太阳能LED路灯控制系统毕业设计

本科毕业设计毕业设计题目：太阳能LED路灯电路控制系统学生姓名：XXX学号：XXXXXXXXX系别：电子工程系专业班级：光信息科学与技术指导教师姓名及职称：XXX副教授起止时间：XXXX年X月——XXXX年X月摘要太阳能路灯是太阳能应用产品的重要代表，本文主要介绍了以单片机为核心的太阳能路灯控制器的设计，该控制器通过对蓄电池电压、充电电流等参数的检测判断，控制开关管的关断，来实现充放电控制和保护功能。对系统的硬件和软件的设计做了说明，系统采用PWM技术对蓄电池进行充电管理。与以往的控制器相比，此控制器本钱低，可靠性高。本文同时还简单介绍了LED的驱动电路设计。关键词：太阳能控制器充放电LED单片机AbstractSolarstreetlampisanimportantrepresentationofsolarenergyproduces,Thedesignofsolarstreetlampcontrollerbasedonmicrocontrollerismainlyintroduced.Byexaminationandjudgmentontheparametersuchasbatteryvoltage,chargehardcorecurrentandetc.,controlledtheswitchtubebreakinginordertorealizethecontroloncharge,dischargeandprotectionfunction.Thehardwarestructureandsoftwaredesignaregiven.ThesystemadoptsthePWMtechniquetocarryonthechargemanagementofstoragebattery.Comparedwithformercontroller,thecostofthiscontrollerwaslow,thecredibilitywashigh.Atthesametime,thispaperalsointroducedthedesignoftheLEDlightingsystem.Keywords：solarenergy;controller;chargeanddischarge;LED;on-chipcomputer目录1.前言……….…….12.方案制定前的调查分析………………….…….12.1太阳能应用的前景…….….….12.2市场调查…………...….……23.太阳能路灯各个部件的简单介绍………….…..33.1太阳能电池的工作特性、原理及使用考前须知………………33.2锂电池的特性………………53.3LED的特性……………….54.太阳能路灯的主要功能和组成………………….64.1主要功能……………………64.2太阳能路灯的组成部份包括…………………65.太阳能路灯控制器……………….75.1原理…………75.2电池电压和电流的检测………7.电压的检测…………..7.充电电流的检测……...75.3锂电池充电控制…………….11锂电池的充电过程……………...…….11具体的控制原理...........................................................125.4开关管的选择………..……...135.5照明局部的控制……….……135.6光控电路…………...….…...145.7供电电源…………....……...155.8程序的编写…………………155.9太阳能路灯控制器本钱估计…….186.太阳能路灯照明局部的设计…………186.1使用LED作为照明的理由………..186.2LED驱动…………19LED驱动要求…………..19LED驱动电路……..……20LED散热……………….217.太阳能电池和蓄电池的选型…………..218．结语…………………….22参考文献…………………….23致谢……………………….....241．前言当煤炭、石油等不可再生能源频频告急,能源问题日益成为制约国际社会经济开展的瓶颈时,很多国家都正在开发新的能源.寻求经济开展的新动力,由于太阳能是一种可再生能源,用之不尽,是一种理想的能源,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。我国是一个太阳能资源非常丰富的国家。加上我国的光伏产业的迅猛开展。太阳能产品具备很广的市场。在照明灯具中，作为技术和艺术相结合的太阳能路灯已开始在很多地方推广应用。太阳能路灯具备很多优点：安装、维护方便，不需和电网相连接，所以不需要挖坑埋电缆或架设电缆。安装的地点灵活方便。太阳能路灯只需太阳能作为能源，不污染环境。为了能更好地利用太阳能。本文就针对太阳能的利用，制定一个太阳能路灯控制系统的设计方案。一个完整的路灯由四个局部组成:太阳能电池、蓄电池〔锂电池〕、控制器、LED照明。2．方案制定前的调查分析2.1太阳能应用的前景太阳能可以说是用之不竭能源，利用好太阳能可以解决人类能源问题。整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.865*1026J，相当于每秒钟燃烧1.32*1016t标准煤所发出的能量。