電池的化學能量。在1區域時，充電電流越大，電解水反應就越劇烈，并使電池內部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。吉林工程技術師范學院畢業論文圖3-6充電可接受電流曲線圖雖說按照圖3-6所示的特性曲線進行充電，可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小。但是在光伏系統中因為充電電源本身并不是真正意義上的“無限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個“有限電源”，對蓄電池充電的同時還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。3.7LED的發光及驅動原理3.7.1發光原理發光二極體是一種將電流順向通到半導體P-N結處而發光的器件，通常采用雙異質結和量子阱結構。LED發光的原理如下：1.P-N結電子注入發光如圖3-7所示。P-N結結電壓構成一定的勢壘；當加正向偏置時勢壘下降，p區和n區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，出現大量電子向P區擴散，構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放。第三章系統設計的理論分析圖3-7 P-N結發光的原理圖2.異質結注入發光白光為了提高載流子注入效率，可以采用異質結（兩種不同材料的半導體相接觸所形成的界面區域）。圖3-8左圖表示未加偏置時的異質結能級圖，對電子和空穴具有不同高度的勢壘。右圖表示加正向偏置后，這兩個勢壘均減小。但空穴的勢壘小得多，而且空穴不斷從P區向n區擴散，得到較高的注入效率，N區的電子注入P區的速率卻較小。這樣n區的電子就越遷到價帶與注入的空穴復合，而發射出由n型半導體能隙所決定的輻射。由于p取得的能隙大，光輻射無法把點自己發到導帶，因此不發生光的吸收，從而可直接透射處發光二極管外，減少了光能的損失。發光二極管與半導體二極管同樣加正向電壓，但效果不同。發光二極管把注入的載流子轉變成光子，輻射出光。一般半導體二極管注入的載流子構成正向電流。應嚴格加以區別。圖3-8異質結發光原理圖吉林工程技術師范學院畢業論文LED有三種激勵方式：(1)用藍色LED激勵發黃光的熒光體。這種白光構就是將藍光LED與YAG熒光物質放在一起，用藍光激發熒光物質，這樣它發出的光譜就是白光。在這方面日亞化學公司擁有世界性的專利。(2)用紫外LED激勵RGB熒光體。激勵熒光體的白色LED照明光源因熒光體組拿來不同可發射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應用于照明。用R.G.B三基色LED開發了白色LED，現實驗室水準的發光效率已超過50lm/W，近幾年內可望超過100lm/W，而紅光部份最佳的發光效率已超過100lm/W。(3)利用紅、綠、藍3種發光二極體調整其個別亮度來達到白光，一般來說，紅、綠、藍的亮度比應為3：6：1

，或者只用紅、綠或藍、黃兩顆LED調整其個別亮度來發出白光，這樣的白光結構最大的缺點就是造價較高，不利于商品化發展。3.7.2驅動原理LED是一種半導體產品，需用低壓直流來驅動。驅動一般采用兩種方式：恒壓驅動方式或恒流驅動方式。LED的電壓和電流近似成指數關系,LED的電流和它的相對光通量近似成正比關系,LED的電壓和它的相對光通量也近似成指數關系。驅動LED的最佳方法是使其工作在恒流模式下。對LED驅動器的主要要求有：（1）為滿足蓄電池組電壓供電，驅動器應有升壓功能，以滿足6V、12V、24V蓄電池組供電的要求，并要求能工作到電池終止放電電壓為止。（2）驅動器應有高的功率轉換效率，以提高電池的使用壽命或兩次充電之間的時間間隔。吉林工程技術師范學院畢業論文（3）在多只白光LED并聯使用時，要求各白光LED的電流相匹配，使亮度均勻。（4）低功耗，靜態電流小，并且有關閉控制功能，在關閉狀態時一般耗電應小于1mA。（5）白光LED的最大電流應可設定，使用過程中可調節白光LED亮度。（6）有完善的保護電路，如低壓鎖存、過壓保護、過熱保護、輸出開路或短路保護。