基于单片机的太阳能路灯控制系统

本科毕业设计论文
题目基于单片机的太阳能路灯控制系统
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
毕业
一、题目
基于单片机的太阳能路灯控制系统
二、指导思想和目的要求
（1）掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法；
（2）培养分析问题、解决问题和独立工作的能力；
（3）通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练，加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流，互相渗透，培养学术研讨的好学风；
（4）要求同学们以满腔的热情、科学的态度，严谨的作风、•高度的责任感从事毕业设计工作；不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过；提倡周密思考、大胆创新，反对死搬硬套、墨守陈规；提倡共同研究，反对相互抄袭；
（5）要求遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。

三、主要技术指标
太阳能路灯LED利用太阳能组件，将光能转换为电能，并储存在蓄电池中供负载使用。

太阳能路灯控制系统用于协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，避免蓄电池出现过充、过放现象，保证蓄电池的使用寿命，使系统能够安全高效运行。

（1）通过对光伏发电技术的了解，选择本设计采用的方案；
（2）根据方案确定选用的CPU，并完成相关系统设计；
（3）接口电路设计；
（4）系统的软件设计。

四、进度和要求
（1）第1-3周收集资料，根据需要学习相关的背景知识及软硬件；
（2）第4周进行系统概要设计，提出设计的总体思想；
（3）第5周，初步确定设计方案；
（4）第6-12周，完成系统硬、软件的设计，针对设计中存在的缺点和不足，不断完善设计方案；
（5）第13-14周，撰写并修改论文；
（6）第15周，完成论文，准备答辩资料。

五、主要参考书及参考资料
[1] 杨雅志.太阳能电池板定位系统.成都：电子机械高等专科学校，2011（9）
[2] 柴树松.铅酸蓄电池制造技术.北京：机械工业出版社，2014（1）
[3] 周志敏.太阳能LED路灯设计与应用.北京：电子工业出版社，2012（6）
[4] 李宜达.控制系统设计与仿真.北京：清华大学出版社，2004（8）
[5] 李弄，杨燕.LED照明与应用.北京：科学出版社，2012（5）
学生指导教师系主任
摘要
太阳能，一般是指太阳光的辐射能量。

在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、潮汐能等。

太阳能路灯是采用晶体硅太阳能电池供电，免维护阀控式密封蓄电池（胶体电池）储存电能，超高亮LED灯具作为光源，并由智能化充放电控制器控制，用于代替传统公用电力照明的路灯。

无需铺设线缆、无需交流供电、不产生电费；采用直流供电、光敏控制；具有稳定性好、寿命长、发光效率高，安装维护简便、安全性能高、节能环保、经济实用等优点。

可广泛应用于城市主、次干道、小区、工厂、旅游景点、停车场等。

太阳能LED照明是未来照明的方向，其最大的特点：环保、节能、发光效率高，因此使它将会逐步取代传统光源。

关键词：光伏发电，蓄电池，发光二极管
ABSTRCACT
Solar , generally refers to radiant energy of sunlight . In the case of diminishing fossil fuels , solar energy has become an important part of human energy use , and continue to develop. There are passive use of solar energy utilization ( photothermal conversion ) and the photoelectric conversion in two ways, solar power is an emerging renewable energy. Broadly also includes solar planet wind, chemical energy , water and the like.
Solar Street Light is the use of crystalline silicon solar batteries, maintenance-free VRLA batteries ( gel batteries ) to store electrical energy , super bright LED lamps as a light source , charge and discharge by the intelligent controller is used to replace the traditional utility power street lighting . Without laying cable , no AC power supply , no electricity ; using DC power supply , photosensitive control ; has good stability, long life, high luminous efficiency, easy installation and maintenance , security, high performance, energy saving, economical and practical advantages . It can be widely used in urban primary and secondary roads , residential , factories , tourist attractions , parking lots.
Solar LED lighting is the future direction of lighting, its biggest feature : environmental protection , energy saving, high luminous efficiency , so that it will gradually replace traditional light sources .
KEY WORDS: photovoltaic power generation, battery, light emitting diode
目录
第一章绪论 (5)
1.1 概述 (5)
1.2 太阳能路灯的优势 (6)
1.3 太阳能路灯的应用现状 (7)
1.4 本论文研究的主要内容 (8)
第二章系统设计的理论分析 (9)
2.1 系统基本介绍 (9)
2.2 光伏发电 (9)
2.3 控制器设计的要求 (10)
2.4 蓄电池的充放电原理 (11)
第三章系统方案论证及选择 (12)
3.1 方案比较与论证 (12)
3.1.1 太阳能电池板的选择 (12)
3.1.2 蓄电池的选择 (12)
3.1.3 照明灯具的选择 (14)
3.1.4 控制器芯片的选择 (14)
3.2 方案的配置与计算 (16)
3.2.1 路灯设计所需的数据 (16)
3.2.2 路灯设计参数的确定 (17)
第四章系统的硬件设计 (18)
4.1 系统电路框图 (18)
4.2系统工作流程设计 (19)
4.3 电源电路设计 (20)
4.4 故障预警电路设计 (21)
4.5 过充、过放控制电路设计 (21)
4.6 手动开、关电路设计 (22)
4.7 时钟电路设计 (23)
4.8 单片机最小系统设计 (23)
4.8.1复位模块电路设计 (23)
4.8.2 晶振电路设计 (24)
第五章系统的软件设计 (25)
5.1 系统软件框图 (25)
5.2 软件调试 (25)
第六章总结与展望 (27)
参考文献 (27)
致谢 (29)
附录 (30)
附录 1 (30)
附录 2 (31)
第一章绪论
1.1概述
跨入21世纪后，人类面临着实现经济和能源可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。