虽然太阳距离地球远在1.5*108km。之外，它的能量有22亿分之一到达地球之上[1]。平均来说，在地球大气外面正对着太阳的1M2的面积上，每分钟接受的太阳能量大约为1367W。这是一个很重要的数字，叫做太阳常数。总之到达地球范围内的太阳总辐射能量大约为1.73*1014kW。其中，被大气吸收的太阳辐射能大约为4.0*1013kW，约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的23%;被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的太阳辐射能大约为5.2*1013kW，约占30%;穿过大气层到达地球外表的太阳辐射能大约为8.1*1013kW，约占47%。在到达地球外表的太阳辐射能中，到达地球陆地外表的辐射能大约为1.7*1013在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能总辐射量为3340-8400MJ/〔m2*a〕，中值为5852MJ/〔m2*a〕。从全国太阳能年总辐射量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广阔地区的太阳能总辐射量很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为‘日光城〞的拉萨市，1961年至1970年的太阳年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%，年平均晴天为108.5d，阴天为98.8d，年平均云量为4.8，太阳能总辐射量为8160MJ/〔m2*a〕，比全国其他省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳能年总辐射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、雾多、晴天较少。例如，素有“雾都〞之称的成都，年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%，年平均晴天为24.7d，阴天达244.6d，年平均云量高达8.4。其他地区的太阳能年总辐射量居中[2]。可见，利用太阳能的潜力是相当大的，开发利用太阳能为人类效劳是大有可为的。2.2市场调查一个完整的路灯由四个局部组成:太阳能电池、蓄电池〔锂电池〕、控制器、LED照明.四个局部中价格最昂贵的是太阳能电池.中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年中国太阳能电池生产总量到达139MW，较2004年猛增了179%，2006年到达400MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能那么到达惊人的1180MW。以3年产量增长45倍，产能增加125倍而成为全球开展最快的国家。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2023年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2023年到2023年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。在国家各部委立项支持下，目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。中国太阳能光伏电池生产本钱已大幅下降，目前太阳能电池的价格大约是34元/瓦.太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年.因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，最好使用层压的封装形式.另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以到达10年.由此可以看出使用层压工艺的太阳能电池的寿命是比拟长的.锂电池的寿命也比拟长,只要充放电控制局部做得好一些以保证蓄电池不要过充过放等.由以上分析可知,做一个小的庭院灯价格为2000-3000元(包括蓄电池,控制器,LED灯),功率更大的路灯价格更是昂贵.总体价格高,但一次性投资便可使用20-30年,既省去以后20、30年的电费和维护费。既省电又环保.从长远来看,应该是值得选择的3.太阳能路灯各个部件的简单介绍3.1太阳能电池的工作特性、原理及使用考前须知太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm2到5cm2。