（7）小尺寸封裝，并要求外圍組件少而小，以使占PCB面積小。（8）對其他電路干擾影響小。（9）使用方便，價位低。吉林工程技術師范學院畢業論文第四章系統的硬件設計4.1系統電路框圖太陽能LED路燈照明系統主要是由太陽能模塊，蓄電池，LED驅動電路，LED燈具和控制器這五部分組成。首先，太陽能電池板是太陽能路燈系統中的能量來源部分，其作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存儲于蓄電池內備用。其次，控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和充電電壓，實現快捷、平穩、高效充電，并在充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命，同時防止蓄電池過充電和過放電。再者，蓄電池將太陽能陣列發出的直流電直接儲存起來，供負載使用。LED驅動為LED燈具提供穩定的供電條件，使得LED路燈能夠達到太陽能路燈系統的照明要求，理想的燈具既要高效照明，又要盡可能的降低功率損耗。電路的結構原理框圖如圖4-1所示。圖4-1系統電路框圖第四章系統的硬件設計4.2硬件設計的原理流程圖系統得以正常運行，基于一個合理有序的流程，本設計的流程思想如圖4-2所示：圖4-2硬件設計流程吉林工程技術師范學院畢業論文4.3電源電路設計電源穩壓電路如圖4-3所示。系統由太陽能供電，+12V蓄電池電壓經過78L05穩壓后產生+5V電壓，作為控制器的主電源。電容C6、C7作為高頻旁路、去耦電容，將高頻信號旁路到地，消除高速跳變的電流產生的阻抗噪聲。同樣電容C4、C5為濾波電容,可以有效抑制電源上出現的紋波。圖4-3電源電路4.4LED指示電路發光二極管顯示電路設計設計中采用了5個發光二極管，其中三個發光二極管作為調節時間顯示燈，采用下拉電阻是為了保護發光二極管，如圖4-4所示。最后兩個發光二極管分別是停止充電指示燈和停止放電指示燈，如圖4-5所示。圖4-4調節時間指示燈第四章系統的硬件設計圖4-5停充停放指示燈4.5光控電路與光敏電阻器相比，光敏二極管具有靈敏度高，高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優點。在使用時光敏二極管應反向接入電路中。根據PN結反向特性可知，在一定反向電壓范圍內，反向電流很小且處于飽和狀態。此時，如果無光照射PN結，則因本征激發產生的電子-空穴對數量有限，反向飽和電流保持不變，在光敏二極管中稱為暗電流。當有光照射PN結時，結內將產生附加的大量電子空穴對（稱之為光生載流子），使流過PN結的電流隨著光照強度的增加而劇增，此時的反向電流稱為光電流。當光敏二極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數都工作在這種狀態。光敏二極管上不加電壓，利用P-N結在受光照時產生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。這種工作狀態，一般作光電檢測器。本文采用圖4-6所示電路實現光控功能。白天光照使光敏二極管導通，Q1基極為高電位，Q1導通則單片機引腳低電平有效。夜晚，光敏二極管截止，Q1也截止，引腳高電平有效。吉林工程技術師范學院畢業論文圖4-6光控電路4.6LED驅動電路設計將多個LED連接在一起使用時，正向電壓和電流均必須匹配，這樣整個組件才能產生一致的亮度。LED的鏈接方式一般有串聯、并聯、混聯等。串聯形式分為簡單串聯和帶旁路串聯。簡單串聯的優點是電路簡單，連接方便。LED的電流相同，亮度一致；缺點的是可靠性不高，驅動器輸出電壓高，不利于其設計和制造。帶旁路串聯的優點是電路腳簡單，可靠性較高，保證LED的電流相同，發光亮度一致；缺點是元器件數量增加，體積加大，驅動器輸出電壓高，設計和制造困難。并聯形式分為簡單并聯和獨立匹配并聯。前者的優點是電路簡單，連接方便，驅動電壓低，可靠性較高；缺點是需要考慮LED的均流問題。后者的優點是可靠性高，適應性強，驅動效果好，單個LED保護完善；缺點是電路復雜，技術求高，占用體積大，不適用于LED數量多的場合。