【正文】 路燈的點亮與熄滅 方案一：分時段控制節(jié)能 LED 燈。慮到照明的需求以及蓄電池存儲的能量多少，采取分段控制。通過對 LED 燈的調(diào)明控制不僅可以節(jié)省功率消耗從而減小設備一次性投入。而且延長 LED 照明時間從而可以調(diào)配蓄電池能量使得系統(tǒng)運行更加經(jīng)濟，有效。（ 1)白天：系統(tǒng)處于充電狀態(tài)， LED 燈熄滅。（ 2)黃昏：通過檢測太陽能電池板電壓，判斷太陽能光線強弱，當 太陽能電池電壓降低小于蓄電池電壓時，表明無法滿足充電要求，此時切斷充電回路，靜置蓄電池 l0 分鐘，然后蓄電池空載電壓利用開路電壓預測公式 ? ? ?? batVS O C 預測蓄電池剩余容量 SOC。（ 3)進入夜晚：當?shù)谝淮芜M入放電控制，根據(jù)預測的蓄電池容量設置參數(shù) Case 大小。（ 4)夜晚 12 點以前：為了滿足照明需求，此時設計此時 LED 滿功率工作。（ 5）凌晨 2 點以前：考慮行人及車輛活動的減少，此時兼顧蓄電池的存儲能量，使得 LED 減小到額定功率的 (60— case)％ 。（ 6）凌晨 2 點以后：由于此時車 輛和行人基本很少，此時可以進一步減小 LED 的發(fā)光亮度，使 LED 減小到額定功率的 (50— case)％ 。 方案二：聲光控 LED 路 燈延時設計。該方案主要工作方法是由聲控和光控傳感器畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 20 來感應周圍環(huán)境的變化，而做出相關的動作，從而控制照明燈的開關。白天當光線照射到光敏電阻上時，其通過感應使電路封鎖聲音通道，使聲音脈沖不能通過，則燈泡不受聲音控制，即聲控傳感器暫時失去作用，燈泡不亮。夜間或光線較暗時，光敏電阻因無光照呈低阻，經(jīng)感應使聲音通道開通，當有人走動或有人談話時，通過聲控傳感器的感應，使得燈泡自動點亮，經(jīng)過 內(nèi)部設定的時間后，燈泡自動熄滅。 由聲光兩種信號控制燈的亮與滅，起到節(jié)約用電的作用。 在實際應用中，可以對比多種方案，綜合考慮。本課題主要采用定時控制 LED 路燈的點亮與熄滅和紅外對管檢測行人數(shù)目控制燈亮數(shù)目。 紅外檢測 當一個物體本身具有不同于周圍環(huán)境的溫度時，不論物體的溫度高于環(huán)境溫度，還是低于環(huán)境溫度；也不論物體的高溫來自外部熱量的注入，還是由于在其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量造成，都會在該物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量的流動。熱流在物體內(nèi)部擴散和傳遞的路徑中，將會由于材料或投射的熱物理性質(zhì)不同，或受阻堆積，或通暢無阻傳遞 ，最終會在物體表面形成相應的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，這種由里及表出現(xiàn)的溫差現(xiàn)象，就是紅外檢測的基本原理。 紅外檢測器分為熱電檢測器和光檢測器兩類。熱電檢測器是將紅外的輻射熱能轉(zhuǎn)化為電能，從而檢測電信號來測量紅外線的強弱。光檢測器則是利用紅外線的熱能使得檢測器的溫度發(fā)生改變，從而導電性發(fā)生變化，此時通過測量電阻來衡量紅外信號的強弱。 本課題選擇紅外對管檢測人數(shù)。可設置人流量計數(shù)器，計數(shù)裝置就是以熱釋電紅外傳感器作為檢測元件，以 5l 單片機作為控制核心。它利用紅外光敏感器件將活動生物體發(fā)出的微量紅外線轉(zhuǎn)換成相應的電信 號，并進行放大 ,處理，對被監(jiān)控的對象實施控制。計量進與出的人數(shù)，設既進人加 1，出人 － 1。將紅外探頭水平前后安裝于道路邊上，設為路口方向向內(nèi)分別為“ A”“ B”探頭，單片機分別檢測兩探頭狀態(tài)（可以中斷檢測），假設兩探頭感應到人時輸出為“ 1”，判斷探頭“ A”先檢測到人，就是進去，計數(shù)加一，“ B”先檢測到人，計數(shù)減一。但是該方案有一定局限性：當同時通過的人數(shù)不止一個就可能難以檢測人數(shù)到底是多少。如果路口足夠?qū)?，可以讓兩個人一起進，那用紅外無法檢測具體人數(shù)除非一個一個進，稱重相結(jié)合，或許可以解決這個問題：第一對紅外管 檢測是否有人進，但進一個或兩個不知道；第二對紅外管檢測是否有人出，但出一個或兩個不知道；兩對管中間是稱重區(qū)域，即可以判斷是進了一個還是兩個人，同時可以判斷是出了一個還是兩個人。至于多人同時過路的問題，確實是今后值得繼續(xù)討論和研究的。 畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 21 4 硬件電路 本文設計的太陽能 LED路燈的硬件電路由 51單片機控制系統(tǒng)、光電隔離、開關信號輸入輸出電路、硬時鐘電路、紅外檢測電路、外圍電路等組成，如圖 所示。 圖 硬件模塊組成結(jié)構(gòu) Figure hardware module structure 信號采集電路 街道中的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此街道中的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二 極管和光敏三極管，這里選用光敏二極管。在人體檢測方面，采用紅外對管檢測。 