基于单片机控制的太阳能LED路灯节能系统设计

1、毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：基于单片机控制的太阳能LED路灯节能 系统设计姓 名 学 号 院 系 0000 专 业 年 级 指导教师 00年0月0日 目 录摘要1关键词1Abstract1Keywords1引 言21系统总体结构2 1.1 一般太阳能LED路灯电路系统2 1.2 本设计的系统结构图32系统硬件设计4 2.1 传感器部分5 2.2 单片机概述7 2.3 LED驱动电路部分83 软件设计8 3.1 程序的模块设计8 3.2 程序的设计实现94 结束语10参考文献11致谢12内容摘要： 系统本着充分利用太阳能供电，并且实现路灯照明系统的智能节能化为目的，以Intel80

2、51单片机为控制核心，自行设计了一套太阳能 LED 路灯智能节能系统。 在该系统中以单片机与被动式热释电红外探测器为核心元件，实现对发光LED的亮灭控制。太阳能 LED 路灯通过光敏电阻感知外界环境亮度，实现LED 路灯的开启与关闭；被动式热释电红外探测器实现对LED路灯人为的控制。当有人在此范围活动并且外界亮度程度达到光敏电阻开启条件时，LED灯亮。该系的统设计实现对节能、环保、提高发光LED的寿命有十分重要的意义，具有良好的应用前景。关键词：太阳能路灯 智能照明 节能 发光二极管 Abstract: In the use of solar power supply system, and

3、realize the intelligent energy-saving street lamp lighting system as the objective, with Intel89C51 as control core, designs a set of solar LED street lamp intelligent energy-saving system. In the system with MCU and passive pyroelectric infrared detector is the core element, realize out of control

4、on Luminescence of LED light. Solar LED street light photosensitive resistance through perceived brightness of the external environment, realize the LED street lamp is opened and closed; passive pyroelectric infrared detector of the artificial control of LED street lamp. When human activities and ex

5、ternal brightness reaches the photo opening conditions, LED lights. The design of the Department has very important significance to the energy saving and environmental protection, improve the luminescence of LED life, has a good application prospect. Keywords: Solar Street Light Intelligent Lighting

6、 Energy-saving Light emitting diodes引 言 面对地球生态环境日益恶化、资源日益短缺的现实，当今世界各国采取了很多政策和措施，大力扶持和发展节能环保产业。太阳能 LED 路灯是太阳能开发利用和照明领域节能技术的综合应用，具有结构简单、效率高、重量轻、安全性能好、无污染、免维护和寿命长，被认为是照明领域节电降能耗的最佳实现途径。随着我国经济的高速发展其能源也在大量的消耗，可持续发展已经成为各个行业的共识。本文基于此，结合单片机设计了一种太阳能 LED 路灯节能控制电路。因原有的太阳能LED路灯对光能的利用不充分，所以本设计在原有电路的基础上加上了被动式热释红外线

7、传感器电路，利用其探测外界信号，所以本设计的电路不但可根据白天晚上亮度自动启动和关闭 LED 灯，还可以在晚上有人路灯下时LED 灯会自动启动和关闭 ，实现智能节能的路灯照明系统。1系统总体结构1.1一般太阳能LED路灯电路系统太阳能路灯如图1-1所示主要由以下几部分组成：蓄电池、太阳能电池板、光控及计时器、控制逆变器、发光体。太阳能路灯的工作系统是可以自动控制的，只要设置好系统的工作模式路灯就可以根据实时的情况自动控制。通常控制模式分三种：光控启动、光控关闭，计时控制启动和计时控制关闭，光控启动、计时控制关闭，当选定该模式工作方式时，灯在阳光低到设定值时传感控制启动灯工作，同时进行计时。当计

