全自动太阳能路灯控制器的设计.docx
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全自动太阳能路灯控制器的设计.docx
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全自动太阳能路灯控制器的设计
毕业设计
学生姓名:
周大力学号:
080803124
学院:
电气信息学院
专业:
测控技术与仪器
题目:
全自动太阳能路灯控制器的设计
指导教师:
孟凡华(讲师)
评阅教师:
2012年6月
河北科技大学毕业设计成绩评定表
姓名
周大力
学号
080803124
成绩
专业
测控技术与仪器
题目
全自动太阳能路灯控制器的设计
指导教师评语及成绩
指导教师:
年月日
评阅教师评语及成绩
评阅教师:
年月日
答辩小组评语及成绩
答辩小组组长:
年月日
答辩委员会意见
学院答辩委员会主任:
年月日
注:
该表一式两份,一份归档,一份装入学生毕业设计说明书中
毕业设计中文摘要
全自动太阳能路灯控制系统包括太阳能供电部分,微控制器部分以及输出部分。
太阳能供电部分主要由太阳能电池板、太阳能电池控制器、蓄电池组成,将太阳能转化为电能储存在蓄电池中。
微控制器部分由时钟芯片、光敏传感器、红外传感器、单片机以及按键和显示部分组成。
白天单片机的输出信号主要取决于光敏传感器,当光照强度低于设定值时路灯点亮,并且亮度随着光照强度的变化而变化。
午夜11点至凌晨5点,单片机控制路灯熄灭,当有行人经过时路灯点亮30S后熄灭。
按键部分可修改时钟时间,显示部分用于显示时间以及光照强度。
输出部分通过三极管加MOS管的两级运放实现,放大了PWM波的电流和电压信号。
并且,输出可由太阳能供电切换至市电供电。
至此,完成了全自动太阳能路灯控制器的设计。
关键词太阳能光敏传感器红外传感器控制器
毕业设计外文摘要
TitleThecontrollerdesignofautomaticsolarlights
Abstract
Automaticsolarstreetlampscontrolsystemincludingsolarenergypowersupplypart,microcontrollerpartandoutputpart.Solarpowersupplypartsmainlybythesolarpanelsandsolarbatterycontroller,storagebatterycomposition,solarenergyintoelectricalenergystoredinthebattery.Microcontrollerinpartbytheclockchip,photosensitivesensors,infraredsensor,asinglechipmicrocomputerandbuttonsanddisplayparts.Duringthedaytheoutputsignalofsinglechipmainlydependsonphotosensitivesensor,whenlightintensitybelowthesetstreetlampstolight,andthebrightnesswithlightintensitychanges.11p.m.atmidnightat5PM,SCMcontrolstreetlampburnout,andasapedestrianstreetlamplitbythe30Saftergoout.Keypartcanbemodifiedclocktime,showspartialtodisplaytimeandlightintensity.OutputpartthroughthetransistorandMOSpipeofthetwolevelop-amprealization,magnifiesthePWMwaveofelectriccurrentandvoltagesignal.And,theoutputshouldbethesolarpowerswitchtotheutilitypowersupply.Sofar,thecompletionoftheautomaticsolarlightsthecontrollerdesign.
