【太阳能路灯系统的研究与设计8500字（论文）】

太阳能路灯系统的研究与设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u1.绪论 11.1课题研究的背景与意义 11.2国内外研究现状 11.3课题主要研究内容 31.4本章小结 42太阳能路灯系统基本理论 52.2太阳能充放电机理 53.硬件电路设计 63.2单片机最小系统电路 73.3光敏模块 83.4红外传感器模块 93.5万年历模块 103.6LCD1602显示模块 113.7照明负载模块 123.8本章小结 134.系统软件设计与系统仿真测试 144.1软件系统总体流程图 144.2系统控制模块 154.3万年历模块 214.4本章小结 235.总结与展望 24参考文献 251.绪论1.1课题研究的背景与意义当今时代人们对于可再生资源一直在进行不断的研究，经过调查研究发现太阳，风，核等都为可再生能源，在目前地球气候变暖对于环境问题造成了不可估量的伤害，人们越来越意识到太阳能资源的重要性。在本世纪初，人们就对石油的使用年限做出了估计，预计剩余的化石能源中煤炭还够人类使用227年，天然气还够人类使用61年，而石油仅够人类使用不到40年的时间[1]，随着这些资源的不断消耗以及人们越来越认识到环境污染对于生活产生的后果非常严重，所以人们对于可再生资源和环保节能两个板块愈加重视。目前人类对于太阳能能源的实际适用情况已经有了非常多的了解，这对于人类的环境有着非常重要的意义，同时太阳能能源的使用也是在未来时代发展中的必然趋势。路灯是目前最为常见的能源消耗的一个方面，同时对人类的生活中也有着不可或缺的作用。太阳能路灯在使用的过程中将太阳能光伏发电和常见的固态照明这两种不同的技术进行了研究，对能源及光源进行了融合。原有的路灯和太阳能路灯相对比，需要使用一定的电线和相关的配电处理，同时人工成本和其他方面的各项资金成本投入都比较高，后期还需要人员进行维护，而太阳能路灯只需要一次性资金投入接下来就可以有源源不断的能动系统自动运转。本篇论文也是对于单片机能够对太阳能路灯带来的好科技智能管理进行探究，对于现代社会的发展具有非常实质性的作用。1.2国内外研究现状1839年，法国粒子物理学教授贝克勒尔首次提出光伏燃料电池具有热效应，在1954年，这一理论被美国三位科学家进行实验并进行证实，成功研究出了单晶硅材料的太阳能光伏燃料电池[2]。在本世纪，关于太阳能的作用有了更多的研究和发展，这也带动了更多和太阳能相关的光伏产业蓬勃发展。各种不同款式，不同功能的路灯节能控制器也随着现代科学的发展在不断的进行研究和改造。美国，欧洲和日本等发达国家主要是将节能控制法网更加紧凑，更加稳定的方面进行探索。而我们国家虽然目前在市面上已经可以见到非常多种型号的路灯节能控制器具有紧凑的功能，但是实际节能的作用发挥的并不是很好，功能也不够全面。目前为了促使路灯能够通过智能化控制更好地达到节能的效果。无论是我们国家还是海外其他国家都已经开始对路灯的智能控制方式进行研究，并有了一系列的研究成果，比如现在对太阳能路灯实际运用中的声音控制，时间控制和广告控制等等，有着国家对路灯的研究已经到了可以通过系统进行光感控制，同时还具备一定的发电功能，对路灯的控制基本上可以不用太多关注，路灯完全可以自给自足。我们国家对于太阳能路灯的研究开始的时间和其他国家相比要晚一些，目前，我国所研究出来的控制器还只能对蓄电池的充电以及放电的过程进行管理和控制，但是对于其他方面，比如说充电的效率和蓄电池的性能是否可靠等等方面还有许多不足之处。随着时代的不断发展，我国对于太阳能路灯的研究和制造也有着突飞猛进的发展，这也促使我国太阳能路灯相关的产业带蓬勃发展，有了更多的企业开始制造太阳能路灯，这对于我国太阳能路灯的行业发展有着非常积极的促进作用，同时使得这个新兴行业有了更进一步的发展[3]。1.3课题主要研究内容1.3.1研究内容本次设计主要的任务是？想要达到怎样的目标？笔者主要通过一个单片机作为智能控制的系统对太阳能路灯的系统进行研究，其中单片机型号为AT89C51，使用该单片机作为控制器的系统对太阳能路灯进行定时开启和关闭，同时通过光敏传感对于周围的光线亮度进行检测，并对是否有行人路过采用人体红外检测的装置。