基于单片机的太阳能路灯控制器设计.docx

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基于单片机的太阳能路灯控制器设计

北京化工大学

北方学院

NORTHCOLLEGEOFBEIJINGUNIVERSITYOF

CHEMICALTECHNOLOGY

20届本科生毕业设计（论文）

学　　院　　

学生姓名　　　　　　

专　　业　　　

学　　号

班　　级

指导教师

诚信申明

本人申明：

我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学北方学院或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。

与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。

本人签名：

年月日

基于单片机的太阳能路灯控制器设计

摘　　要

随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保的新能源越来越受到重视，近年来，太阳能路灯在国内许多城市的应用方兴未艾，其良好的技术经济性得到了一致的认可。

对太阳能路灯控制系统的研究，能把太阳能资源的利用率增加，并且可以在节约能源方面起到作用。

本文设计一个太阳能路灯控制器，使用STC89C52单片机为核心控制器，使用光敏电阻检测是白天还是黑夜，使用咪头检测声音实现声控，使用用人体红外感应模块检测是否有人通过。

当白天光线较强时，单片机控制LED路灯不打开，当夜晚或阴雨天光线较弱时，LED路灯打开，单片机通过控制输出PWM的占空比来实现LED路灯灯光强弱的调节：

当无声音或者无人经过路灯时，路灯发弱光以达到一定的照明目的，若有声音或者有人通过则发强光，实现照明，同时更好地实现节能的目的，太阳能路灯控制器的输入电源可以通过市电变压整流获取也可以从太阳能电池板获取，并可实现自动切换。

关键词：

单片机；光控；声控；人体检测；PWM；

TheDesignofsolar streetlamp controllerbasedonMCU

Abstract

Astheworldenergycrisisintensifies, countriesareseeking tosolvetheenergycrisismeasures, solarenergyasan"inexhaustible beinexhaustible, safety, environmentalprotection" ofthe newenergy hasbeenpaidmoreandmoreattention, inrecentyears,thesolarstreetlightsin many city domesticapplication FangXing AI, itsgood technicaleconomy got unanimousapproval. Studyonthe solar streetlampcontrolsystem, canmake useofsolarenergyresources toincreasetherate, andcan playarole inenergysaving.

Inthispaper, thedesignofa solarstreetlampcontroller, using STC89C52MCUasthecorecontroller, theuseof photosensitiveresistance detectionis dayornight, usingthemicrophone sounddetection ofachievingsound, using infraredhumanbody inductionmodule detectswhether someonethrough. Whentheday light isstrong, theSCMcontrol LEDlampsdonot open, whenthenight oroncloudydays whenthelightisweak, LEDStreet opened, themicrocontrollerthroughthe control outputofthePWMdutycycletoachieve theregulationofLED streetlamp lamplight:

when nosound or noaftera streetlamp, streetlamp hair weaklight toachieve lighting purpose, if avoice orismade by man realizelighting, glare, and betterachieve thepurposeofenergysaving,theinputpowersupply ofsolarstreetlampcontroller can access canalsobe obtainedfrom thesolarbatteryboard throughthecityof electric transformerrectifier, andcanrealizethe automaticswitching.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer; light; voice; humandetection; PWM;

目　　录

前　　言

世界经济飞速发展，需要更多的能源作为支撑，而石油、煤炭、天然气等常规能源随着开采的不断加剧，总量急剧减少，供需矛盾十分明显，越来越多的地方因为用电量日益剧增，负荷加大，已不堪承担，在夏天出现经常性的拉闸停电现象，严重影响了居民生活水平，影响了经济的持续稳定发展，国家虽然加大力气，整顿小煤窑，合理开采煤炭、大力发展坑头电站、优先发展风力发电、太阳能光伏系统，采取了一系列的措施，但是和经济飞速发展对能源的需求，尤其是对电能的需求，仍然极不配套。

一方面加大力度反战火电、水电的同时，大力发展风力、潮汐能发电、太阳能发电等，尽可能的生产出更多的电能供经济飞速发展的需求。

另一方面要大力提倡节约电能，因为生产毕竟是有限的，而节约可以起到意想不到的作用。

同时随着各种能源尤其是石油、煤炭的大量消耗，大量的二氧化硫、氮氧化合物和二氧化碳排放到空气中，严重污染环境，给人类赖以生存的环境带来了灭绝性大灾难。

大量的人因为呼吸了有害气体或者食用了含有有害气体的食物而引发了各式各样的疾病。

人类正面临从未有过的生态和环境问题。

随着我国经济的快速增长，能源需求大幅增加，能源供需矛盾突出。

尤其是近两年，全国用电量及电负荷增加较快，去年以来已有三分之一的省（区、市）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象，严重影响经济社会发展和人民生活水平提高。