而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的开发利用更加剧了环境的恶化。

主要表现为以下几个方面：
（1）能源短缺。

常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。

从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。

（2）环境污染。

燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量，甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。

（3）温室效应。

化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化。

太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。

随着科学和技术的迅速发展，世界能源危机的日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。

同时，以煤、石油等作为燃料油面临严重的环境污染，再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。

为贯彻落实科学发展观，把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济与人口、资源、环境相互协调发展的要求。

因而，可再生、无污染的太阳能利用在世界各国兴起，世界光伏产业迅猛发展。

根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。

目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏发电技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的利用无处不在。

各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速。

1.2 太阳能路灯的优势
太阳能路灯以太阳光为能源，不需要铺设复杂的管线，安全节能无污染。

基于单片机的太阳能控制系统很好的把太阳能光伏发电技术与单片机智能控制技术结合了起来。

而且具有电路结构简单、工作稳定可靠、实用性强等优点。

综上，太阳能路灯较传统路灯的优势有如下几点：
（1）可靠耐用：太阳能路灯在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少发生故障；目前绝大多数太阳能电池组件的生产技术都足以保证10年以上性能不下降，太阳能电池组件可以发电25年或更长的时间。

（2）成本低廉：就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能路灯比普通路灯造价要高。

若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能路灯在寿命周期内所发生的总费用要比普通路灯的总费用要低。

且规模越大，普通路灯安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及路灯开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于预计费用。

（3）安全稳定：运行维护费用低，普通路灯明显高于太阳能路灯，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。

太阳能路灯免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。

（4）自主供电：离网运行的太阳能路灯具有供电的自主性、灵活性。

但是太阳能LED路灯的优势远远不只这些。

一般认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还节能1/4，这是固体光源伟大的革新。

除此之外，LED还具有亮度稳定、无辐射、可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。

超高亮LED的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。

由于LED具有发光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。

太阳能与LED相结合的技术运用在路灯领域完全符合“绿色，节能，低成本”的现代化设计理念。

而且针对现阶段太阳能LED路灯研究遭遇技术“瓶颈”而处于“花香”却难“满园绽放”的尴尬境地的情况，这个课题具有很大的研究价值，而从上面一系列的分析中也不难看出这个课题本身所具有的潜在价值更是无法估量的。

1.3 太阳能路灯的应用现状
在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。

国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场上规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。

近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节电问题已引起政府部门的关注。

在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，低效、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。

为此，建设部和发改委明确提出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。

随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。

我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用，上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。

在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。

欧洲各国都在开辟通向持久能源的通道，影响他们决策的主要因素是环境保护、创造就业机会和能源供应的安全可靠，可再生能源技术在这些方面有着较大优势。

它对环境的影响最小、可替代部分常规能源、增加能源供应的安全性和可靠性。

它要求较大的设备投资、创造了更多的就业机会、有助于经济增长。

在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。

它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。

尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能路灯市场仍然
持续增长。

1.4 本论文研究的主要内容
（1）分析太阳能光伏发电技术和LED技术；
（2）根据太阳能电池板输出特性和蓄电池的特性，设计蓄电池的充放电控制方法；
（3）设计电源控制电路；
（4）根据系统方案设计控制器外围电路；
（5）编写单片机执行程序；
（6）调试、实验硬件电路，保证可以实现既定功能。

第二章系统设计的理论分析
2.1 系统基本介绍
系统由太阳能电池组件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(内有控制器)等几部分构成。

蓄电池采用地埋式，蓄电池箱采用防腐材料加工而成，可有防盗、防水、易于维修等作用。

如图3-1所示。

控制器：控制蓄电池的充放电的深度，延长蓄电池寿命。

蓄电池：储存太阳能电池板产生的电能，在夜晚为负载提供电力。

图2-1 系统示意图
2.2 光伏发电
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积
的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