早上五点到下午六点之间使用定时控制系统对太阳能路灯进行关闭，如果遇到天气不好的情况，则通过光感传感系统控制太阳能路灯根据光线程度开关。下午六点之后到凌晨零点通过太阳能路灯的时间控制系统保持开启。在凌晨零点之后，则通过人体红外传感器进行控制，如果有人经过则自动开启几分钟，如果没有人就自动关闭，以此减少对能源的消耗。1.3.2论文章节的安排本篇论文第一章主要是对本课题的研究内容及意义进行说明，同时对于目前太阳能路灯在不同国家的研究成果进行了深入了解和研究。根据太阳能路灯的实际发展情况和对课程的提纲进行整理，并设计课题主要研究内容，对于论文的章节安排进行结构整理。本篇论文第二章内容则是对于太阳能路灯的系统做出介绍，同时删除了太阳能充放电机的内容。本篇论文第三章主要是对于太阳能系统的硬件电路情况进行系统化设计，同时介绍其设计原理。本篇论文第四章主要是对于太阳能系统的软件部分进行整理，对软件系统进行设计，并根据其需要设计的内容对程序进行编写，同时对软硬件两个部分的情况进行调试，并得到相应结果。1.4本章小结本章节主要对太阳能路灯的背景情况进行了概述，同时对目前国际各个国家对太阳能路灯板块的研究情况和发展近况深入了解，并概述了该系统的制作主要为太阳能路灯控制系统带来哪些方面的改善做出解答，同时对本篇论文的内容做出了介绍。2太阳能路灯系统基本理论2.1太阳能路灯系统概述从太阳能路灯的电路功能方面进行区分，可以将太阳能路灯电路分为AT89C51单片机、电池板、蓄电池、传感控制和照明负荷及时间显示这几个方面。它们之间的顺序是单片机由蓄电池进行电能的提供，而蓄电池则是由电池板进行充电。也就是说，蓄电池的电压越低，损耗也就越大，使用寿命越短。所以为了将蓄电池的使用寿命进行延长，首先对蓄电池的充电和放电过程需要进行把控，要有节制的充放电。而向LED驱动系统的电路进行供电的则是蓄电池，同时能够对LED灯的开关进行控制的是太阳能控制系统进行设计。2.2太阳能充放电机理太阳能路灯首先通过白天在太阳能板中吸收的自然的太阳光线产生的能量转化为电能并在蓄电池中进行存储，即将太阳能转化为电能自动为蓄电池进行充电的流程，到了晚上太阳能路灯控制系统移动设计的时间，由蓄电池对太阳灯路灯进行放电和供电，使太阳能路灯自动开启照明功能，到了系统设定的太阳能路灯关闭时间后，路灯就会自动关闭。这也是太阳能路灯的控制系统在发挥作用。蓄电池的重要作用就是储存太阳能板所吸收的太阳能向电能进行转化，并在夜晚对太阳能路灯完成自动放电，促使太阳能路灯正常运作，同时将未完全消耗的电能进行储存，保障太阳能路灯在阴雨天气的情况下也能够自动照明使用。

3.硬件电路设计3.1系统总体结构LED载荷以及单片机和控制器主要是由蓄电池对其进行充电和放电，而蓄电池的电能主要是通过太阳能电池板对太阳能的吸收转化以及存储完成充电，从而将太阳能转化为光能和电能。通过AT89C51芯片作为整个控制系统的核心内容，因为单片机可以对光线明暗程度，人体红外进行采集检测和处理，从而对时间起到控制的作用，所以它的控制系统也是系统设计中最核心的内容。通过对周边路过人群的红外传感信号进行采集，包括附近光线明暗程度进行采集，并通过硬件的电路将其输送至单片机系统，并由单片机系统对所搜集的信息进行处理，从而对太阳能路灯的照明进行控制。同时该单片机对LCD1602液晶屏的显示增加了时间的显示和调整功能。方案图如下所示：图3-1太阳能路灯系统总体框图3.2单片机最小系统电路3.2.1晶振电路晶振对于单片机系统中有着非常重要的作用。它不仅仅在震动的同时可以和单片机内部的电路震动进行相结合从而和单片机运作过程中的震动频率达成一致，而且晶振在运作的过程中可以通过对时钟振动的频率来影响单片机运作的速度。与此同时，单片机在进行指令的执行过程中，都需要根据单片机的晶振提供的时间作为基础来进行计时[7]。晶振的运作周期也和单片机中计数器的功能相匹配，通过对该单片机运作周期的研究不难发现，可以直接通过晶振的频率和时间来计算出每一次计数需要的时间，以此实现使用单片机进行计时的作用。同时在计时过程中每过一秒，都可以通过串口的位置进行单片机计时数据的传输。