混聯形式包括先并聯后串聯，先串聯后并聯，交叉陣列。前兩者的優點是可靠性較高，驅動器設計制造方便，總體效率較高，適用范圍較廣；缺點是電路連接較為復雜，并聯的單個LED或LED串之間需要解決均流問題。交叉陣列的優點是可靠性高，總體的效率較高，應用范圍較廣；缺點是驅動設計制造較復雜，每組并聯LED需要均流。第四章系統的硬件設計綜合考慮后，本設計選擇帶旁路串聯形式。每個LED都并聯一個齊納二極管的改進型串聯連接形式，如圖4-7所示。在這種連接方式中，每個齊納二極管的擊穿電壓都高于LED的工作電壓。在LED正常工作時，由于齊納二極管ZD1～ZDｎ，不導通，電流主要流過LED1～LEDｎ，當LED串中有損壞的LED所造成燈串開路時，由于ZD1～ZDｎ導通，除了有故障的LED外，其他LED仍有電流通過而發光。這種連接方式與簡單串聯形式相比較在可靠性方面得到很大提高。直接從單片機管腳輸出的電平難以驅動高輝度的LED路燈，因此本文采用如圖4-7所示的驅動電路。此驅動電路為恒流LED驅動電路，Q5基極接單片機PX（X=1，2，3）口。ZD1為齊納二極管，作為恒壓源加在Q6的基極上，由于基極偏壓穩定，集電極電流IC也隨著穩定，根據=（-）/(4-1)即使電壓源變化IC也不會變化，可以保證電流和亮度穩定。圖4-7LED驅動電路吉林工程技術師范學院畢業論文4.7涓流充電電路U1為運算放大器，通過分壓電阻R10，R11輸入同相端，反相端為7V的參考電壓，經過比較后放大4被加到Q2基極。當電池為11V時，經過U1比較放大后輸出為7.2V，Q2導通，蓄電池開始充電。當蓄電池達到13.2V時，開始自動轉入涓流充電狀態。隨著充電進行電池電壓逐漸上升，當U1輸出電壓達到17V時，使充電管維持弱導通。蓄電池電壓也緩慢上升，最后保持在14.15V不變，使電池保持在被充滿的程度。圖4-8涓流充電電流4.8過充、過放控制電路過充控制，就是在蓄電池處于過充電狀態時斷開充電電路，過放控制電路就是在蓄電池處于過放狀態時斷開放電電路。過充、過放控制都是為了保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。過充、過放控制電路如圖4-9所示。第四章系統的硬件設計圖4-9過充過放控制電路過充、過放判斷的依據主要是蓄電池電壓的高低，其工作原理如下：過充控制電路中將繼電器J1的開關串聯在充電電路中，當白天有太陽光時處于正常充電狀態時，由太陽能板吸熱經繼電器開關常閉點向蓄電池充電，當蓄電池的電壓高于14.4V時，認為蓄電池處于過充狀態，U2“+”端電壓高于“-”端電壓時，U2輸出高電平，使Q3導通，繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點斷開，常開點閉合，充電電路斷開過充指示燈亮，停止向蓄電池充電，達到過充保護功能。過放控制電路中將繼電器J2的開關串聯在放電電路中，當處于正常放電狀態時，放電電路正常工作。在晚上由蓄電池向負載供電時，當蓄電池的電壓低于11V時，認為蓄電池處于過放狀態，此時U3“+”端電壓高吉林工程技術師范學院畢業論文于其“-”端電壓，U2輸出高電平，使Q4導通，繼電器線圈J2通電，繼電器開關由常閉點轉到常開點，放電電路就斷開，過放指示燈亮，停止向負載供電,達到過放保護功能。4.9單片機外圍電路設計單片機外圍電路主要由復位電路、晶振電路以及撥碼開關相連接具有時控可調和純手控功能的電路。4.9.1復位模塊電路設計單片機的復位都是靠外部電路來實現的。在時鐘電路工作后,只要在單片機的復位(RST)腳上出現24個時鐘振蕩脈沖(也就是2個機器周期)以上的高電平單片機便實現初始化狀態復位。因此,要想保證單片機能夠可靠的復位,在應用系統的電路設計中,就要使RST引腳保持10ms以上的高電平,使AT89C51能循環到復位狀態。在設計中采用RC高電平。復位電路如圖4-10所示。圖4-10復位電路4.9.2晶振電路2個時鐘引腳XTAL1、XTAL2外接晶體與片內的反相放大器構成了1個振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。2個時鐘引腳也可以外接獨立的晶體振蕩器。晶振電路如圖4-11所示。