1、毕业论 文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 太阳能 LED路灯控制系统的研制 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 太阳能 LED 路灯控制系统的研制 摘 要 本文设计了一种时控与光控相结合的太阳能路灯控制器，利用单片机 AT89C2051以及时钟芯片 DS1302控制路灯照明时间，利用低功耗的数据存储器 AT24C02存储路灯点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。 傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行 人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。 太阳能路灯由太阳能电池、蓄电池
2、、 LED、蓄电池充放电系统、控制器等部件组成，噪声污染小，太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。 太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的 ,是人类可以直接自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益加重的今天，充分开发和利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高亮白光 LED体积小、重量轻、方向性好并可耐受各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节 能性和安装方便，所以凡有工频交流电灯具的地方， LED灯具的触手就会伸及。 21 世纪将是以固体发光材料为核心的，即以 LED 为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后，随着各国政府的重
3、视和加大投入， LED 必将成为本世纪最具竞争力的新型绿色环保节能光源而掀起一次照明领域新的革命。 关键词： 太阳能电池； LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器 毕业论文 - Abstract The paper introduced a kind of solar street lamp controller combined with real-time control and light control, which takes AT89C2051 and clock chip DS1302 to control the lighting time of lamps, use
4、s storage lamp with low-power AT24C02 data memory to light up or crush out time, uses photoresistances to achieve photoelectric control. Controller automatically power-on when the light gets low at dusk, and crushes street lamps according to the time of planned when the pedestrians are few in the de
5、ad of night, so dawn. Solar street lamps are made of solar cells, batteries, LED, storage battery charging system, controller and other components, which seldom make noises with few moving parts. Solar radiation is inexhaustible and human can use it directly. Today, facing energy shortage and growin
6、g environmental pollution, fully develop and utilize solar energy becomes important energy strategy decision to the sustainable development of various countries. Compared with the traditional lighting tools, super bright white LED luminaires can tolerate each kind of extreme condition with small siz
7、e, low weight, and good direction. In terms of power consumption, life span, and environmental protection have superiorities that others couldnt match, along with solar street lamps energy conservation and easy installation , LED luminaires are within touch wherever there are phase alternating lamps
8、. The 21st century is the century takes solid core light-emitting material as core, which means the 21st century is represented by a green LED lighting century. In the future, with various countries value and increase input, LED will certainly become the most competitive new energy-saving light sour
9、ce in this century and stimulate the next revolution in the lighting field. Key words: solar cell; LED; lead-acid batteries; real-time control with light control circuit; electricity charge charge-discharge controller 毕业论文 - 目 录 前言 .1 第 1 章 绪论 .2 1.1 研究背景 .2 1.2 国内外研究现状和发展趋势 .2 1.3 本文的主要研究内容 .2 第 2
10、章 方案论证 .3 2.1 设 计要求 .3 2.2 方案选择 .3 第 3 章 系统硬件选用 .4 3.1 系统总体框图 .4 3.2 太阳能电池板 .5 3.3 太阳能控制器 .7 3.4 蓄电池 .7 3.5 照明负载 .8 3.6 蓄电池和太阳能板的选用 .9 第 4 章 硬件电路设计 .11 4.1 电源电路 .11 4.2 显示电路 .11 4.3 LED 驱动电路 .12 4.4 过充、过放控制电路 .12 4.5 AT89C2051 的简介 .13 4.6 DS1302 的结构及工作原理 .15 4.7 存储器 AT24C02 简介 .16 第 5 章 系统软件设计 .17 小
11、结 .22 致谢 .23 参考文献 .24 附录 .25毕业论文 - 前言 面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，使用寿命可达 20 年以上，性能稳定，同时维护费用较低。 太阳辐射能是取之不尽、用之不 竭的 ,是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高
12、亮白光 LED 照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方， LED 灯具的触角就会到达。 21 世纪将是以固体发光材料为核心的，即以 LED 为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后。随着各国政府的高度重视和加大投入， LED 必将成为本世纪极具竞争力的新型 绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。 太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。 道路照明与人们生产生活密切相关，随着
13、我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的 LED 路灯逐渐走入人们的视野。 当前国际常规能源价格不断上涨，国内能源供应紧张，许多城市出现拉闸限电的尴尬，能源替代已上升到国家能源战略安全的高度。太阳能作为无限可再生能源，逐步部分替代城市生产、生活常规能源已是大势所趋。太阳能照明作为太阳能最重要 的利用方式之一，也越来越受到能源行业和照明行业的关注。目前中国太阳能照明技术已经比较成熟， 太阳能路灯 具的可靠性得到很大程度的提高 ,业界先进企业的太阳能照明灯具已经达到甚至超过国家照明标准。在能源紧张、拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。 从长远来看，太阳能照明系统的前景很好。人