其运作原理如下图所示：[8]。图3-2晶振电路原理图3.2.2复位电路单片机为了能够让系统电路处在稳定工作的状态。特别设立了复位功能和置位功能，它能够对于系统电路在操作的时候初始化进程。一般情况来说，复位电路最主要的就是在状态进行完成后进行初始化功能以回到最初的状态。在单片机内部，在复位的时候单片机可以存储一部分的内容（在单片机出厂前设定的数值范围之内）。在工作状态中的时钟电路，如果发生高电平的时间超出2us，单片机就需要进行复位处理，这一项操作是通过系统自动化得以实现[9]。复位电路最主要的作用就是在单片机运作的过程中对单片机从外部进行联系，从而促使单片机RST复位引脚与电阻电容相连接，从而实现复位的功能。其工作原理如下图所示：图3-3复位电路原理图自动进行复位是复位电路工作的原理，AT89C51单片机在实行复位工作前，需要将端口保持在高电平以上并超过两个周期，才能够进一步实现单片机复位功能。3.3光敏模块作为市面上最常见的传感器，光敏电阻也有很多的分类，比如三极管，三敏光电管，电阻，光敏倍增管，电阻，紫外线型传感器，光敏电池，红外线型传感器，光纤传感器，色彩传感器，图像传感器等都是光敏电阻的种类。紫外线和红外线的波长也能够适应光敏传感器的信号释放。它不仅能够观察光照，检验光照，还能够对光照进行探测并通过探测光的各种原件从而促进其他类型传感器的组成，同时可以检测非电量信号，并进行转化成为光学信号。同时目前在世界范围内光敏电阻传感器也是应用范围最广，数量最多的传感器，它无论是在非电量信号检测技术中还是在自动控制技术中都有着非常显著的特点和其作用。光敏电阻在光敏检测过程中作为应用器材进行使用，由于光敏电阻能够在不同光线强度下电阻随之发生变化的特性，我们可以直接进行应用并将其进行转化，从光的强弱情况转化为电压的强弱情况，同时将其和原本设置的电压信号做出对比然后对其变化进行记录，从而实现对光照的强弱情况进行检测的功能。其原理图如下所示：图3-4光敏模块原理图3.4红外传感器模块众所周知，对于红外线的探测可以有热度探测和光感探测两种方式。在进行红外线特有的特征可以对周围的变化进行探测和锁定，它可以感受到周围的环境变化，色彩变化和亮度变化及热度变化。从而对出现的目标进行分析和检测，目前已经在我国科技，工农业和军事国防中得到了广泛的作运用。一般情况下，对于模块的探测都会选用一种最新研发的红外探测仪，它对于热感使用的探测元件用到的材质为锆钛酸铅陶瓷或其他类似性质的材料，将其制作成大小在2平方微米的元件。在一个红外探测器中可安装一到两个探测元件，但需要借助串联的方式使其相连，避免由于温度过高而影响元件的正常使用。如果想要增加人体红外探测仪的探测距离和敏感度，可以采用将菲涅尔透镜安装在在人体红外探测仪上的方式，它能够将菲涅尔透镜进行等分，或者上下左右等不同组成部分，是由一种透明材料进行焊接而成的产品。它能够将红外信号进行倍速的方法，还能够将其探测距离提升至几十米的距离。同时能够和探测仪的放大镜进行结合使用。其原理如下所示：图3-5人体红外传感器模块原理图3.5万年历模块本次设计主要使用时间复位，时间增加，时间减少等按键，还有一个可以对时间的单位：年，月，日，时，分，秒等进行切换等四个按键，其中对时间进行切换之后再做调整则需要借助时间增加和减少的按键，从而达成在显示器中的时间进行调整和改变的方式。具体原理如下图所示：图3-6按键电路原理图3.6LCD1602显示模块液晶显示器0-7八条数据线分别对应着单片机八个引脚。在通过单片机对液晶显示屏进行控制，发出指令并显示相对应的信息。如：在显示器LCD1602RW的脚上连接着单片机的P2.6接口，E脚连接着P2.7接口，RS脚则连接着P2.5接口，以此类推，同时结合LCD1602液晶显示对应AT89C51单片机输出的指令，并通过该单片机对LCD1602液晶显示屏所显示的信号和时间来进行控制的方式。具体显示图如下所示：图3-7显示模块电路图3.7照明负载模块能够控制距离的远近和通过红外控制发射二极管的电流密切相关，电流越大，则距离越远。电流越小，则距离越近。由于单片机能够通过的电流最大仅有20mA，想要完成远距离控制远远不够，所以采取了借用三极管将电流放大。