KeyWordsSolarpowerPhotosensitivesensorInfraredsensorController
附录B:
仿真原理图
附录C:
电路原理图
1引言
1.1本课题研究的背景
随着人们生产和生活方式的改变,能源的使用量也在逐年增加,能源危机日益加重。
据资料显示,目前全球的油量储蓄仅约为13000亿桶。
而当前的原油消耗在世界范围内每年以1.5%的比例在增加。
从2007年7500万桶/日增长到2020年1.03亿桶/日。
因而,各国能源设施的投入需要大幅度的增加。
近年来,原油价格的不断增长导致了2008年上半年石油价格的暴涨,在短时间内价格急剧波动,突显了价格对于市场失衡的敏感程度非常之高。
这些现象警示着人们:
石油资源终究是有限的。
第一次工业革命后煤炭便成为人类所使用的重要能源。
虽然目前其重要位置已经逐渐开始下降,但随着石油储量的日渐减少,而煤炭资源的储蓄量相对来说比较大,况且煤炭气化、液化等新技术的出现,使得煤炭的利用更加便捷、有效。
目前中国的煤炭消耗中,大部分用于发电、炼钢等重工业。
然而,煤炭的现有储量也仅可供使用约100年[1]。
因此,开发和利用新能源已经迫在眉睫,目前的新能源主要有太阳能,风能,潮汐能,地热能等。
相比较潮汐能、空气能、地热能、核能来说,太阳能更加清洁,更加安全,并且技术已经较为成熟。
与太阳能相关的产业,例如:
太阳能电池产业、免维护蓄电池产业、太阳能电池控制器产业的生产已经能够达到国家或相关产业的生产标准。
并且太阳能转化为电能的效率也在逐年提高。
这都为太阳能产业的蓬勃发展创造了有利条件。
在照明方面,传统路灯一般为高压钠灯,其使用期限是10000小时,而LED路灯的使用期是70000小时,按照每天10小时计算,LED路灯约可使用20年,是高压钠灯的7倍[2]。
并且,高压钠灯采用交流供电,光照不稳定。
而LED路灯可以采用直流供电,照明稳定,光照方向比较固定,不像高压钠灯采用360度照明。
而且亮度对视力损害少,也减少了维护时间。
目前,大功率LED灯的生产技术已经较为成熟,并且生产产业已经具有一定规模。
上海、深圳等城市已经开始普及LED路灯。
在未来的50~100年,传统能源将趋于枯竭,太阳能以其取之不尽、用之不竭的优势,必将在未来的能源应用中发挥中流砥柱的作用。
而使用太阳能供电的LED路灯照明设施,也必将在不久的将来得到普及,并发挥其重大作用。
1.2本课题的主要目标及任务
1.2.1主要目标
相对于传统路灯的照明能源消耗多、光照不稳定、夜间长时间点亮等缺点,本课题要设计出一种稳定、节能、智能的太阳能路灯照明装置。
主要目标有以下几点:
①供电系统采用太阳能电池板供电。
白天,太阳能电池板将太阳能转换为电能并通过电池控制器向蓄电池稳压充电;夜间以及阴雨天,由蓄电池向LED路灯供电。
当遇到连绵的阴雨天使蓄电池电量耗尽时,供电系统可及时切换至市电系统供电,使路灯装置仍可正常工作。
②路灯的亮度可随着光照强度的变化而变化。
傍晚,当光照强度低于设定值时,路灯开始点亮,并随着光照强度的变化而逐渐变化直至达到最亮状态。
清晨,当光照强度大于设定值时,路灯熄灭,节约电能。
③在午夜11点至凌晨5点之间,由于路上行人较少,微控制器控制路灯熄灭。
当检测到有行人或者车辆经过时,路灯点亮30S然后熄灭,如果无人经过则路灯一直熄灭,从而达到智能、节能的目的。
④对于微控制器的时间和设定的光照强度可进行调整。
1.2.2主要任务
跟据以上课题目标,本课题的主要任务如下:
①太阳能电池板,蓄电池,太阳能电池控制器的选型。
白天,太阳能电池板向蓄电池充电时要满足稳压充电的需求,防止蓄电池的过充的要求。
晚间,蓄电池对路灯供电时要防止发生过放现象。
并且要使路灯在连绵的阴雨天气可持续供电至少四天。