8、时到设定的时间时就停止工作。本系统太阳能电池的作用一是白天为蓄电池充电，二是可以做光控传感器。图 1-1一般太阳能LED路灯的系统结构图1.2 本设计的系统结构图 该系统本着充分利用太阳能和实现路灯照明系统的智能化为目的，以单片机为控制核心，自行设计了一套太阳能 LED 路灯智能节能照明系统。 本设计是在原有太阳能路灯电路的基础上，加上热释电红外传感器改良而来的。通过热释电红外传感器感应是否有人通过，将人体所携带的温度信号转化为电信号，从而实现当有人经过时路灯亮度自动开启，无人经过路灯亮度自动关闭的节能效果。人为活动感知模块电源模块光电控制模块处理模块LED发光模块 图1-2 系统模块结构图

9、该设计由5 个模块组成 如图1-2所示，分别为负责数据处理与外部电路控制的主控处理模块、给其他电路提供电源的电源供电模块、用于根据白天和晚上的亮度自动启动或关闭 LED 灯的光控模块及感知外界是否有人在活动的人为活动感知模块和发光模块。2 系统硬件设计 太阳能LED路灯系统由太阳能电池组、蓄电池组、控制器、LED照明灯组成。太阳能路灯系统实质上是一个小的独立光伏系统,太阳能LED路灯系统的硬件构成如图2-1所示。图2-1 太阳能LED路灯系统的构成图 在太阳能LED路灯系统中,整个LED路灯系统中的控制核心部件是电源控制器,它既控制太阳能电池板给蓄电池充电,又控制蓄电池向LED路灯供电,还具有

10、着对整个系统的实时状态检测和监控的功能。因此,要求该控制器必须持续、稳定、安全地运行,肩负着延长光伏板、蓄电池以及LED灯等使用寿命的职责,具有极为重要的作用。目前,大部分太阳能电源控制器的现状是:一是控制简单,功能单一,仅采用简单的恒流充电法或恒压充电法。前一种充电方法控制简单,但到充电后期,充电电流使水电解,产生气体,影响蓄电池的使用寿命。后一种充电方法,则须有严格而且恒定的充电电压,同时蓄电池的内阻随电量而变化,充电过程电流的不恒定,严重影响蓄电池的使用。二是控制器通常在控制蓄电池给负载供电时,没有控制蓄电池的放电终点电压,这样会导致蓄电池的深度放电从而影响蓄电池的使用寿命。三是对LED

11、路灯保护措施简单,工作过程中,仅一种电压或电流驱动。蓄电池电量供电充足时,亮度过量;蓄电池电量供电不足时,亮度过暗,既不能充分保护LED路灯,也不能充分延长亮灯时间。针对以上的发光控制情况,本系统采用Intel8051单片机为核心,主要由:传感器部分、控制器部分和LED驱动电路部分组成。组成一个集采集、处理、控制为一身的自动控制系统,其原理框图见图2-2所示。图2-2 LED智能照明控制系统整体硬件框图2.1 传感器部分2.1.1 被动式热释电红外探测器本系统采用的传感器是被动式热释电红外探测器，其防盗功能完善，利用被动式热释电红外探测器检测到人体辐射的红外线，将其信号发送到Intel8051

12、控制器，然后由控制器传送到可见光探测感应器是否开启路灯，如果判断是，则信号会通过D/A转换放大电路输送到LED驱动电路，以达到开启路灯的目的。基本工作原理是：利用被动式热释电红外传感器检测到人体辐射的红外线，当检测到红外信号变化时，将其转化为微弱的电信号，经过信号处理电路对电信号进行过滤、放大、比较，输出高电平信息发送到控制器。因此在被动红外探测器的区域内，当无人通过时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当有人经过警戒区时，通热释电红外感应器感应到人体温度与背景温度的差异，信号被采集传送到控制器以后，由软件对该信号采集的数据与系统内存中已经存在的前期探测数据进行延时比较，以判断是否真的有人

13、进入红外区域，还是只是环境波动，甚至是元件自身内部噪声的影响，以免发生误判断。因此，红外探测传感部分软硬件主要是通过探测环境红外线变化来判断是否有人进入需要照明的区域。2.1.2 可见光探测器光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。特性是在特定光的照射下，其阻值迅速减小，可用于检测可见光。 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