为了能够正常对电路进行驱动，我们需要适用低电平的驱动方式，而我们常见的单片机引脚普遍默认高电平驱动方式[10]对于功率的选择，我们大多需要采用三极管，同时也称为晶体三极管和双极型晶体管等，它的学名是半导体三极管，其主要功能就是将比较微小的电流信号进行放大，同时能在没有接触的情况下起到开关的作用，对于集成电路中而言也是非常重要的元件之一。它主要是由两个PN值非常接近的结放置在一块基片上进行制作，同时它能够将半导体基片进行分割，变成三个部分，其两侧主要是用来发射信号和进行集电的作用，而中间则属于基础区，主要有ABA和BAB两种排列方式，本次研究课题主要选用ABA的排列方式。如下图所示：图3-8LED模块电路图3.8本章小结单片机在进行系统的设计和应用当中，硬件电路是其系统进行运作的基础。是硬件电路的综合性能。是单片机系统过程中最难得地方，也是非常重要的组成部分。所以，在学习的过程中除了要注重系统设计的学习对于硬件电路的设计也应该重点关注。本章节就通过对硬件部分每个电路的组成和其作用一一进行了分析和讲解。

4.系统软件设计与系统仿真测试4.1软件系统总体流程图这个控制系统能够对万年历的时间显示和键盘驱动两个方面构成，它能够对LED灯的控制起到一定的作用。而能够对软件进行驱动及控制的组成部分主要是时间的显示，单片机的控制程序和对于LED灯进行驱动控制这三个方面组成。时间控制和时间显示对电子时钟的时钟部分有着决定性作用，而单片机的控制程序也能够对于单片机的程序进行初始化进程和调试作用，同时对于时间显示中按键也有着控制作用，而红外传感器和光敏传感器则通过控制系统对LED灯的使用情况有着决定性作用。在软件开发和设计过程中可以通过对软件进行混合编程和系统化设计得以实现，KeiluVision5为在驱动控制中的编程软件，Proteus软件则是对系统进行调试和驱动的软件。具体操作图如下所示：图4-1系统流程图4.2系统控制模块在系统开发的过程中需要不断对KeiluVision5软件进行调试和研发，该软件可以在电脑原生系统中进行安装并实施，KeiluVision5软件作为单片机调试和开发的组成部分，能够让用户对单片机的源程序进行复制，超级，下载和调试。它主要是作用C语言进行修改和调整，然后再和程序以及硬件之间做出调整磨合从而得以运用。4.2.1程序设计单片机在软件设计的过程中主要由对时间进行设定的程序，出厂恢复程序，按键使用程序，读写程序，对于时间的比较程序和刷新程序及显示程序等部分组成。只有在系统程序进行初始化之后才能够开启程序，而在系统原有存储中需要对路灯的开关时间进行调试，在调试的过程中需要对间隔的时间也进行固定的设定，同时将路灯开关时间和实际时间进行对比，其中的对比时间可设为每秒钟一次，只有在路灯开关时间和设定的时间相同时，单片机才会发出控制信号进行控制，从而达到对LED灯的驱动。4.2.2仿真平台介绍编程软件采用KeiluVision5库函数，把高级语言翻译成单片机能识别的语言，生成目标代码的效率较高，语句紧凑，容易理解[11]。在调试的过程中可以采取KeiluVision5软件和Proteus软件相结合的方式对其软件程序和硬件电路进行调试，并进行真实模拟，也就是说，可以将Proteus软件打开单片机的虚拟系统并进行真实模拟，同时在软件系统的调试和编译过程中自动运用KeiluVision5软件与Proteus软件进行连结。同时其虚拟的情况会根据模拟的静态产生变化，这样就实现了通过这两个软件对于硬件电路进行模拟并进行运用，从而达到模拟测试的效果，在实际的运用过程中得以实施。在对系统的软件进行调试的过程中可以第一步对显示程序进行调试，第二步对定时器中停止的数值进行调试，在显示屏显示数值正确之后，第三步对时间及函数做出调试，最后则对其定时的程序和光敏及红外程序进行调试，在调试进行到有人红外探测能够清晰检测，光线变化时光敏能够清晰感知的时候，其开关灯就能够满足设计的需求了。