第四章系統的硬件設計圖4-11晶振電路4.9.3按鍵開關電路整個按鍵輸入模塊集中在對時間的調節和手動開關燈上，設計圖如圖4-12所示。圖中第一個按鍵為調整時間位，可以通過改按鍵調整時、分、秒的切換；第二個按鍵為增加時間位；第三個按鍵為減少時間位；第四個按鍵為手動開關路燈位，可以關一路或兩路一起關。圖4-12按鍵開關電路4.9.4顯示模塊電路設計數碼管顯示電路設計：設計中采用LED動態顯示方式，用兩個四位數碼管并排顯示6位時間。通過單片機的P0、P2口同時控制數碼管的工作，并在P0口與數碼管間接上拉電阻對數碼管進行保護，同時也增加了數碼管的亮度。其中段碼線占用7個I/O口，而位選線占用4位I/O口。電路如圖4-13所示。吉林工程技術師范學院畢業論文圖4-13數碼管顯示電路第五章系統的軟件設計第五章系統的軟件設計5.1系統軟件框圖系統主程序包括初始化程序和主循環程序，其流程圖如圖5-1所示圖5-1主程序流程圖吉林工程技術師范學院畢業論文5.2計時程序設計計時程序的設計主要用到定時器的知識。下面我簡述一下定時器的一些基礎知識。MCS-51單片機內部有兩個16位可編程的定時器/計數器，即定時器T0和定時器T1。它們既可用作定時器方式，又可用作計數器方式。定時器/計數器的基本部件是兩個8位的計數器（其中TH1，TL1是T1的計數器，TH0，TL0是T0的計數器）拼裝而成。在作定時器使用時，輸入的時鐘脈沖是由晶體振蕩器的輸出經12分頻后得到的，所以定時器也可看作是對計算機機器周期的計數器（因為每個機器周期包含12個振蕩周期，故每一個機器周期定時器加1，可以把輸入的時鐘脈沖看成機器周期信號）。故其頻率為晶振頻率的1/12。如果晶振頻率為12MHZ，則定時器每接收一個輸入脈沖的時間為1us。定時器/計數器有四種工作方式（方式0，方式1，方式2，方式3），其工作方式的選擇及控制都由兩個特殊功能寄存器（TMOD和TCON）的內容來決定。用指令改變TMOD或TCON的內容后，則在下一條指令的第一個機器周期的S1P1時起作用。當為計數工作方式時，計數值的范圍是：1~256（28）。當為定時工作方式時，定時時間計算公式為：（28-計數初值）x晶振周期x12或（28-計數初值）x機器周期。本次設計中用到了T0和T1進行中斷控制，T0和T1用的都是方式一。在中斷子程序中放進了顯示程序，中斷時間為2ms，可以實現數碼管的動態掃描且無閃爍感。定時器程序流程圖如圖5-2所示。第五章系統的軟件設計圖5-2定時器程序流程圖吉林工程技術師范學院畢業論文5.3中斷程序設計所謂中斷,是指在計算機執行程序過程中,當出現某種情況,如發生停電或其他情況時,由服務對象向CPU發出中斷請求信號,要求CPU暫時中斷當前程序的執行,而轉去執行相應的處理程序,待處理程序執行完畢后,再繼續處理執行原來被中斷的程序。中斷子程序能實現時鐘自動走時功能，從而實現倒計時的運行，在程序設計的過程中有著重要的作用。中斷程序流程圖如圖5-3所示圖5-3中斷程序流程圖第六章系統調試第六章系統調試6.1軟件調試本設計采用的是C語言的編程方式，根據設計要求編寫程序，并在KeiluVision2軟件中進行程序編寫的調試，確定編寫上沒有錯誤后，利用ISIS7Professional配合所設計的硬件電路進行系統的調試。C語言編寫的程序有許多優越性：（1）不懂得單片機的指令集，也能夠編寫完美的單片機程序；（2）無須懂得單片機的具體硬件，也能夠編出符合硬件實際的專業水平的程序；（3）C語言對數據進行了許多專業處理，避免了運行中間異步的破壞等。源程序詳見附錄2。6.2硬件及總體電路調試根據原理圖及PCB圖制作電路板，焊接完成后，把程序燒寫到AT89C51中，把芯片插到電路中，接入5V電源，數碼管顯示120000并開始正常走時，這時通過按鍵部分調節當前時間、開燈時間和關燈時間。當時間到達相應時間時，路燈自動開關，并在230000路燈會熄滅一半。如果沒有設定開關燈時間，路燈則在190000時開啟，050000時熄滅。調試中，起初數碼管出現的全是8，而且不受按鍵的控制，這是由于初始值設定中出現了錯誤，設置了高電平有效，導致數碼管一直處于點亮狀態，通過把初始值設置為低電平，數碼管顯示正常；其次出現了按鍵的不靈敏，這是由于按鍵的延時消抖沒有處理好，修改了延時時間的長短，吉林工程技術師范學院畢業論文按鍵正常。