14、 利用通常情况下单片机低电平应低于 0.8 V 的特点，结合光敏电阻受光照影响电阻变化灵敏的特点，通过光敏电阻与固定电阻串联的方式，即通过检测固定电阻的分压值来检测白天与黑夜。 当黑夜时设计固定电阻的分压值为 0.8 V 以下，即单片机引脚低电平值范围，此时通过单片机给驱动放大电路传送高电平，使放电路工作,LED正常工作；否则LED灭。光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长。其次是当光照强度减弱时,它的响应时间相对增加,装置在光照强度变化时,输出状态保持相对稳定。考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感,偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻,以防止工作点漂移。2.2 单片

15、机概述及其引脚功能本设计采用Intel8051单片机为照明系统的核心，特性：仪器硬件简单、功能多。其内含128字节的RAM、32条I/O线、2个8位常数可自动重装的定时器/记数器。Intel8051单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 电源: VCC芯片电源，接+5V； VSS接地端； 时钟:XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。 控制线:控制线共有4根： ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外R

16、OM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 I/O线：Intel80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。2.3 LED驱动电路部分LED发光电路用脉冲驱动方式。图2-3 采用PWM控制LED亮度的原理图 LED的发光强度基本上正比

17、于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。另外，用高幅值的脉冲电流驱动LED，然后通过调节脉冲的占空比获得较合适的平均电流，这样可以降低功耗。因为当LED工作在脉冲状态时，人眼觉察到的LED亮度值是介于峰值亮度与平均亮度值之间的。因此，脉冲电流驱动LED可比直接恒流驱动的LED更亮，即获得同样的发光亮度，脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的平均电流值更小如图2-3所示。 其次，对于LED，如果采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率会有比较大的提升，另外还可去掉限流电阻或减小其值。因此，从节能

18、的角度出发，采用脉冲电源驱动方式更好。3 软件设计3.1 程序的模块设计本程序采用模块化设计思想,以主程序为核心设置了多个功能模块子程序,使大量的功能在子程序中实现,简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。该系统有三个功能模块:信号输入模块,实现相应信号从单片机输入；信号控制模块,实现对信号的处理；信号输出模块,实现处理结果的编码输出,达到控制LED发光亮度的目的。单片机接收两部分信号,即被动式热释电红外探测器输出的开关信号和可见光探测器输出的室内亮度控制信号,传输到单片机中。通过单片机处理,输出编码信号,再通过D/A转换器和放大电路,控制可控硅的导通角,达到智能照明的目的。

19、其软件总框图见图3-1。 图3-1系统软件实现流程图3.2 程序的设计实现流程当有人通过路灯下时，被动式热释电红外探测器把接收到的的红外信号增强到一定强度，加上被放大的数量，且单片机接收其强度足够，单片机机发出指令控制外围LED驱动电路，使LED发光；当人走过之后路灯自动关闭，从而达到节能的目的。结束语 城市太阳能路灯是和人民生活密切相关的公共设施，它在一定程度上反映了城市的繁荣程度及发展水平。在过去很长一段时间内，路灯的更新多是局限于其照明部分，随着城市及电子技术的发展，城市路灯系统经历了手工控制、自动定时/光电控制、计算机程序控制的发展过程。用计算机来实现城市太阳能路灯系统的自动控制，对于

20、提高城市的现代化管理水平，节省人力、物力，都具有良好的经济和社会效益。通过有效的调节灯光开关时间，能够极大地提高了路灯系统的工作质量和工作效率，为城市照明系统的运行、维护、扩展、提供全面的解决方案和强有力的技术支持，提高了城市照明运行管理水平。 本文对基于单片机控制的太阳能 LED 路灯照明系统硬件进件进行了模块化设计，并着重介绍了系统的主控模块、被动式热释电红外探测器模块、光敏电阻控制模块。软件设计给出了程序流程。该设计结构简单，系统设计充分且可行的利用太阳能供电，节约了大量能源，对 LED 路灯照明系统实现了智能化，具有较强的实用性。总之，太阳能自动路灯照明系统具有可靠性高、寿命长、太阳能电池板的光电转