4.2.3程序代码voidmain(){Init_LCD();IE=0X87;IP=0X05;IT0=0X01;IT1=0X01;TMOD=0X01;TH0=-50000/256;TL0=-50000%256;TR0=1;while(1){if((DateTime[2]>17)&&(DateTime[2]<25)) { Y_LED1=0; Y_LED2=0; delay_ms(3000); } else { delay_ms(3000); Y_LED1=1; Y_LED2=1; }if(DateTime[2]<5) { if(hongwai==0) { Y_LED1=0; Y_LED2=0; delay_ms(3000); DelayMS(1000); } else { Y_LED1=1; Y_LED2=1; } } if((4<DateTime[2])&&(DateTime[2]<18)){ if(light==0) { Y_LED1=0; Y_LED2=0; delay_ms(3000); delay_ms(3000); } }4.2.4仿真结果通过KeiluVision5软件对调试内容进行调试并设计编程程序，从而生成对应代码文件，通过该文件和单片机进行连接，并对其进行模拟试验得出结果。如下所示：在完成以上工作流程并得出结论后，可以对系统进行调试并进行以下功能的设定：下午六点之后到凌晨零点通过太阳能路灯的时间电路控制系统保持开启。图4-2时钟电路控制灯下午六点之后到凌晨零点的时间段，由于太阳能路灯的时间控制系统提前进行了设置，使得路灯保持照明状态。在凌晨零点之后，通过人体红外传感器对路灯进行控制，如果有人经过则自动开启几分钟。如果没有人就自动关闭，以此减少对能源的消耗。图4-3无人经过，灯灭在凌晨零点之后，路灯没有感应到有人经过，路灯自动关闭。图4-4有人经过，灯亮在凌晨零点之后，通过人体红外传感器感应到有人经过，太阳能路灯则自动开启，并延时几分钟关闭。早上五点到下午六点之间通过电路控制系统对太阳能路灯进行关闭，如果遇到天气不好的情况，则通过光感传感系统控制太阳能路灯根据光线程度开关。图4-5晴天灯灭早上五点到下午六点之间在天气比较好阳光充足的情况下时钟控制电路发挥作用，使太阳能路灯进入关闭模式。图4-6阴天灯亮早上五点到下午六点之间在天气比较低沉，光线不够的的情况下时钟控制电路发挥作用，使太阳能路灯进入开启模式，进行照明。4.3万年历模块4.3.1程序设计时间控制系统主要是由定时器对程序运用的时间进行管理，一般情况下设置为每隔0.1秒停止一次，没停止一次就会增加一个数值，如果停止的数值达到了一定的时间，也就证明过了一秒钟，周而复始，从而判断每一秒钟，每一分钟，每一个小时的时间变化。同时通过秒钟的变化对于一天的时间进行判断，一个月，甚至一年的时间都同样通过这种方式来进行判断。如果在计算的过程中数值达到了巅峰，也就是一年也会自动复位，从下一年再次周而复始的进行时间的计算。流程原理如下所示。图4-7程序图4.3.2仿真结果时间的显示可以精确到公历的年月日时分秒图4-8LCD显示进行调试之后，显示屏可以非常准确的显示出现在的时间，并精确到秒，同时可以对时间进行相对的调整和选择（有具备该功能的按键）。4.4本章小结本章节的内容主要是对系统的软件部分的作用进行说明，同时对其时间显示以及控制部分的程序进行了说明。在软件程序的运作中主要采取模块化设计的原理，这使得程序调试和修正的过程更加简单，同时对课题的调试结果做出了说明。

5.总结与展望随着目前在市场上太阳能电池的能效越来越好，价格也在逐渐降低，与此同时，目前市面上LED灯的价格也在降低，不过发光效率却提升了许多。而且目前现有的不可再生资源，比如石油能源和太阳能能源相比，可用资源越来越少，同时，如果路灯采用使用能源的话，会对我们的生存环境造成更多的污染，所以目前我们将太阳能路灯更多的作用在我们的生活当中，这对于能源的节约有非常良性的作用，同时对于科学技术的探索也有了更加广阔的前景。笔者本次主要通过太阳能能源对目前全球环境能够起到一定的环保作用作为出发点，对太阳能路灯控制系统中的人体红外控制系统和光感控制系统及自动控制系统做出研究并进行融合，对于太阳能人体红外控制和光感控制容易受到外界干扰的特性进行研究和完善，并重新进行设置，从而进一步提升太阳能路灯控制系统的使用空间，减少不必要的麻烦。

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