太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50V，工作电流为20-25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串联、并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率，如下图3.1图3.1.1太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对的正、负电荷，由于在PN结区域的正、负电荷被别离，于是一个外电流场就产生了，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。将一个负载连接在太阳能电池的上、下两外表间时，将有电流流过负载，于是太阳能电池就产生了电流。太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，1个高于基能能量的光子将仅产生1个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。硅太阳能电池的种类：目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。由于单晶硅太阳能电池所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，所以材料本钱比拟昂贵。多晶硅太阳能电池晶体方向的无规那么性，意味着正、负电荷对并不能全部被PN结电场所别离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能因晶体的不规那么性而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池稍低。但多晶硅太阳能电池可用铸造的方法生产，所以它的本钱比单晶硅太阳能电池要低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比拟低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多用于弱光性电源，如手表，计算器等的电池。太阳能电池电气特性：太阳能电池组件的电气特性主要是指电流——电压特性，也称为I-V曲线，如下图。图太阳能电池的I-V特性曲线I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流V-电压；Voc-开路电压；Vm-最大工作电压Pm-最大功率I-V曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路，即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路，即I=O，此时的电压称为开路电压Vcc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V*I.当太阳能电池组件的电压上升时，例如，通过增加负载的电阻值或组件的电压从0(短路条件下)开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加，当电压到达一定值时，功率可到达最大。而当电阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压到达开路电压Vcc。组件输出功率到达最大值的点，称为最大功率点;该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压);该点所对应的电流，称为最大功率点电流Irn(又称为最大工作电流);该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，大约温度每升高1℃，每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等能力。而潜在的质量问题是边沿的密封效果以及组件反面的接线盒质量。太阳能电池的封装方式主要有以下两种:a.双面玻璃密封。太阳能电池组件的正、反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。这种密封方式存在的一个主要问题是玻璃板与接线盒之间的连接。这种连接不得不通过玻璃板的边沿，因为在玻璃板上打孔是很昂贵的。b.玻璃合金层叠密封。这种组件的前面是玻璃板，反面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中的。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。太阳能电池使用考前须知：(1).太阳能电池安装倾斜角度的选择和装饰性外罩为了美观，许多太阳能灯具生产工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能.这就应该选择一个让阳光照得更多的角度.(2).热岛效应：单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以到达期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。