6.3系統改進方案在本設計中首先存在不足的是斷電保護，為了在斷電的情況下系統也能夠正常工作，在電源供電方面進行改進：用一組備用電池與電源并聯，通過繼電器連接。繼電器有“常開、常閉”觸點，繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。本設計中讓繼電器的常閉觸電一端與電源相連接，另一端與備用電池相連接。當正常通電情況下，繼電器斷開，使備用電池斷開，系統由電源供電，當電源斷電，繼電器閉合，系統由備用電池供電，這樣系統就可以在電源斷電的情況下也能正常工作。其次是在陰雨天氣，路面亮度不夠，此時可以通過光感受模塊來控制路燈的亮暗。該模塊由光敏二極管為核心元件，通過光敏二極管對光線的采集，反饋給單片機，再由單片機來控制路燈的開關。白天受光照時光敏二極管反向電阻減小，回路斷開，燈泡熄滅；天黑時因光照很小，光敏二極管反向電阻增大，回路接通，路燈點亮。在點亮或熄滅狀態下仍受原來系統的控制。例如光敏二極管點亮路燈后，若沒有接收到由光敏二極管傳出的關燈信號，則到達原系統設置的關燈時間，路燈也同樣會熄滅。第七章總結與展望第七章總結與展望目前，太陽能LED照明的初步投資仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐步降低。同樣的，市場上LED的發光效率在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用后對環境會造成日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。縱觀全球科技的進步，光伏發電應用進程也在穩步提升。本設計依照光伏發電的工作特點和運行規律進行試驗，其高效節能的照明，準確對太陽能半導體系統進行充、放電控制，從而能有效維持蓄電池的壽命；并且蓄電池在經過四天的連續陰雨天后，仍可以正常工作，基本符合本設計的要求，對能源的開發利用有很重大的意義。對于這個畢業設計，依然存在很多不太合理的地方。例如，采用蓄電池仍存在諸多弊端，首先因充電次數限制其壽命的長短；其次，化學結構影響充電電流的限制，繼而限制了充電時間，使得充電效率受限；最后，不屬于環保能源。因受內部工作的溫度效應和外界溫度變化的不穩定性，控制器的溫度調節仍然不夠精確。在電路的結構上仍需要進一步的簡化明了，模塊之間的銜接不夠融洽。這些問題有待繼續查閱資料，對課題的進一步深入研究，不斷地比較和論證，原有的方案不斷改善和完善。通過這次畢業設計，體會到學以致用的道理以及事必躬親的做事態度，在這次設計當中能將以前所學習的專業知識進一步消化，并且努力吸取新知識，擴增了知識面。我相信通過這半年的畢業設計所經歷的，給予我更多的是一種成長向上的經驗，將對我以后無論是繼續深造還是步入社會都會起到很深刻的影響。附錄1附錄1總體電路圖：附錄2附錄2源程序：#include"reg51.h"Unsignedcharcodechangled[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x27,0x7f,0x6f}//共地接的LEDunsignedcharled[6];//用來顯示用的unsignedcharguandeng[3];//關開燈的時間unsignedcharkaideng[3];//燈開燈的時間unsignedcharpresent_time[3];//燈開燈的時間unsignedcharxiao[3];//燈關小的時間unsignedcharflash=0;//片選掃描多少時間換一個位顯示unsignedchartimemeasure=0;//T1中斷次數計算40*20=1秒unsignedcharflash_cs=0;//片選哪個位sbitdadeng=P1^4;//燈關小一點的控制sbitxiaodeng=P1^5;////燈大的控制aunsignedchartiaozheng=0;//調整燈關開暗的狀態bitenablebit=0;unsignedintenabletime=0;sbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