②检测光照强度的传感器的选型,使其可以准确测量光照强度。
并且传感器的输出应是模拟量输出,而非开关量的输出,从而实现光照亮度逐渐变化的控制。
③时钟芯片的选型,人体感测传感器的选型。
时钟芯片的计时要精确、稳定性好、工作寿命长。
人体感测传感器要在一定的距离内可以检测到人员的移动,并将检测结果及时送给控制芯片,便于控制芯片的立即处理。
④微控制芯片的选择,要使其能够实时接收光照强度检测传感器,时钟芯片,人体检测传感器的传送的信号,并可及时、实时的进行处理,返回准确的控制信号,使LED路灯工作在最佳状态。
根据以上的控制目标和控制任务,一个全自动太阳能路灯控制系统的雏形已经初步形成,下面是其总体设计方案。
2系统总体方案设计
跟据本系统的主要目标及主要任务,设计出本系统的总体方案框图如图2.1所示。
PWM
光敏元件
时钟芯片
红外传感器
路灯
太阳能电池板
市电
控制器
蓄电池
单片机
MCU
按键
图2.1总体方案框图
根据照明需求,本系统中的LED路灯设计为额定电压12V,额定功率30W。
由于太阳能电池板不能存储电能,因此设计选用蓄电池进行供电,又由于太阳能电池板向蓄电池充电时电压不稳,因此中间加一个太阳能电池控制器。
本系统中要求路灯在凌晨5点到午夜11点由光敏传感器传入的信号控制LED路灯,因此设计选用时钟芯片及光敏传感器,而且又要求随着光照强度的变化路灯亮度逐渐变化,设计光敏传感器的输出为模拟量输出,通过调节PWM波的占空比来调节路灯亮度。
在午夜11点至凌晨5点,路上行人较少,控制路灯熄灭,当有人经过此区域时,路灯点亮,因此设计选用红外传感器检测人体的移动,有人经过则产生外部中断。
为了使时钟芯片显示的时间准确,设计了按键电路,可以调整时钟芯片的时间。
3硬件设计
3.1供电系统的设计
3.1.1供电系统的概述
电能是居民生产生活中必不可少的能源,电能主要由供电系统进行传输,电能通过变电站将电压升高到十几甚至几十万伏,进而进行远距离输送,并且输电线路采用低电阻率的材料,保证了最低的电能损耗。
供电系统的一般原则是:
供电可靠,操作方便,运行安全灵活,经济合理,具有发展的可能性。
供电可靠性:
在输电时,由于通常均采用高压方式,因此高压输电线路多在无人的山区进行,在室内输电时,应将电线架高,周围无其他建筑物。
操作方便,运行安全灵活:
为了使供电灵活,检修方便,输电线路多采用多路输电,当检修此条线路时,保证其他通路仍可正常工作,避免不能及时供电现象的发生。
经济合理:
输电用的导线应在电阻率低的前提下,价格尽量便宜,通常采用铜线或者铝线进行电能的远距离传输。
具有发展的可能性:
接线方式应保证便于将来发展,同时能够适应不同时期建设的需要。
供电系统是本装置的首要环节,也是非常重要的环节,没有供电系统提供电能所有器件均不能工作。
本装置供电系统包括太阳能电池供电系统以及在连绵的阴雨天使得蓄电池电量耗尽后切换为市电的供电系统。
其中太阳能供电系统主要包括太阳能电池板,太阳能电池控制器,蓄电池,以及各种稳压和降压电路等。
在本装置中LED路灯的取电,各种传感器以及微控制器的取电均来自于供电系统。
LED路灯可直接由蓄电池供电,其中可以选择的供电电压模式为12V/24V。
各种传感器以及微控制器的供电则需要采用5V供电,因此需要采用降压电路和稳压电路,将供电电压稳压到5V。
市电供电系统主要包括转换开关,晶闸管等。
如遇到连绵的阴雨天时,太阳能转化到蓄电池的电能持续损耗,当蓄电池中的电量低于设定值时,断开LED路灯和蓄电池之间的供电回路,而由市电给LED路灯供电。
蓄电池只是负责给微控制器以及各种传感器供电,而这些器件的耗电量极低,有些器件还具有睡眠模式,足可以保证其正常工作至少30天。
天气转晴后,则自动切换回蓄电池供电。