3.2锂电池的特性锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比拟昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应〞以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。3.3LED的特性LED寿命长，可以到达100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去5年中有很大地提高。同时性能价格比也有较大地提高。另外，LED由低压直流供电，其光源控制本钱低，调节明暗，频繁开关都是可能的，并且不会对LED的性能产生不良影响。LED的发光原理是在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。4.太阳能路灯的主要功能和组成4.1主要功能：a：根据锂电池的充电特性，利用程序控制能够很好地为锂电池充电。2.2：利用一个液晶屏显示电池的电压和充电时的电流。b：根据光的强度可以精确地判断出是白天还是夜晚，从而控制路灯的开和关。c：能够根据电池的电压来决定一个晚上翻开路灯的时间。d：照明局部还设有独立的驱动电路，能够使LED正常工作保证LED的使用寿命。4.2太阳能路灯的组成部份包括：太阳能电池板〔功率约100W〕，控制器，锂电池〔容量约50Ah〕，照明局部〔功率30W〕。它的结构和连接方法如下列图4.2：图4.2太阳能路灯的组成5.太阳能路灯控制器5.1原理控制器是太阳能路灯的核心局部，下面对控制器进行详细的介绍：通过对电池的电压和充电电流这两个参数的检测判断，控制两个场效应管的开通和关断，到达各种控制和保护功能。充电放电控制采用的都是PWM脉冲调制控制保护技术，能够进行恒压，恒流等充电阶段的控制，其中PWM脉冲调制就是控制脉冲的占空比，不同占空比的波形是由单片机的定时功能来实现的。调整脉冲的占空比，可以控制流过灯的电流，也可以控制灯的开和关，高电平灯就关，低电平灯就开。5.2电池电压和电流的检测.电压的检测：利用一个电位器把电池的电压降低,输进模数转换器(ADC0809)的第一个通道中,然后通过单片机(STC89C52)把电压反推出来再进行显示..充电电流的检测：检测比拟大的直流电流的方法不多，本系统用一个小电阻R〔0.05欧姆〕来检测电流，通过把小电阻的两端的电压放大41倍〔具体的放大方法如图2〕，把电压输进数模转换器的第二个通道，测得一个电压U1后除以运算放大器放大的倍数Auf得到实际的电压U，根据欧姆定律〔U=I*R〕计算出电流I的大小，再在液晶屏上显示出来。图画的是一个同相比例放大电路，运算放大器使用的是LM358里其中的一个，根据运算放大器“虚短〞与“虚断〞可以得到：所以，运算放大器放大倍数：图电压放大电路用一个小电阻来检测电流存在的问题是：对电池的电压有一定的影响，因为当电流比拟大时，电池分给小电阻的电压也就大。这样加到负载的电压也就相应地减少一点。用小电阻检测电流存在的另外一个问题是:小电阻的阻值会发生变化。实际上绝对线性的电阻是不存在的。例如，绝大多数金属导体的电阻都随温度的升高而升高，当电流通过金属导体时，将电能转化为热能，使金属导体的温度升高，电阻就不是常数，而是随着电流或电压变化的。本系统中检测出来的充电电流跟实际的充电电流不一样，但存在一个规律是：电流越大检测出来的电流跟实际电流的偏差就越大，它们成线性的关系。这是由于小电阻阻值随温度变化而造成的。以下是试验采集的单片机检测出的电流和实际电流的一些数据：实际电流单片机测出的电流0.090.040.10.060.110.060.130.080.170.160.180.160.190.180.210.20.220.220.230.240.240.260.250.260.260.280.270.30.280.320.290.340.30.340.310.360.320.380.330.380.340.40.350.420.360.420.370.440.380.460.390.480.40.480.410.50.420.520.430.540.440.560.450.580.460.580.470.60.480.620.490.620.50.640.510.640.520.660.530.660.540.70.550.70.560.720.570.740.580.760.590.780.60.78这两组数存在着线性的关系，对第一列的数据进行处理，首先求出它的关系式，假设关系式为：y1=a(1)*x+a(2);使用MATLAB求出系数a(1)和a(2)：cleardatax=[1:39]';a1=[0.22,0.23,0.24,0.25,0.26,0.27,0.28,0.29,0.3];a2=[0.31,0.32,0.33,0.34,0.35,0.36,0.37,0.38,0.39];a3=[0.40,0.41,0.42,0.43,0.44,0.45,0.46,0.47,0.48];a4=[0.49,0.50,0.51,0.52,0.53,0.54,0.55,0.56,0.57,0.58,0.59,0.60];datay=[a1,a2,a3,a4]';%原始数据A=[datax,ones(39,1)];B=datay;a=A\B,r=1/a(1);%线性拟合plot(datax,datay,'.'),holdon;%绘出原始数据值点x=0:0.1:39;y1=a(1)*x1+a(2);plot(x,y1);holdon;运行以上程序得：a(1)=0.0100a(2)=0.2100所以这组数据可以用关系式y1=0.01*x+0.21————〔1〕来表示。