能源是人类社会赖以生存发展的重要资源。

全球人口增长和经济增长对能源的需求日益增加，长期过量开采煤炭、石油、天然气这些常规能源，致使其储量减少。

剧联合国等官方资料估计，地壳中剩下的石油还可以开采35年、天然气40年、煤炭110年，人类面临何等的能源的压力，同时，由于长期使用煤炭和石油等污染的能源，所导致的环境和生态问题，已严重威胁人类自身的生存。

因为大量消耗能源尤其是火力电能而引发的环境污染问题日趋加剧，全球气候变暖，南极冰川融化、温室效应加剧等等。

节约潜力大是我国目前照明用电最明显的一个特色。

因为用电效率很低，浪费又比较严重，所以有很大的节约空间。

倡导全民节约用电，可以有效的减少环境污染，保护环境，有利于人民生活水平的稳步提升。

我国目前倡导的节能方案均能达到20%左右的节能目标，而本文提出的节能总体方案节能效果可高达40%，全国一盘棋，40%是什么概念，按照2005年统计结果，每年路灯照明用电总费用为200亿元左右，那么40%就是80亿元人民币。

各地政府逐渐加大城市道路照明新改建的力度，根据中国市政工程协会城市道路照明专业委员会对718个城市路灯管理单位统计数据，自2004年底以来总投资约260亿元人民币，其中新改建路灯约投资100亿元左右，净增路灯500余万盏。

到2007年底718个城市照明设施已达1372万盏，比2004年统计数净增33.9%。

有45%以上城市道路装灯率达100%；62%以上城市公共区域装灯率达95%；100%城市亮灯率达97%以上的骄人成就，照亮了城市、没话了环境，得到了城市市民的好评。

根据路灯设施不完全调查统计，三年来路灯总盏数从920盏增加到1372万盏,增加了33.9%，而路灯总功率2004年为161.7万Kw，2007年为197万Kw，缺只增长了18.26%。

这说明路灯总盏数增长，总功率没有同比增长，照明总功耗电量却在下降。

到目前为止，节能型光源电器的采用量已占整个路灯光源电器用量的80.6%，抵效高耗的白炽灯、高压汞灯逐步被高光低耗能的节能灯、高压钠灯所取代。

在道路照明的灯具选用上，严格按功能为主装饰为辅的原则，光源电器选择以节能型产品为主，如变功率整流器、降压、降流节电控制器、智能型分时段控制和无线三遥监控系统等新技术、新材料等得到了广泛应用。

此次设计的是一种体积很小，结构化较为简单，安全性能和可靠性能很高，功能较为齐全的太阳能路灯控制器，具有很高的经济利益与市场价值。

第1章　课题研究背景与价值

路灯照明控制系统是一项复杂、多样的系统工程，其照明灯具有白炽灯、高压汞灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯、无极灯、霓虹灯、LED灯等；其能源诱惑力发电、水利发电、风力发电、太阳能发电、潮汐能发电、核能等；其控制方式有手动、光控、钟空、几种回路控制、GPRS远程控制等；涉及到计算机、软件、通信、电力、材料、制造、数学等多学科尖端技术的交叉应用，近年来随着各地路灯照明控制系统的大面积推广应用，每天要消耗大量的电能，其能耗问题日益引起社会的重点关注。

研究一种节能的高效的自动化程度高的路灯控制器具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

第1.1节　选题的意义与价值

　　1.1.1理论意义与价值

随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保的新能源越来越受到重视，近年来，太阳能路灯在国内许多城市的应用方兴未艾，其良好的技术经济性得到了一致的认可。