3.1.2供电系统中各个元件的选型
(1)太阳能电池板的选型
太阳能电池板主要有晶体硅电池板(包括多晶硅和单晶硅)和非晶硅电池板(包括薄膜太阳能电池和有机太阳能电池)组成。
而目前90%的太阳能电池板是由晶体硅制作而成,其技术相对成熟,生产已经具有一定的规模。
本系统要求太阳能电池板的输出电压要达到12V,输出功率要求能够达到60W。
因此太阳能电池板有两种备选方案,一种是单晶硅电池板,另一种是多晶硅电池板。
方案一:
单晶硅太阳能电池板
单晶硅太阳能电池,它的主要原料是高纯的单晶硅棒组成的,是当前开发得技术最为成熟的太阳能电池。
它的生产已经具有相当大的规模,产品已广泛用于空间和地面。
单晶硅电池板实物如图3.1所示。
单晶硅电池板性能指标:
型号:
JHGF60W/12V峰值电压:
18V峰值电流:
3.36A开路电压:
22.48V短路电流:
3.83A功率:
60W尺寸:
840X540X35mm重量:
5.0Kg价格:
380元使用寿命:
25年
图3.1单晶硅电池板图3.2多晶硅电池板
方案二:
多晶硅太阳能电池板
多晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板一样具有较高的转换效率和使用寿命长等优势。
并且它的制造材料比单晶硅丰富、廉价,它的转化效率大约13%,比的转换效率略低,效率衰减并不严重,而且制造材料廉价,其成本比单晶硅电池要低[3]。
多晶硅电池板实物如图3.2所示。
多晶硅电池板性能指标:
型号:
60(17.0)P/G782X672标称功率:
60W最佳工作电压:
17V最佳工作电流:
3.54A短路电流:
3.9A尺寸:
782X672X35mm价格:
236元使用寿命:
25年
对于本供电系统,主要考虑的性能指标是使用寿命,价格,供电电压,输出功率。
比较以上两种方案,单晶硅和多晶硅使用寿命和输出功率等参数均可满足要求,而多晶硅电池价格比单晶硅电池价格低约1/3,故选择方案二多晶硅太阳能电池。
(2)太阳能电池控制器的选型
太阳能电池控制器的主要作用是保证电池板对蓄电池的稳压充电,防止过充和过放。
控制器需要根据负载需求进行电流控制,使蓄电池在最短时间充满电能,并且不能出现过充现象。
当蓄电池的电量衰减到低于设定值时,控制器需能够及时切断蓄电池对外供电,保护蓄电池的正常使用。
目前,该类控制器主要采用单片机进行控制,并结合专用软件,通过PWM调节,实现智能控制。
太阳能电池控制器如图3.3所示。
本系统采用光合太阳能电池控制器。
参数如下:
总额定充电电流5A,系统电压12V,超压保护20V,控制方式PWM调节,价格70元
该控制器的超压保护最大值20V,大于太阳能电池板的最大输出电压17V,输入电流大于太阳能电池板的短路电流,故满足设计要求。
图3.3太阳能电池控制器
(3)蓄电池的选型
蓄电池即是贮存化学能量,于必要时释放出电能的一种电气化学设备。
它的工作原理是充电时利用外部的电能使其内部活性物质再生,把电能储存为化学能,需要放电时再把化学能转化为电能输出。
目前,我们常用的车用蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。
普通蓄电池的主要优点是价格便宜,制作材料广泛,目前主要是使用铅的氧化物,便于生产。
缺点是使用寿命短,维护时间长,每过一段时间就要加入双氧水,保证其电解液处于一定的容量。
干荷蓄电池的主要优点是存储电能的能力较高,容量大,充电时间快,在蓄电池无电时充电半小时即可使用。
缺点是体积较大,一般为汽车上使用。
免维护蓄电池的优点是使用寿命长,不必进行维护,不必重复加入电解液。
缺点是价格昂贵[4]。
由于太阳能路灯对于使用寿命,储电能力要求较高。
因此,有两种方案可以选择。