采集的数据和线性拟合后的坐标图如图图〔1〕实际电流数据采集和线性拟合对第二列的数据进行处理，首先求出它的关系式，也假设关系式为：y2=a(1)*x+a(2);使用MATLAB求出系数a(1)和a(2)：cleardatax=[1:39]';a1=[0.22,0.24,0.26,0.26,0.28,0.3,0.32,0.34,0.34];a2=[0.36,0.38,0.38,0.4,0.42,0.42,0.44,0.46,0.48];a3=[0.48,0.5,0.52,0.54,0.56,0.58,0.58,0.6,0.62];a4=[0.62,0.64,0.64,0.66,0.66,0.7,0.7,0.72,0.74,0.76,0.78,0.78];datay=[a1,a2,a3,a4]';%原始数据A=[datax,ones(39,1)];B=datay;a=A\B,r=1/a(1);%线性拟合plot(datax,datay,'.'),holdon;%绘出原始数据点图x=0:0.1:39;yi=a(1)*x+a(2);plot(x,y2);holdon;运行以上程序得：a(1)=0.0147a(2)=0.2109所以这组数据可以用关系式y2=0.0147*x+0.2109〔2〕图〔2〕单片机检测出的电流数据采集和线性拟合结合关系式〔1〕和〔2〕便可得出两列数据的关系式〔也就是单片机测出的电流和实际电流的关系〕：y1=0.680272*(y2-0.2109)+0.21，其中y1表示实际的电流，y2表示单片机检测出来的电流，单片机检测出来的电流y2通过上式的转换后变成y1再在液晶屏上显示出来，这时显示的就是实际的电流。5.3锂电池充电控制锂电池的充电过程上面介绍了电压，充电电流的检测。有了这两个数据就可以对锂电池充电进行控制了。锂电池的充电曲线如下列图：图锂电池的充电曲线锂电池的充电过程：1.如果开始充电时,电池电量很低(例如低于13V),那么必须用小电流(大概为0.24A)开始充电，即涓流充电.如果电压高于13V就不必进行这个步骤.小电流充电是为了保护电池，防止大电流冲击给电池内部结构带来损害〔电池在电压很低的时候遇到大电流会受到的伤害比电压高的时候高得多〕。2.当电池电压大于13V可以开始大电流充电，就是采用允许的最大电流充电，这是为了节省充电时间，采用最大电流进行充电就是最能节省时间的了，于是就是恒流充电，随着充电的进行，电池电压逐渐升高。3.当电池电压到达或接近充满电压〔如16.8V左右〕时，那么要开始转入恒压充电，因为到达了充满电压，这时就可以保持电压根本不变，逐渐减小充电电流，如果不转入小电流充电，就可能导致电压过高，有过充的危险，过充也是对电池有害的。就像往暖瓶里面充开水，前面可以使劲儿灌，到快到灌满的时候就要减小水流了，这样充满的时候水就不容易溢出来。当电流减少到大概0.25A左右,就停止充电.具体的控制原理本方案采用PWM脉冲调制控制保护技术,不仅能有效地保护蓄电池,防止过充电现象的发生,还能快速、平稳地为蓄电池充电。所谓PWM控制就是控制输出波形的占空比，周期并不改变，通过开关管的导通与闭合来控制充放电。锂电池的充电曲线图如图5.3.1具体的控制电路如图.蓄电池的电压低于13V时，单片机输出一个相应占空比的脉冲，控制三极管〔Q1〕通和断的时间，从而控制场效应管IRFZ44〔Q3〕的通和断，使到充电的电流为0.24A左右，此时处于预充状态。蓄电池的电压高于13V时。单片机输出一个高电压〔相当于PWM占空比为0〕，三极管〔Q1〕导通，场效应管IRFZ44〔Q3〕处于截断状态，此时太阳能电池板以最大的电流为蓄电池充电--恒流充电。当蓄电池电压接近或等于16.8V时，通过控制占空比，也使场效应管IRFZ44〔Q3〕实现通断控制，使充电状态处于恒压浮充状态。当电流小于一个值〔0.24A〕时，单片机就输出一个低电平，使场效应管IRFZ44〔Q3〕图充放电控制电路5.4开关管的选择考虑到太阳能电池的功率和负载的功率不一致，可用不同的MOS管做充放电的开关管，用小功率的MOS管要考虑温度因素，必要时必须加散热器。为了提高可靠性，降低本钱，通过大量的试验、分析、比拟得出：以3A电流工作，可选用IRFZ44，IRF540，IRF530，50N60等MOS管，根本不需加散热器；在5A电流工作，须加小散热器；在8A电流工作，用2807，3205，150，064等MOS管要加小散热器，其它MOS管要加大散热器，在1OA以上电流工作，都应该加大散热器，2807，3205，150，064MOS管带载能力较强，价格高。