14、们的消费着眼点首先是实用、成本低，而目前采用的太阳能发电照明系统是根据中国国情和民情研发的，性价比较高。太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 研究背景 现如今太 阳能路灯以其先进、稳定、智能、成熟的控制技术以及显著的节能特性、较快的投资回报周期、简便的维护方式等特点得到了广泛的推广。随着太阳能照明灯具产品的普及以及应用步伐的加快，很多应用项目也暴露出产品及工程质量参差不齐 ,售后服务跟不上等问题。因此，我们需要及时分析原因、总结经验，规范市场运行，使太阳能路灯市场健康有序地发展。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为
15、一种巨大的可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于 2 5亿万捅石油，可以说是取之不尽、用之不竭的。 太阳能路灯的应用在当今世界能源问题 和环境问题倍受困扰和关注的现今，其现实意义十分重大，尤其是靠小规模火力发电或季节性水力发电的地区，因没有或无法并入国家大电网而本身电网调节能力相对较差，更需要大力开发太阳能电力，这是利国利民的好事。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 随着全球能源的日益紧张， 太阳能光伏照明得到了迅速发展。在太阳能照明系统的发展中，人们不断的对照明系统常用的控制模式进行分析，设计各种实际可行的工作模式，同时光源技术也在不断的更新换代中，蓄电池的充电模式也在不断的研究探索中
16、，有效利用率越来越高。在太阳能各个组成部分的发展和协调中 ，太阳能照明系统正在不断发展完善。 太阳能电池提供电能的照明是真正意义上的绿色环保照明，对政府来讲，在路灯运行时不用支付电费，对老百姓来讲，太阳能灯可直接提供安全电压 (36V以下 )而且无处不在无需并网。但在城市照明中占主体地位的道路照明中是否可以全面应用太阳能路灯吗 ?作为一种新型能源，作为一种新的技术和产业，与其它成熟技术产业相比，有优势。但也有发展时间短、技术未成熟导致的尚不完善的地方，例如性价比、管理、性能、标准、维护、环保等。 目前，太阳能路灯还未能广泛应用于城市路灯照明工程中，但其使用寿命长，维修方 便、节约能源，相信发展
17、和应用前景十分广阔，值得在城市路灯照明工程中推广应用。 1.3 本文的主要研究内容 本文主要研究方向是太阳能路灯照明控制器的研究，太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器是控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备能自动防止蓄电池过充电和过放电。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。 在一个太阳能路灯中，必不可少的一个组成部分就是太阳能控制器。太阳能控制器的主要作用是为了保护蓄 电池，通过限制蓄电池充放电条件来防止蓄电池深度充放电。在温差比较大的地方，太阳能控制器还要具备温度补偿功能。太
18、阳能控制器在设计上还要兼顾光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等功能与成本的控制，实现高性价比。 毕业论文 - 第 2 章 方案论证 2.1 设计要求 （ 1）电池板功率， 蓄电池容量、照明负载 的计算和选用； （ 2）充放电控制和充放电状态显示 ,LED驱动电路； （ 3）连续三个阴雨天天路灯仍能正常照明； (4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上 24点熄灭，早上 5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）； （ 5）系统断电时可以保存用户设定的各种参数。 2.2 方案选择 太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能大致一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用 ,还有就是对蓄
19、电池的充放电管理。国内外常用的路灯控制器有单独的光控制型、时钟控制型、经纬型控制器等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。 单独的光控型控制器一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制开关灯的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件多，体积也大，并且故障率较高。随着半导体技术的发 展，出现了时基集成电路，如 NE555 等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的最关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以准确判断各种干扰光线，经常会产生误动作。 采用时钟控器型
20、的路灯控制器，首先要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。但是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，经常需要人工调整开关时间，费时又费力，不利于节省电力。定时 开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用 LR6818、 LM8650、 LM8561 等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟 LED 液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组
21、开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。 经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点， 取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。 路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。 毕业论文 - 第 3 章 系统硬件选用 3.1 系统总
22、体框图 太阳能 LED 路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电 池经路灯控制处理器控制，点亮 LED 灯用于路灯照明。 根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、 51 单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。系统总体方框图如图 3.1 所示。 由太阳能电池板通过 7805 稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。 太阳能
23、电池板 充放电控制器 蓄 电 池 路灯控制处理器 LED 驱动 路灯负载 图 3.1 总体电路方框图 毕业论文 - 图 3.2 太阳能 LED 路灯原理图 3.2 太阳能 电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动 负载 工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在 90%以上 ,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非
24、晶硅太阳能电池等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太 阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。 太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式 ： 毕业论文 - 1、 太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能
25、通过热机带动发电机发电， 其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。 2、 太阳能光发电：不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇性。受气候条件影响；能量密度低；初始 投资高。迄今已有 100多个国家参与太阳能光电池的开发应用
26、。近年来，产量迅速增加生产成本开始下降。目前光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品 ,如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。 太阳能电池的基本特性 ： 太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射 S=l000W m2；太阳能电池温度 T=25 ；大气质量 AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“ Wp”。 为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。 通过 Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量。 太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用 60W单晶硅太阳能电池组件。 图 3.3 太阳能电池板 电池板原料 包含 玻璃 ， EVA， 电池片 、铝合金壳、包锡铜片、 不锈钢 支架等 。