一种是干荷蓄电池,如图3.4所示,另一种是免维护蓄电池,如图3.5所示。
图3.4干荷蓄电池图3.5免维护蓄电池
方案一:
干荷蓄电池
性能参数:
品牌:
飞帆型号:
6-QA-150最大放电电流:
10A充电电压:
12V放电时间:
15h使用寿命:
2年价格:
450元
方案二:
免维护蓄电池
性能参数:
品牌:
APCPOWER型号:
12V100AH放电电流:
4A充电电压:
12V放电时间25h使用寿命:
5年价格:
360元
综合以上两种方案,且结合本系统的额定电压,额定功率的要求,比较分析,方案一中的蓄电池价格较高,体积大,不便于安装,并且需要定时维护。
方案二中的蓄电池使用电量足,价格便宜,寿命较长,而且电解液一次添加,没有二次消费,而且不必要进行维护。
因此,本设计选择方案二,免维护蓄电池。
(4)降压稳压电路的选型
稳压电路是指在输入电压、负载、环境温度、参数等发生变化时仍能保持恒定的电路。
这种电路能提供稳定的直流电源,广为各种电子设备所采用。
LED路灯的供电可由蓄电池直接供电,而单片机以及各种传感器等器件需要5V供电,因此需要降压稳压电路。
在各种降压稳压芯片中,78XX系列稳压降压芯片性能稳定,较为常用。
本系统采用7812和7805芯片并搭载实际电路进行降压稳压,其实物如图3.6所示。
其中,7805输入电压范围7.5~20V,输出电流5mA~1A。
7812的输入电压范围14.5~27V,输出电流5mA~1A。
使用温度范围0~125摄氏度。
图3.678XX稳压芯片
3.1.3供电系统方案设计
(1)太阳能充电方案设计
根据以上选择的太阳能电池板,太阳能电池控制器,蓄电池等,无需其他元件,即可实现太阳能的转化与存储。
太阳能电池控制器有六条接线,两条输入,四条输出。
输入的两条线接到太阳能电池板的正负极,输出中的两条线接到蓄电池的正负极,给蓄电池充电,其余两条可连接到负载直接供电。
本系统中,由于LED路灯由蓄电池供电,因此,连接负载的两个端子可不进行连接。
太阳能电池控制器保证了蓄电池的稳压充电,防止了过充、过放现象。
(2)降压稳压电路方案设计
蓄电池的输出电压为12V,为了给微控制器以及传感器等器件供电,需将电压降压并稳压到5V。
因此,本系统设计了降压稳压电路,该电路中的降压由两部分组成。
当供电电压为24V时,电源连接到7812的输入端,先稳压到12V,然后在经过7805稳压到5V。
如果采用12V供电,可直接连接到7805的输入端,稳压到5V即可。
用Protel画出原理图,图3.7为24V降压到12V,图3.8为12V降压到5V,芯片两端的电容主要是滤波和防止自激震荡的作用。
图3.7稳压到12V图3.8稳压到5V
降压部分焊接的实物图如图3.9所示,考虑到散热问题,在7812和7805芯片处都增加了一个散热片进行快速散热。
图3.9降压稳压实物
3.2微控制器系统的设计
3.2.1微控制器系统概述
微控制器部分是本装置的核心环节,也是最为重要的环节。
微控制器在整个系统中就像人的大脑一样,起着反应和控制作用。
微控制器部分包括各个传感器部分,显示部分,按键部分,单片机部分。
本部分中,单片机作为控制芯片的主要作用是接收各个传感器传送的信号,进而对输出的PWM波的占空比进行及时的调节。
另外,单片机还要接收按键信号,以便修改控制器设定的控制参数,达到针对不同季节气候,设定参数可及时调整的目的。
3.2.2微控制器系统选型
(1)时间传感器的选择
本装置要求在晚上11:
00至凌晨5:
00路上行人较少时,路灯熄灭,若此时有人经过则点亮路灯30S后熄灭,若无人则路灯一直熄灭。
因此需要一个时间模块进行计时,当时间到达夜间11点后单片机控制路灯熄灭。