对太阳能路灯控制系统的研究，能把太阳能资源的利用率增加，并且可以在节约能源方面起到作用。

太阳能路灯控制器是一个复杂的自动化控制设备，其研究涉及到计算机、软件、通信、电力、材料、制造、数学等，是一个多学科的融合，体现了多学科尖端技术的交叉应用。

　　1.1.2实践意义与价值

我国每年路灯照明大约要消耗200亿元左右的人民币，而且随着城市建设的快速发展，每年仍然以很快的速度在急剧增长。

日益增加的财政开支使得许多城市都不约而同的开始采用隔盏开灯的方法来节省电费。

由于要实现隔盏开灯，在施工的时候就必须先分好电缆的抽头，分好组来实现分组控制，无形之中增加了施工的难度和施工成本。

好多地方通过这种方法省了部分电费，却又引发了一些道路交通安全事故的发生，许多地方因为在道路上形成了许多照明盲点，而引发不少的交通事故。

这些国外早就不用的节能方法，距离我们要实现的按需照明目标，还要遥远的多。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，利用太阳能完成为道路照明系统体提供能源，是一种节能环保措施，设计太阳能路灯控制器实现了路灯的自动控制，进一步提高能源的利用率，是今后照明系统发展的趋势，具有很高的实践意义与使用价值、

第1.2节　研究综述

我国在20世纪年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。

此后，光伏发电就不断摸索中发展。

国内路灯控制从1988年便开始快速发展起来，不断的前进，从开始的单纯的亮度到现在的美观、有序、实用、节能的多方面去发展。

控制当中的系统完善程度和控制的自动化不断改进，科技含量不断提高。

中国的光伏技术经过了50年的努力，已经具有一定的水平和基础，但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。

发达国家早在20世纪80年代中期己陆续开始建立了城市路灯集中监控系统，随着计算机技术以及通信技术的发展，发达圈家的城市路灯管理大都具备了计算机网络系统，这些系统有的相对独立，有的已融入庞大的市政公共设施网络系统。

美国于1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标；日本于1974 年开始执行“阳光计划”，投资5 亿美元，迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。

自上世纪80 年代以来，其他发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。

第1.3节　课题的研究意义与目的

针对目前我国内外路灯控制系统的现状：

灯具以高压钠灯占900、LED占8％、其他占2％；能源消耗以电能占85％、太阳能占10％、其他占5％；控制系统以手动、光控、钟控占70％，集中回路控制占25％，GPRS占5％；能耗高、监控不便。

提出了符合国情的太阳能路灯照明控制系统低碳节能总体解决方案：

针对以电能消耗为主占照明灯具90％的高压钠灯采用单灯调光节能控制系统，对现有的市区照明调光节能监控系统进行改进，采用STC89C52单片机为控制核心，外围辅助光检测模块、声音检测模块、红外人体感应模块，采用PWM技术，实现太阳能路灯自动控制器设计，。

当白天光线较强时，单片机控制LED路灯不打开，当夜晚或阴雨天光线较弱时，LED路灯打开，单片机通过控制输出PWM的占空比来实现LED路灯灯光强弱的调节：

当无声音或者无人经过路灯时，路灯发弱光以达到一定的照明目的，若有声音或者有人通过则发强光，实现照明，同时更好地实现节能的目的，太阳能路灯控制器的输入电源可以通过市电变压整流获取也可以从太阳能电池板获取，并可实现自动切换。

对于新建的市政照明基础设施，大力发展新兴能源太阳能和节能灯具LED相结合的太阳能LED，实现0污染的最终低碳节能目标。

第1.4节　研究范围与内容

　　太阳能路灯控制器设计包括三个方面：

（1）智能化设计

太阳能路灯控制器所选用的智能化控制系统，自动完成光线检测，声音检测与红外人体检测，根据外界环境做出判断，实现路灯的自动通断，采用PWM调制技术，具备路灯光亮度自动调节能力。

（2）模块化设计

模块化设计是一种先进的设计理念，太阳能路灯控制器即采用模块化设计方法，系统分为控制模块与传感器检测模块，采用了模块化设计，方便安装、调试与维修。

　　（3）稳定性设计

太阳能路灯控制器能够高效稳定的运行，电源是一个关键因素。

太阳能路灯控制器电源有两部分组成，一是交流电整流滤波稳压获取，一是太阳能电池板获取，优先使用太阳能电池板输出直流电，在太阳能电池板电压下降时自动切换到交流电，保证了控制器的正常运行，提高了设备的稳定性。

第1.5节　研究视角与方法

　　1.5.1研究视角

太阳能路灯控制器的研究视角就是研究控制器的内容和匹配条件，可以从从技术、经济、工程等多个方面进行调查和分析，并对项目建成以后可能取得的各方面效益进行多方面的计算和预测，从而可以对这项控制器的研发进行投资评估和如何才能制造的意见进行采纳，这样为项目的策划提供了一种全面的分析规划。

