【正文】 .........................................................20參考文獻(xiàn) ............................................................................................................21附錄 1 總體電路圖 ............................................................................................22附錄 2 程序 ........................................................................................................239第一章 引言面對人類的可持續(xù)發(fā)展，從現(xiàn)有常規(guī)能源向清潔、可再生的新能源過渡已提到議事上來了。因?yàn)樾履茉词且劳懈咝录夹g(shù)的發(fā)展，開辟持久可再生能源的道路，以滿足人 類不斷增長的能源需求，并保護(hù)地球的潔凈 。利用太陽能 發(fā)電，既不需要燃料，也沒有煙塵和灰渣，不污染環(huán)境，非常清潔。特別是太陽能電池組件，使用壽命可達(dá) 20 年以上，性能穩(wěn)定，同 時維護(hù)費(fèi)用 較低。太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的,是人類能夠自由利用的能源。在世界能源短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，充分開發(fā)利用太陽能是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。與傳統(tǒng) 的照明工具相比，超高亮白光 LED 照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種 惡劣條件，在功耗、壽命以及 環(huán)保等方面有不可比擬的優(yōu)越性，再加上太陽能燈具的節(jié)能性和安裝簡便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED 燈具的觸角就會到達(dá)。21 世紀(jì)將是以固體發(fā)光材料為核心的，即以 LED 為代表的新型光源、綠色照明的世紀(jì)。今后。隨著各國政府的高度重視和加大投入，LED 必將成為本世紀(jì)極具競爭力的新型 綠色環(huán)保光源而掀起一次照明領(lǐng)域新的革命[6]。太陽能道路照明燈不需要架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，不用專人管理和控制，可安裝在廣場、停車場、高爾夫球場、校園、公園、街道和高速公路等任何地方。道路照明與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，綠色、高效、長壽命的 LED 路燈逐漸走入人們的視野。第二章方案論證 設(shè)計要求（1）電池板功率的計算和選用；10（2）蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態(tài)顯示；（3）連續(xù)陰雨天三天路燈仍能照明；(4）光線暗時路燈自動點(diǎn)亮，為節(jié)省電能晚上24點(diǎn)熄滅，早上5點(diǎn)路燈點(diǎn)亮，早上光線強(qiáng)時路燈自動熄滅（開關(guān)燈時間點(diǎn)可調(diào)）；（5）系統(tǒng)斷電時可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)。 方案選擇太陽能路燈跟普通路燈控制電路功能基本一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用,還有就是對蓄電池的充電管理。國內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控制型、時鐘控器型、經(jīng)緯型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。單獨(dú)的光控型一般采用感光探頭，當(dāng)晚上光線弱時，自動開啟路燈；早上光線較強(qiáng)時，自動關(guān)閉路燈，達(dá)到自動控制的作用。 為節(jié) 省電力，早期的光控開關(guān)，使用分立半導(dǎo)體器件，電路復(fù) 雜，元器件 較多，體積 也較大，并且故障率高。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了 時基集成電路，如 NE555 等，使光控開關(guān) 電路簡化。感光探頭是影響光控開關(guān)性能的關(guān)鍵元器件，同時對它安裝位置也有一定要求，力求避免各種干擾光線，但在 實(shí)際使用中，感光探 頭難 以判斷各種干擾光線， 經(jīng)常會產(chǎn)生誤動作 [1]。采用時鐘控器型的路燈控制器，要預(yù)先設(shè)定開關(guān)時間，使路燈按時亮燈、準(zhǔn)時熄燈，從而達(dá)到自動控制的目的。優(yōu)點(diǎn)是定時開關(guān) 預(yù)先設(shè)定的開關(guān)時間不受外界干擾，除本身故障外不會 產(chǎn)生誤動作。缺點(diǎn)是不能根據(jù)季節(jié)變化和特殊的天氣情況自動變換開關(guān)時間，需人工經(jīng)常調(diào)整開關(guān)時間，費(fèi)時費(fèi)力，不利于 節(jié)省電力。定時開關(guān)又分為機(jī)械鐘表型和電子鐘表型，機(jī)械鐘表型以石英鐘為主，走時精準(zhǔn)，但是由于機(jī)芯內(nèi)使用塑料齒輪在高溫下會變形，從而導(dǎo)致停機(jī)現(xiàn)象。電子鐘表型定時開關(guān)使用的也較多，常用 LR681LM8650、LM8561 等集成塊為中心的電子鐘電路。近幾年還出現(xiàn)將 電子鐘 LED 液晶顯示為 一體的集成塊，體積小、外圍元器件少，可設(shè)六組開關(guān)點(diǎn)，有星期功能， 許多廠家大量生 產(chǎn)該產(chǎn)品，現(xiàn)在大多用于路燈控制中。經(jīng)緯型控制器采用單片機(jī)技術(shù)，模擬日照規(guī)律，晚上能自動開燈、早晨能自動關(guān)燈。它采取光控開關(guān)時間 的優(yōu)點(diǎn)，克服了光控開關(guān)易受干擾的缺點(diǎn)，取 鐘控器時間準(zhǔn)確之長處，克服了定 時開關(guān)不會自動變換開關(guān)時間之短處。