環(huán)境光檢測電路 光電傳感器是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電量的傳感器。采用的光敏二極管 管芯是一個具有光敏特征的 PN 結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上反向電壓。光敏二極管可以利用光照強弱來改變電路中的電流。無光照時 ,有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏 二極管截止。當受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強度的變化而變化。當光線照射 PN 結(jié)時，可以使 PN 結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。 環(huán)境光檢測電路如圖 所示。 紅外檢測電路 自然界中存在的各種物體，如人體、木材、石頭、火焰、冰等都會發(fā)出不同波長的紅外線，利用紅外對射可對其進行檢測。紅外對射全名叫“光束遮斷式感應器”(Photoelectric Beam Detector)，其基本的構(gòu)造包括瞄準孔、光束強度 指示燈、球面鏡片、LED 指示燈等。其偵測原理乃是利用紅外線經(jīng) LED 紅外光發(fā)射二極管發(fā)射 ,由接收頭接受。當光線被遮斷時就會產(chǎn)生反應。紅外線是一種不可見光，而且會擴散，投射出去會形成圓錐體光束。紅外光是脈動式紅外光束，對射無法傳輸很遠距離。紅外對射探頭要選擇合適的響應時間：太短容易引起不必要的干擾，太長會發(fā)生漏報。有人進入 畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 22 圖 環(huán)境光檢測電路 Figure environment light detection circuit 時， 遮斷不可見的紅外線光束而引 起系統(tǒng)反應，點亮路燈。 紅外發(fā)射電 路如圖 所示。 圖 紅外發(fā)射電路 infrared emission circuit 紅外發(fā)射由 單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器產(chǎn)生 38kHZ 的信號經(jīng)過三極管放大信號再由紅外發(fā)射管發(fā)出信號，最后由紅外一體接收頭接收信號。紅外接收電路如圖 所示。 紅外一體接收頭接收信號，并 由 OUT 發(fā)出信號給單片機。當紅外探頭接收到信號時，由 OUT 輸出低電平，無信號不接收輸高電平。 畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 23 圖 紅外接收電路 Figure infrared receiving circuit 硬時鐘電路 測控單元時間若采用軟件計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面又需要設置中斷、查詢等，同樣會耗費硬件資源，因而外部擴展時鐘可以很好地解決硬件資源有限的問題。本課題設計的時鐘電路如圖 所示。 圖 時鐘電路 Figure the clock circuit 太陽能 LED 路燈控制系統(tǒng)的微控制器一方面通過環(huán)境光采集模塊自動提供天黑、天亮的時間點，而采用時鐘電路能為系統(tǒng)提供更重要的開／關燈的依據(jù)，可以根據(jù)時鐘電路確定現(xiàn)在的準確時間，確定春、夏、 秋、冬四個季節(jié)，使控制器能根據(jù)季節(jié)的變化來確定每天開、關燈的時間，調(diào)整路燈的工作時間。 充放電驅(qū)動電路 本系統(tǒng)所設計的太陽能路燈微機監(jiān)控系統(tǒng)中的充電驅(qū)動電路如圖 所示。 充電控制電路采用單路旁路型充電控制形式，即 MOSFET 管 VT1 串聯(lián)在太陽能電池陣列的輸出端，通過 VT1 進行脈寬的調(diào)制，實現(xiàn)對蓄電池的充電管理及保護。圖中Vin+和 Vin連接在太陽能電池陣列的輸出端， VB 和 GND 連接鉛酸蓄電池正負兩極。V1 為“防反充二極管 ，只有當太陽能電池陣列輸出電壓高于蓄電池當前電壓時， V1 畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 24 圖 系統(tǒng)充電驅(qū)動電路設計示意圖 Figure charging circuit design system 才能導通，反之 V1 截止，從而保證夜晚或陰雨天時不會出現(xiàn)蓄電池向太陽能電池陣列 反向放電的現(xiàn)象。 MPPT 技術的硬件電路支持 用 DCDC 變換器可以實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。 DCDC 變換電路 (也稱為斬波電路或斬波器 )是接在光伏陣列和負載之間，通過控制電壓將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。它被廣泛應用于直流開關電源、逆變系統(tǒng)、通信領域、地鐵、無軌電車等直流電動機的驅(qū)動設備 中。為了提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，使光伏電池始 終保持最大功率輸出，就要進行最大功率跟蹤 (M 光伏 PPT)。本文采用 BUCK 電路來實現(xiàn)最大功率跟蹤，其電路組成如圖 。 