目前市场上的时钟芯片中,美信公司的DS系列时钟芯片使用范围最广,性能最稳定,评价效果最好。
因此,本系统中选用DS1302时钟芯片。
这种芯片只有8个引脚,电路连接非常方便,占用单片机的I/O口少。
其采用串行传输方式读取和修改时钟芯片的时间,工作温度为0~70摄氏度,使其能够在各种条件下使用,工作电压为2.3~5.5V。
本系统要求时间精度为1分钟,而此芯片的精度为1秒,故满足系统设计要求,其引脚图如图3.10所示。
图3.10DS1302芯片引脚图
该芯片引脚功能如下:
VCC1为电源引脚,VCC2为备用电源,可接一个3.3V的纽扣电池。
X1和X2为晶振输入引脚,外接一个32768Hz的晶体发生器。
SCLK为时钟信号,I/O为数据传输,CE为复位引脚,这三个引脚和单片机的I/O口进行连接,构成SPI三线架构。
该芯片内部有31字节静态RAM,分别为秒、分、时、日、月、年、星期的读写寄存器和控制寄存器,寄存器输出采用BCD码。
可通过单片机对该芯片的各个时间寄存器进行时间读取和时间修改校正。
(2)光敏传感器选型
光敏传感器的主要原理是利用光敏元件将光信号转变为电流信号或电压信号,其一般工作在可见光区,红外线和紫外线的波长也可进行测量。
光敏传感器一般的组成原料是半导体材料,原料价格便宜。
其传感器的种类繁多,主要有:
、、、、、、、光纤式光电传感器、、CCD和CMOS等。
较为常用的光敏元件主要有光敏电阻和光敏三极管。
因此,本传感器有两种方案可供选择[5]。
图3.11光敏电阻图3.12光敏三极管
方案一:
光敏电阻
光敏电阻又称,常用的制作材料为,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
光敏电阻的阻值在高照下会随着光照强度的变化而逐渐变化。
因此,通常使用时将光敏电阻串接一个电阻,通过测量光敏电阻的分压值来测量光照强度的变化。
光敏电阻如图3.11所示。
性能参数:
类别:
光敏电阻基片尺寸:
5mm最大电压:
150VDC环境温度:
-30~+70摄氏度暗电阻:
大于1M欧响应时间:
上升20ms下降30ms价格:
0.8元
方案二:
光敏三极管
和普通的三极管相比较,光敏三极管在放大方面没有区别,只是其放大的倍数和光照强度有关。
当光照强度变大时,三极管中的导电粒子激活,使其导电能力增强,从而使三极管的放大倍数增大。
当光照强度变低时,三极管中的载流子运动变慢,使得三极管放大倍数变低,甚至不能起到放大的作用。
不同材料制成的光敏三极管具有不同的特性,与光敏二极管相比,具有很大的光电流放大作用,即很高的。
基本特性:
①光谱特性②伏安特性③光照特性④温度特⑤频率响应性[6]。
光敏三极管实物如图3.12所示。
性能参数:
型号:
3DU33最高工作电压:
30V暗电流:
10mA上升时间:
5us下降时间:
5us使用温度:
-30~80摄氏度价格:
2.8元
对于本装置,要求LED路灯的亮度随着光照强度的变化而变化。
反应时间要求不是很高,考虑到实用性和价格,本系统选择光敏电阻。
当光照强度变化时,光敏电阻两端的电压将发生变化。
通过AD转换将该电压信号送入单片机,单片机通过传进数值的大小,对灯的亮度进行调节。
(3)人体感应传感器的选型
本系统要求在夜间11点至凌晨5点期间,路灯熄灭,当有人经过时路灯点亮30S,然后熄灭。
因此,需要采用人体检测传感器进行人体检测。
人体感应传感器是指通过红外探测,压力检测,微波检测等方法检测出人体发出物质或者表现出的行为状态,从而达到识别人体的目的。
目前应用较为广泛且易于实现的主要有红外感应开关,压力传感器。
因此,本系统有两种方案可供选择。
图3.13
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