当光线照射在太阳能电池上而且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P 型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。

通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。

界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。

2.3 控制器设计的要求
太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，也是其与其它路灯系统最大区别所在。

可以说，光伏路灯系统的不同，其实质就是控制器的不同。

其设计的好坏，决定了一个太阳能光伏发电系统运行情况的优劣。

所以设计功能完备，结构简单的智能光伏路灯控制器是非常重要的。

太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。

为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。

在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。

同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控的功能,并应具备夜间自动切断负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。

控制模块的基本思想是检测太阳能电池板电压，若白天到，封锁控制电路，LED灯关闭；夜晚，太阳能电池板电压较低，开启控制电路，LED灯点亮。

同时检测蓄电池端电压，判断其充电方式、以及对负载LED的供电方式。

控制器结构电路主要由充电电路、放电电路、单片机外围电路和LED驱动电路等几部分组成。

太阳能控制器功能：
（1）电池组件防反充保护；
（2）蓄电池过充保护；
（3）蓄电池的过放保护；
（4）电池组件、蓄电池的反接保护；
（5）负载过压保护。

2.4 蓄电池的充放电原理
以铅酸电池为例。

所谓蓄电池即是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。

图2-2 铅酸蓄电池电动势产生原理
其原理可通过下面的反应方程式来表示：
负极，
（2-1）
正极，
22442222PbO H SO H e PbSO H O ++++→+ （2-2）
（1）放电中的化学变化
蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物“硫酸铅”。

经由放电，硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。

所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。

（2）充电中的化学变化
由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅,因此电池内电解液的浓度逐渐增加, 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束。

第三章系统方案论证及选择
3.1 方案比较与论证
3.1.1 太阳能电池板的选择
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。

在众多太阳光电池中比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晶硅太阳能电池等三种。

（1）单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；
（2）多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；
（3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。

太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。

如6V 蓄电池充电需要用8～9V太阳能电池，给12V蓄电池充电需要用15～18V太阳能电池。

3.1.2 蓄电池的选择
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。

一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池等。

铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为：恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。

一般来讲，这种蓄电池充电时，应外接直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。

其过充电时间与充电速率有关，实际工作中可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。

小型密封镍镉电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，使用温度范围广，零下40度到零上60度。

镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的发展。

其主要的改变，在于以储氢合金取代负极原来使用的镉，因此镍氢电池可以说是材料革新的典型代表。

镍氢电池所造成的污染，会比含有镉的镍镉电池小很多。

蓄电池是太阳能灯具的核心部件，它储存、并释放电能，功能等同于电能仓库。

蓄电池容量的选择一般遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件吸收的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。

蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。

蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。

可用一种简单方法确定它们之间的关系。

太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。

太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。

蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。

蓄电池结构分为：板栅（正极板栅、负极板栅）、隔板、电解质及其它部件（外壳、电气盖等）。

目前市场上蓄电池因酸液不同分为铅酸蓄电池和胶体蓄电池（固体蓄电池）。

普通铅酸蓄电池因其维护复杂（酸液因为析氢的损耗，需要补充酸液），使用寿命短（3年左右），自恢复能力差等因素，正逐渐被胶体蓄电池所替代。

胶体蓄电池的特点：
（1）循环使用寿命长达8～10年，适合每天使用；
（2）适合用于较长时间的放电使用；
（3）工作环境温度更高；
（4）优越的耐低温性能；
（5）适合在电力干线不稳定的环境下使用；
（6）无流动的胶体电解液使电解液在电池内部不产生分层现象；
（7）自放电小，很小均衡充电；
（8）内阻低，充电接受能力强；
（9）与普通铅酸蓄电池相比较，电池内部水分损耗小。

综上对比，以及客观条件的要求可得，太阳能灯具优先采用胶体蓄电池。

3.1.3 照明灯具的选择
太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源；
（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命在2000小时左右，电压低，灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯；
（2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造价高，采用较少；
（3）无极灯：功率小，光效较高。

该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，但在太阳能灯具上使用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）；
（4）LED：LED灯光源，寿命长，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。

随着技术进步，LED的性能将进一步提高。

LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。

因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。

3.1.4 控制器芯片的选择
智能化控制芯片中，单片机凭其体积小、封装形式简单、易于焊接、功能齐全、功耗较小等优点不失为最佳选择。

利用单片机完全可以实现路灯亮度的自动调节并能达到节省能源的目的，并且一旦开机就可以智能地持续工作，减少了工作人员的维护量。

在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。

选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和可编程Flash，使得。