这种研究方法的预见性、科学性、公正性和可靠性都比较全面。

控制器研究报告是再决定制造项目之前具有权威性意义的材料，是在投资策划太阳能路灯控制器项目之前，是比较科学的对项目的全方位经济分析的有效方法，在投资管理的过程中，可行性研究就是对建造项目有关的各方面因素进行调研和分析以及预测建成后的经济效益。

1.5.2研究方法

方案一：

时控技术就是在路灯照明控制柜里面安装一个时钟控制器，根据提前设定好的开关灯时间来控制路灯相关供电回路的开关。

相关文献指出了在一些电子电路中引入时钟控制器的必要性，同时介绍了时钟控制器的工作原理和设计方法。

应用于嵌入式控制系统的16位时钟控制器的工业核设计，采用了JTAG可测试性设计电路，采用时钟控制方式分散式控制路灯较人工控制方式提高了效率，其缺点是遇到阴天、节假日、领导视察、接待外宾等特殊情况需要修改开关灯时问时，就需要工作人员去到每一个配电柜人工设

置时钟控制器，费时费力。

夏天和冬天日出时间的不断变化对开关灯时间设置的影响也十分突出。

方案二：

随后出现了路灯集中式节能柜技术，基于ATmega64单片机的智能路灯节电器节电的工作原理一起控制方式就是其中主要代表。

集中式节能柜，实际上就是一个稳压变压器，低档一点的就是几个抽头，后半夜线路电压上升了就降一档，有的产品为了追求节电效率，不管三七二十一先把电压降了再说，结果灯都不亮了。

先进一点的就有个粗糙一点的稳压功能，到后半夜，降电压降到190V，很多线路老化的地方末端的灯就熄灭了。

一个变压器，输入是交流220V，输出可有很多种电压，看你的需要定制，集中式节电器，就是一台大的变压器，只不过两边的电压差不多，输入220V，输出可能是210V，或者有很多组，210V、200V、190V。

城市照明的供电线路有一个特点，就是前半夜电压低，后半夜电压高，这个与市民对照明的需求刚好是相反的，这就出现了，我不用那么亮的时候，灯特别地亮，集中式节电器就是抓住了这个特点，吃的是电压差造成的能源浪费。

这种技术的节能率是20％左右，但是缺陷是相当严重的，主要表现如下：

很多产品（可以说几乎所有的集中式节能柜）是通过降压10、20V来实现节电的，前半夜电压很低，继续降压，路灯照度就更低了，有时候整片地不亮，给路灯维护人员造成许多不必要的麻烦，超过一半的工程案例会出现这样的情况。

所以，很多已经上了集中式节能柜的路灯所就把其“旁路”，所谓旁路，就是输入输出直通，节能柜就成了一个昂贵的接线盒。

所以做这种项目，会给随后做高端的节能项目造成不必要的麻烦。

集中式节能柜的其它缺陷：

集中式节能柜主要有两种调压技术，其一：

采用触头连续调压，这种比较贵，有一定的自动稳压功能，设备有自动控制模式，根据设置在不同的时段输出不同的电压，外部电压的变化会引起设备自动平衡，这种模式寿命较短，主要取决于触头寿命，大电流会导致触头滑动时发生电弧，导致氧化。

其二：

：

就是换档模式，也就是变压器有几个抽头，分别对应不同电压，这种结构简单，产品很少出问题，缺陷是不能自动稳压，换档时产生电流停顿，持续不好会导致灭灯。

这是以降低用户的照明质量来节省电能。

通过降低电压来节能，其实电力局早就愤愤不平，城市照明大部分就用的是专用变压器，专用变压器一般是十千伏转220V的，考虑到社会负荷变化导致线路电压变化，为了避免熄灯，电力局专门将电压调整到230V左右输出，略高于民用电，如果需要减压来进行节能，让电力局来调整一下箱变（很多箱变有输出电压微调装置）即可。

方案三：

以单片机为控制核心，采用光控技术，在路灯照明控制中心的室外安装一台有光敏元件组成的光度传感器，随时检测室外的光的强度，当光强度低于某一个提前设定的值时，就强行打开所有的路；当光强度高于某一个提前设定的值时，就强行关掉所有的路灯，同时配合咪头检测声音实现声控，使用用人体红外感应模块检测是否有人通过。

当白天光线较强时，单片机控制LED路灯不打开，当夜晚或阴雨天光线较弱时，LED路灯打开，单片机通过控制输出PWM的占空比来实现LED路灯灯光强弱的调节：

当无声音或者无人经过路灯时，路灯发弱光以达到一定的照明目的，若有声音或者有人通过则发强光，实现照明，同时更好地实现节能的目的，太阳能路灯控制器的输入电源可以通过市电变压整流获取也可以从太阳能电池板获取，并可实现自动切换。