在元件选用上，应根据具体情况加以选择[3]。5.5照明局部的控制照明灯的亮和灭的控制原理如上图6，当单片机控制照明灯的控制脚输出高电平〔5V〕的时候，三极管Q2就会导通，三极管Q2集电极E的电压变低〔约为0V〕，此时加到场效应管〔Q4〕栅极的电压就会变低，场效应管就截止，流过照明灯的电流减少到0。相反，当单片机控制照明灯的控制脚输出低电平〔0V〕的时候，三极管Q2就会截止，三极管Q2集电极E的电压高，此时加到场效应管〔Q4〕栅极的电压也就高，场效应管就导通，流过照明灯的电流大，照明灯翻开。根据监测出的电池的电压。利用单片机的定时功能可以控制照明灯亮灯的时间。我把开灯时间分成5个模式：电池电压大于16.24V时为模式1；电池电压大于15.92V时为模式2；电池电压大于15.68V时为模式3；电池电压大于15.48V时为模式4；电池电压小于15.48V时为模式5。具体开灯时间如下：模式1开灯10个小时；模式2开灯8个小时；模式3开灯7个小时；模式4开灯6个小时；模式5开灯4个小时。这样根据实际情况来决定开灯时间，可以防止电池过放从而更好地保护蓄电池。提高了系统的可靠性。5.6光控电路顾名思义，光控电路的功能就是根据光的亮暗程度来控制其它的东西。本方案采用了两个光敏电阻，这样做的目的是使控制更加准确。防止了大白天还会翻开路灯的情况。如图5.6所示，加在三极管Q5,Q6基极的电压是由光敏电阻L11和L21分压而得来的。没有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变得很大，接近1M欧姆。此时，光敏电阻上的压降会很大，加到三极管上的电压也大，三图5.6光控电路图5.7供电电源极管就导通，输进单片机的是低电平。相反，有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变小，约为15K欧姆。此时，光敏电阻上的压降会变小，三极管就截止，输进单片机的是高电平。这里采用两个光敏电阻同时工作。编程的时候使用逻辑与，只有两路都是低电平的时候才判断为是黑夜。5.7供电电源单片机，AD0809和LCD1206对电源质量要求都比拟高，特别是AD0809的参考电压要求是稳定的5V的电压。电路中采用了L7805作为稳压器。电源直接从蓄电池取电。经L7805后给电路供电。电路图如右图5.7.5.8程序的编写本方案使用51系列单片机作为控制处理核心。对51系列单片机编程，首先要了解它的工作原理、特性和各个管脚的功能等。该器件采用了高密度非易失存储器制造技术制造。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，51系列单片机是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下面对51系列单片机作简要的介绍：〔1〕管脚说明：VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现；EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕；XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2：来自反向振荡器的输出。〔2〕振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。〔3〕芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“程序可以用汇编语言，也可以用C语言来编写。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言,是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的CPU,其汇编语言可能有所差异,所以不易移植，写出来的程序不容易理解，程序比拟大时维护困难。C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好,移植容易,是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占用资源较多,执行效率没有汇编高。由于本方案涉及到的东西比拟多：包括ADC0809，LCD驱动等，程序写起来是比拟长，加上本方案实时性要求不是很高。在综合考虑下，决定用C语言来编写程序。程序设计的流程如下：图主程序流程图图充电控制子程序流程图图放电控制子程序流程图程序设计见附录。5.9太阳能路灯控制器本钱估计此控制器只使用了廉价的51系列单片机作为主控制器，没有用到专门的太阳能路灯控制芯片。由于控制器精确度要求不是很高。所以模数转换使用的是8位的模数转换器ADC0809.电流采集使用了一个0.05欧姆的小阻值电阻。LCD显示器可以不使用。这里使用只是为了便于观察、调试。充放电方面采用了两个场效应管IRFZ44，光控方面使用了两个光敏电阻。单片机电源供给使用了三端稳压管L7805。所以总价格大概为20-30元。6.