目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價格較高，在路燈中使用將會增加不必要的成本。路燈的智能控制這一課題己有研究者，但目前尚未有成熟的產(chǎn)品上市。本設(shè)計是結(jié)合以上幾種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，綜合從節(jié)電、 經(jīng)濟(jì) 和實(shí)用等方面考慮，利用定時控制和光敏電阻控制相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)太陽能路燈的設(shè)計。11第三章系統(tǒng)總體框圖太陽能 LED 路燈在白天通 過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其 轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，即向蓄 電池充電，在晚上光 線較 暗時由蓄電池經(jīng)路燈控制處理器控制，點(diǎn)亮 LED 燈用于路燈照明。 根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可以分為以下幾個部分，太陽能電池板組件、 過充過放電控制電 路、 STC12C2051 單片機(jī)、蓄電池、時控光控電路、照明負(fù)載和時間顯示電路。系 統(tǒng)總體方框圖如圖 1 所示。由太陽能電池板通過 7805 穩(wěn)壓電路為單片機(jī)供電，并通過為蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電壓較低時其容量損耗得很快，使用壽命也會縮減，為延長蓄電池的壽命，要防止蓄電池出現(xiàn)過充或 過放，因此本 電路加的有 過充過放控制電路。第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計 電源電路 電源電路如圖 2 所示。系統(tǒng)太陽能供電， 24V 蓄電池電壓經(jīng)過 7805 穩(wěn)壓后產(chǎn)生 5V 電壓，作為控制器的主 電源。 電容 CC3 作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容 CC4 為濾波電容。Vin1GND3+5V 2U2 78L05C210pC310p+C1100UF +C447UF+24v +5v圖 2 電源電路 太陽能電池板組件太陽能電池板充放電控制器蓄 電 屏路燈控制處理器LED 路燈負(fù)載圖 1 總體電路方框圖12在新能源中，公認(rèn)技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。太陽能 發(fā)電主要有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種基本方式。(1) 太陽能熱發(fā)電：將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉(zhuǎn)換，如溫差發(fā)電等，目前功率都很小，有的尚 處于原理試驗(yàn)階段；另一類是太陽能熱動力發(fā)電，是將太陽熱能通過熱機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，其基本構(gòu)成包括集熱裝置、 儲能系統(tǒng)、 熱機(jī)和發(fā)電機(jī)等。有些國家正在研制較大功率的裝置，已達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電 的實(shí)際應(yīng)用水平。由于太陽能熱發(fā)電技術(shù)復(fù)雜，商業(yè)應(yīng)用只適合比較大的容量，因此發(fā)展不快， 實(shí)際應(yīng) 用不多。(2) 太陽能光 發(fā)電：不通過熱過程，直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的利用方式，可分為光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué) 發(fā)電和光生物 發(fā)電。目前應(yīng)用的光伏發(fā)電，是將照射到太陽能電 池上的光， 產(chǎn)生光伏效應(yīng) 直接轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆 變器等部分組成。其缺點(diǎn)：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個國家參與太陽能光電池的開發(fā)應(yīng)用。近年來，產(chǎn)量迅速增加．生產(chǎn)成本開始下降 [7]。目前．光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電。太陽能電池的基本特性太陽能電池陣列的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當(dāng)日射 S=l000W／m 2；太陽能電池溫度 T=25℃；大氣質(zhì)量 AM= 時，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦” ，記以“Wp ”。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。通過Hay模型的 計算，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽 輻照量差別較大，要 為電 池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量 [9]。太陽能電池板分為單晶硅和多晶硅兩種，多晶面積較大，發(fā)電效率沒有單晶高，因此根據(jù)需要本設(shè)計采用 70W 單晶硅太陽能電 池組件。 蓄電池蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚 間或陰雨天時供負(fù)載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里， 滿 足用戶要求的供電時間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄 電池，重要的 場合也有用 鎘鎳蓄電池，但價格 較高，13相對來說應(yīng)用沒有前一種廣泛。蓄電池是一種化學(xué)電源，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。