全面的比较着三种方案，方案三的设计考虑的比较全面，所采用的设备都是比较普遍的，并且整个系统的工程造价也不高，有很高的使用价值还有广阔的发展前途。

第2章　基于单片机太阳能路灯控制器的概况

本章介绍了太阳能路灯控制器的概念和太阳能路灯控制器当今的状况，为本设计提供了良好的应用价值，下面我们来详细了解一下。

第2.1节　太阳能路灯控制器的概念

太阳能路灯控制器是普通路灯控制器概念的拓展，是根据节能环保的要求对普通路灯升级与完善。

太阳能路灯控制器是指：

使用太阳能电池板作为普通路灯的电源，白天太阳能电池板吸收太阳能并存储，夜间为路灯供电；同时具备自动控制功能，使用光敏元件检测光线的强弱，作为路灯开启关闭的条件，配合声音检测模块与红外人体检测模块，使用PWM技术完成对路灯亮度的调节，是一个高效节能环保的照明系统自控设备。

当今社会、科技的不断发展和进步以及人们生活水平的逐步提高，路灯不再仅仅是分离人与外界接触的物体，而是美观和科技的一种象征。

太阳能路灯控制器来到了人们的平常生活同时太阳能路灯控制器也成为体现建筑物智能化水平重要的标准之一。

它具有快捷、方便、美观、自动化程度高等优点，同样使人类的使用和管理更加的方便快捷，大大增加了其可靠性能。

它的出现更让人们明白了数字化时代的发展将使是人们的生活发生质的改变。

控制系统是太阳能路灯控制器的精华所在，也是衡量太阳能路灯控制器设计水平的重要体现，同时太阳能路灯控制器系统将会逐渐向大型化和智能数字化的方向迅速发展。

第2.2节　太阳能路灯控制器的基本情况

纵观当今市场的情况，欧州、日本、本土品牌都已经在市场上取得一定的份额，并确立了各自在市场中的定位及发展模式。

而各种规模的太阳能生产销售厂商则更以数百计。

中国已成为全球太阳能路灯控制器最大市场及生产制造中心，太阳能路灯控制器的发展前景十分可观，全球的太阳能路灯控制器厂商都试图在中国谋求发展。

市场竞争日趋激烈。

由于使用地点的不同对太阳能路灯控制器的设计安装也有着不同的要求，所以生产商倾向于采用对用户直销或者与有安装设计能力的系统集成商合作进行商业销售。

外资品牌与内资品牌相比更注重品牌形象的建设和宣传，内资企业则更注重产销量的提升。

一些内资企业除生产自有品牌产品外，还代理销售或贴牌生产外资品牌的产品，销售模式更加多元化。

在日趋激烈的竞争中，各企业都针对自身特点采用各种方法扩大市场份额。

其中比较普遍的一种方式是对生产以及下游销售渠道进行产业链整合。

太阳能路灯控制器最为常见的光控形式，使用光敏元件检测光线强度，判断白天还是黑夜，作为开启或者关闭路灯的条件；同时配合声音检测与红外人体检测模块。

光敏元件检测为黑夜时，当有声音或者人靠近时，将开启路灯，通过PWM技术控制路灯缓慢变亮，实现照明。

由于现代化的太阳能路灯控制器可以实现无人看管，并且可以节约能源。

随着技术的的不断增进,各种智能化控制系统将逐渐进入太阳能路灯控制器的应用中去。

第3章　系统设计方案

本章主要讲解了本设计的设计方理念和设计方案，详细介绍了太阳能路灯控制器主要完成的任务。

第3.1节　系统设计的任务

　　设计（论文）的主要任务及目标：

本文设计一个太阳能路灯控制器，使用STC89C52单片机为核心控制器，使用光敏电阻检测是白天还是黑夜，用声音检测模块检测是否有声音，用人体红外感应模块检测是否有人通过。

当白天光线较强时，单片机控制LED路灯不打开，当夜晚或阴雨天光线较弱时，LED路灯打开，单片机通过控制输出PWM的占空比来实现LED路灯灯光强弱的调节：

当无声音或者无人经过路灯时，路灯发弱光以达到一定的照明目的，若有声音或者有人通过则发强光，待声音消失或者人走远后，路灯减弱为弱光照明，以更好地实现节能的目的。