太阳能路灯照明局部的设计6.1使用LED作为照明的理由目前，照明约占世界总能耗的20%，假设能以高效率的LED取代目前低效率、高耗电的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。虽然LED的应用现在仍处于初期阶段，但与现行照明设备比拟，LED照明优点仍然突出[4]：〔1〕发光效率高、耗能少LED的光效预计可到达200lm/W以上，而且光的单色性好、光谱窄。在同等照明效果下，LED的耗电量是白炽灯的1/8，荧光灯的1/2。〔2〕使用寿命长LED的使用寿命可以长达近十万小时，而白炽灯一般为1000～2000h，荧光灯为6000～8000h。〔3〕平安环保LED为全固态发光体，耐振、耐冲击，而且发热量低，无热辐射，无污染。〔4〕启动时间短LED的响应时间只有几十纳秒，因此适合用在一些需要快速响应的场合。〔5〕体积小LED具有小型化、平面化、可设计性强的特点，可以使人们从传统的点线光源点局限中解放出来，实现照明的随意布置。白光LED的发光效率现已突破60lm/W，据预测，随着LED单价的下降，到2023年左右，白光LED照明将逐步取代白炽灯和荧光灯，成为主流的照明光源[5]。LED是低压驱动的冷光源，它的性能受使用条件和驱动器性能的制约。LED驱动LED驱动要求高亮度LED一般的导通电压在3.0～4.3V，其电流－电压关系为〔1〕式中，IS为饱和导通电流；VF为正向电压；IF为正向电流。LED的电气特性因制造工艺的不同有较大差距，就是同一批产品差距也很大。如图所示，同一正向电压下LED的导通电流有很大的偏差。同时，LED的使用寿命受工作温度的影响，LED额定亮度随着工作时间下降，并且工作温度越高，使用寿命越短。研究说明，LED亮度下降后，到达同一驱动电流的驱动电压会下降，LED光效随着电流的增大而减小，LED的驱动电流和亮度成饱和曲线关系。当驱动电流到达额定电流的70%～80%后，很大局部电能转化成了热能，使LED温度迅速上升。为了提高LED的最大电流利用空间和可靠性，LED推荐工作在额定电流的70%～80%，并且使用恒流驱动。在LED驱动器的设计中，必须考虑下面几个设计指标。〔1〕提高转换效率，减少功耗，特别是在电池供电场合，这样不但可以延长一次充电的使用时间，而且可以减少系统发热量，降低工作温度。静态电流必须要小，并且有关闭功率，在关闭状态时一般耗电小于1μA。〔2〕提高电路的可靠性，电路必须有过压、欠压、过流等保护电路，不能因为电路故障而造成LED的损坏。同时，在LED驱动器设计过程中，需要注意以下几个问题：〔1〕LED并联驱动均流LED采用串联驱动，容易实现恒流控制，但是要求的驱动电压也较高，在驱动多个LED时，有时必须采用并联驱动。现在LED并联驱动均流主要有：各路用功率开关独立调节，调节电源输出电压，调节流过一路LED的电流三种解决方案〔2〕浪涌电压的限制:电源的浪涌电压及接通电路时电容充放电瞬间电流的冲击波形对LED芯片损伤严重，在设计时，特别是大功率LED驱动器，应该引起足够的重视。〔3〕大功率LED的散热LED照明系统的热源根本就是LED灯本身。建议LED灯采用铝基板散热，功率器件均匀排布，尽可能防止将LED驱动电路与散热局部贴近设计；减少封装至印制电路基板的热阻抗；提高LED芯片的散热畅顺性以降低系统工作温度。图LED电压-电流特性曲线LED驱动电路照明LED灯的功率要求为32W。采用32个1W的LED灯组成。要设计合理的驱动电路，选择合理的驱动芯片。能提供大功率LED恒流驱动的芯片很多,台湾MACROBLOCK公司生产的LED驱动芯片MBI1802驱动能力强,效率高,并提供过温保护的功能。因此,选择此芯片作为本方案中LED的驱动芯片,驱动电路原理图如下图。一个芯片能够驱动8个1W的LED。所以32个LED需要4个同样的芯片来驱动。图LED驱动电路LED的电压和它的相对光通量也近似成指数关系。如果采用恒压驱动方式,驱动电压轻微的扰动都会造成相对光通量大幅度的改变；而采用恒流方式驱动的LED受驱动电流的扰动的影响要小得多。因此,本方案选择恒流的驱动方式。LED散热LED发光芯片受温度影响大,图图〔a〕显示了LED发光芯片的结合点温度和LED的出光量间的关系,两者成反比[6]；LED发光产生的热量主要由安装在LED上的散热片传导出去,LED结合点温度和散热片的温度是线性关系.图6.2.3〔b〕显示了LED点亮后散热片温度和LED光衰程度的关系[7],可以看出,散热片温度越高,LED光衰越大。因此,散热设计对LED光源的性能起着至关重要的作用,良好的散热设计可以大幅度地延长LED的使用寿命。图〔a〕相对输出与结合点温度图6.2.3〔b〕恒流350mA散热片不同温度时LED的相对光输出7.太阳能电池和蓄电池的选型太阳能路灯使用总功率为32W的LED组作为照明。太阳能电池功率的大小和蓄电池容量的大小应该根据当地的日照情况来确定。东莞市属亚热带季风气候,长夏无冬，日照充足，雨量充分，温差振幅小，季风明显。东莞日照时数充足，1996～2000年平均日照时数为1873.7小时，占全年可照时数的42％。其中，2000年，日照时数最多，达2059.5小