需要時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏 發(fā)電系統(tǒng)中，蓄 電池對系 統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲存和調(diào)節(jié)作用。由于光伏系統(tǒng)的功率 輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時。蓄電池也能 夠提供相對穩(wěn)定的電能 [12]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，方 陣給蓄電池充電；冬天日照量小，這 部分儲存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電，晚上負(fù)載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐 過充放，而且充放電效率要高，當(dāng)然還要考慮價格低廉，使用方便等因素。蓄電池的循環(huán)壽命主要由電池工藝結(jié)構(gòu)與制造質(zhì)量所決定。但是使用過程和維護(hù)工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放 電深度對蓄電池的循環(huán)壽命影響很大，蓄 電池經(jīng)常深度放電，循環(huán)壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經(jīng)常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產(chǎn)生影響。大電流充電，特 別是過充時極板活性物質(zhì)容易脫落， 嚴(yán)重 時使正負(fù)極板短路；大電流放電時， 產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質(zhì)不能被充分利用，長此下去電池的實(shí)際容量將逐漸減小，這樣 使用壽命也會受到影響。本電路采用鉛酸免維護(hù)蓄電池，不需專門的維護(hù)；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸 霧；安全性能更好。但是對蓄電池的過充電更為敏感，因此對過充保護(hù)要求高；當(dāng)長時間反復(fù)過充電后，蓄電池極板易變形。 照明負(fù)載LED 外施電壓 后在其內(nèi)部會 產(chǎn)生受激電子躍遷光輻射。按照不同半 導(dǎo)體基本材料的物理特性，所產(chǎn)生的光波長是不同的。 發(fā)光二極管的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是 P—N 結(jié)，在半 導(dǎo) 體 P—N 結(jié)通以正向電流時注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復(fù)合就是發(fā)光二極管的工作機(jī)理。半導(dǎo)體 P—N 結(jié)發(fā) 光實(shí)質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一 LED 芯片不可能 發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。白光 LED 通常是在 發(fā)射藍(lán) 光的 InGaN 基材上涂熒 光材料，熒光材料在受到藍(lán)光激勵時會發(fā)出黃光，藍(lán)光和黃光的混合物形成白光 [8]。由于 LED 是直流供 電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)，如太陽能燈具產(chǎn)品。超高亮白光 LED 應(yīng)用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED 發(fā)光管其 產(chǎn)生的光線 方向性太強(qiáng)，綜合視覺效果 較差，因此應(yīng)首選平光型超14高亮 LED 或平光型與束光型超高亮 LED 組合使用，將多個 LED 集中于一起，排列組合成一定規(guī)則的 LED 發(fā)光源。超高亮白光 LED 發(fā)光源既要保證有一定的照射強(qiáng)度，又要使其具有較高的光效，然而 電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會引起光源熱損耗的增加，通常導(dǎo)致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點(diǎn)為最佳工作點(diǎn)，一般為 。超高亮白光 LED 發(fā)光源具有如下 優(yōu)點(diǎn) ：(1)壽命長。LED 的壽命長達(dá) 100000h，而白熾燈的壽命一般不超 過 2022 h，熒光燈的壽命也不過 5000 h 左右。(2)效率高。相對于傳統(tǒng)的第一代照明光源白熾燈，LED 的功耗只有前者的10％～20％。(3)綠色環(huán)保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED 不含汞、無頻閃，是一種環(huán)保光源。(4)耐低溫。 環(huán)境使用溫度在一 40℃～80℃ ，環(huán)境適應(yīng)性非常強(qiáng) [7]。這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計一個比較好的電壓比較點(diǎn)，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個具有實(shí)用功能的智能控制器，具有防蓄電池過 放電、 過充電功能。在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負(fù)載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負(fù)載工作電流較大、功率大、也更亮。太陽能 LED 發(fā)光源：在太陽能 LED 燈具中，發(fā)光源所用的 LED 數(shù)量，從 1個到上千個不等，一定數(shù)量的 LED 組成一個發(fā)光源 時，其排列和組合是一個非常重要的關(guān)鍵點(diǎn)。即不同的排列和組合對整體的亮度都有影響。在 LED 排列組合上依據(jù)光學(xué)原理及數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型，最有效地發(fā)揮超高亮白光 LED 的發(fā)光效率，并使得單位面積 LED 的數(shù)量少以降低成本。本設(shè)計采用的單個