BUCK 電路中開關管導通的占空比的改變，對光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化，輸出阻抗的變化將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對應一個輸出電壓值和輸出電流值。而 MPPT 技術即是通過調(diào)節(jié) BUCK 電路的占空比而改變 光伏陣列的輸出阻抗，從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。由BUCK 電路實現(xiàn) MPPT 技術時，光 伏陣列的輸出電壓高于蓄電池的端電壓時，才能實現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)。當光伏陣列的輸出電壓低于蓄電池端電壓時， BUCK 電路的控制失去作用。 畢業(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 25 圖 BUCK 電路 Figure BUCK circuit LED 驅(qū)動電路 PWM 即脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡稱脈寬調(diào)制，是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。電流控制 PWM 的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號 ,把實際的電流波形作為反饋信號 ,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷 ,使實際輸出隨指令信號 的改變而改變。樣控制理論中有一個重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時 ,其效果基本相同 。 PWM 控制技術就是以該結(jié)論為理論基礎 ,對半導體開關器件的導通和關斷進行控制 ,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖 ,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形 .按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制 ,既可改變逆變電路輸出電壓的大小 ,也可改變輸出頻率。 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)?PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式?？傊琍WM 既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 太陽能路燈由多個 LED 燈串聯(lián)而成，亮度通過 PWM 方式可調(diào)，即通過 EN 端改變流經(jīng) LED 的電流，從而調(diào)節(jié) LED 燈亮度，電流強度可以從幾毫安到 l 安培，最終使LED 燈達到預期的亮度。 PWM 信號可由微控制器產(chǎn)生，也可由其它脈沖信號產(chǎn)生，PWM 信號可使通過 LED 燈的電流從 0 變到額定電流，即可使 LED 燈從暗變?yōu)檎Ａ廉厴I(yè)設計 (論文 )網(wǎng) : 26 度。 PWM 占空比越小 (高電平時間長 )，亮度越高。利用 PWM 控制 LED 的亮度，非常方便和靈活，是最常用的調(diào)光方法， PWM 的頻率可從幾十 Hz 到幾千 KHz。 PWM 調(diào)光是通過控制 MOSFET 晶體管實現(xiàn)的。由于本系統(tǒng)路燈單元采用的電壓是由幾個蓄電池串聯(lián)產(chǎn)生的，所以選用 MOSFET 晶體管時，首先要考慮 MOSFET 的耐壓，本系統(tǒng)要求 MOSFET 的耐壓要高于 40V；其次，根據(jù)驅(qū)動 LED 燈電流的大小，選擇 MOSFET的 IDS 的最大電流。在直流供電情況下，首先考慮的是 IDS 最大電流值和 RDS 值。一般情況下，應選用 MOSFET 的 IDS 最大電流是 LED 燈驅(qū)動電流的 5 倍以上； 另外還要選擇 MOSFET 的內(nèi)阻要??； LED 驅(qū)動電流越大， RDS 應越小， RDS 越小，變換效率越高。 白光 LED 的電學特性是：當外加電壓大于閥值電壓，發(fā)光二極管導通，電壓略有提高，流過發(fā)光二極管的電流就上升很快，而發(fā)光二極管的發(fā)光強度隨著電流的上升接近線性增加?？砷L期超過額定電流工作，容易使 LED 的半 導體芯片燒壞，因此嚴格控制流經(jīng) LED電流的大小顯得尤為重要。 LED普遍使用的驅(qū)動方式是基于電阻的驅(qū)動，但這種方式不能解決由于 LED 的屬性不同、供電電壓波動引起的光發(fā)射不一致的問題，不能提供穩(wěn)定的電流，而且能量損耗也很大，不利于 LED 的散熱，能量利用率低，不能實現(xiàn)節(jié)能的目的。使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM)驅(qū)動電路不僅能克服因電源電壓不穩(wěn)帶來的影響，而且可以減小電路損耗，因此本系統(tǒng)采用電流模式 PWM 控制技術，通過對輸出脈沖占空比的控制，自動限流，實現(xiàn)過流保護，達到改善系統(tǒng)瞬間響應，實現(xiàn)良好調(diào)光性能