;sbitP1_2=P1^2;sbitP1_3=P1^3;/////調整時間1為調整目前的時間，2為調整關燈時間，3為調整秒voidchange_data(unsignedchari){unsignedcharx,change;if(i==1){x=present_time[0];change=x/100;x=present_time[0];led[0]=x/10-change*10;x=present_time[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=present_time[1];change=x/100;x=present_time[1];led[2]=x/10-change*10;x=present_time[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=present_time[2];change=x/100;x=present_time[2];led[4]=x/10-change*10;x=present_time[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}if(i==2){x=kaideng[0];change=x/100;x=kaideng[0];led[0]=x/10-change*10;x=kaideng[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=kaideng[1];change=x/100;x=kaideng[1];led[2]=x/10-change*10;x=kaideng[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=kaideng[2];change=x/100;x=kaideng[2];led[4]=x/10-change*10;x=kaideng[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}if(i==3){x=guandeng[0];change=x/100;x=guandeng[0];led[0]=x/10-change*10;x=guandeng[0];led[1]=(unsignedchar)(x-change*100-led[0]*10);x=guandeng[1];change=x/100;x=guandeng[1];led[2]=x/10-change*10;x=guandeng[1];led[3]=(unsignedchar)(x-change*100-led[2]*10);x=guandeng[2];change=x/100;x=guandeng[2];led[4]=x/10-change*10;x=guandeng[2];led[5]=(unsignedchar)(x-change*100-led[4]*10);}}/***********改變燈的狀態*****************************/voidchange_deng(unsignedi){if(i==0){dadeng=1;xiaodeng=0;}if(i==1){dadeng=0;xiaodeng=1;}if(i==2){dadeng=0;xiaodeng=0;}}/***********秒分時進初始化*****************************/voidinit(void){guandeng[0]=6;//6：00：00guandeng[1]=0;guandeng[2]=0;kaideng[0]=18;kaideng[1]=0;kaideng[2]=0;present_time[0]=12;present_time[1]=00;present_time[2]=00;xiao[0]=23;xiao[1]=00;xiao[2]=00;}/*********************定時器0************************/T0_in()interrupt1using