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1、基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计Based on the low energy consumption of solar energy intelligent street light control system design总计： 毕业设计（论文）28页表 格 ： 4 个插 图 ： 18 幅目 录1 引言11.1 太阳能在照明领域中的应用11.2 太阳能路灯的现状及发展前景21.3 本文的研究目的和内容31.3.1 工作原理31.3.2 系统设计方案41.4 关键技术42 相关原理、技术介绍及元件的选择52.1 蓄电池的选择52.1.1 蓄电池的
2、分类62.1.2 铅酸蓄电池的选择62.2 路灯的选择62.3 红外检测技术82.3.1 红外成像检测的基本理论82.3.2 红外成像系统的工作原理82.3.3 红外成像系统的类型和组成93 硬件分析与设计103.1 蓄电池的控制系统103.1.1 充放电电路113.2 控制器的硬件结构123.3 智能路灯控制电路的设计133.3.1 LED的驱动电路设计143.3.2 LED的控制电路设计154 软件设计164.1 蓄电池控制器的软件流程图174.1.1 充电处理程序184.2 红外控制路灯软件流程图185 其他设计要求195.1 太阳电池方阵设计195.2 最佳倾角计算205.3 太阳电池
3、方阵的方位角205.4 蓄电池组容量的计算215.5 接地和防雷装置216 调试与分析216.1 硬件调试226.2 软件调试226.3综合调试24结论与展望26参考文献27致谢28 31 1 引言1.1 太阳能在照明领域中的应用随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。目前太阳能照明应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑楼道照明、城市亮化照明等系统。中国是能源消耗大国，能源消耗以煤、石油，天然气为主，
4、这些原料储量有限，不可再生，而且能源消耗同时排出二氧化碳和硫的氧化物，导致地球温室效应和酸雨，破坏环境。因此开发利用可再生能源，对于保障能源安全，保护生态环境，实现可持续发展，具有重要意义。太阳能照明发展迅速，其装置几乎覆盖了整个照明领域。市场对太阳能照明产品的需求日趋增长，对产品质量的要求也越来越高。要想让太阳能为我们人类利用，这就需要太阳能电池的帮忙了。太阳能电池是一种直接将太阳通过光伏效应转化为电能的装置。太阳能电池经过封装形成实际使用的太阳电池板。太阳能电池通常经过电气连接和封装形成模块，通常在面向太阳面采用玻璃或树脂进行密封，既可以使阳光通过并保护半导体晶圆免受雨水、气体等侵蚀。太阳
5、能电池是太阳能光伏发电的核心部件，太阳能电池的光电效率和功率密度直接制约着太阳能光伏的普及使用，所以需要不断的进行完善才能满足需要。太阳能在我们的的现实生活中应用已非常普遍了，其中在照明领域的应用也比较成熟了，按使用的场合和功能分类1（1）太阳能信号灯航海、航空和陆上交通信号灯的作用至关重要，许多地方电网不能供电，而太阳能信号灯可解决供电问题，光源以小颗粒定向发光的LED为主。取得了良好的经济效益和社会效益。（2）太阳能草坪灯 光源功率0.1-1W，一般采用小颗粒发光二极管（LED）作为主要光源。太阳能电池板功率为0.5-3W，可采用1.2V镍电池等二电池。（3）太阳能景观灯 应用于广场、公园
6、、绿地等场所，采用各种造型的小功率LED点光源、线光源，也有冷阴极造型灯来美化环境。太阳能景观灯可以不破坏绿地而得到较好的景观照明效果。（4）太阳能标识灯用于夜晚导向指示、门牌、路口标识的照明。对光源的光通量要求不高，系统的配置要求较低，使用量较大。标识灯的光源一般可采用小功率LED或冷阴极灯。（5）太阳能路灯 应用于村镇道路和乡村公路，是目前太阳能光伏照明装置主要应用之一。采用的光源有小功率高压气体放电（HID）灯、荧光灯、低压钠灯、大功率LED。由于其整体功率的限制，应用于城市主干道上的案例不多。随着与市政线路的互补，太阳能光伏照明路灯在主干道上的应用将越来越多。（6）太阳能杀虫灯 应用于
7、果园、种植园、公园、草坪等场所。一般采用具有特定光谱的荧光灯，比较先进的使用LED紫光灯，通过其特定谱线辐射诱杀害虫。（7）太阳能灯箱 用于广告灯箱，目前不多，有待于进一步开发。随着太阳能技术和光源技术的不断提高，太阳能光伏照明还会有更多的使用场合和功能。（8）太阳能手电筒 采用LED作为光源，可以在野外活动或紧急情况时使用,同时携带比较方便。1.2 太阳能路灯的现状及发展前景太阳能路灯是一种新生的科技，由于它的清洁无污染以及为我们的能源节约做出了巨大的贡献，因此在国内外的应用都逐步在进行推广开了。国外太阳能路灯控制系统发展比较成熟，像美国，日本等在这方面都投入了可观的资金，并取得了一定的成效
8、，并得到一定的推广；但是相对来说是投入多收益不大，太阳能转换效率还比较低，还有待提高。随着信息社会的发展，近几年我国在无线充电技术方面有了极大的发展。但是太阳能路灯电池板的光电转换效率较低，目前仅有15左右，严重影响到太阳能路灯的发电效率。同时，对于路灯照度要求条件较高的城市道路而言，太阳能路灯还存在光线覆盖范围窄、亮度不够均匀等缺陷，成为太阳能推广应用的很大障碍，这需要我国投入资金和人才来解决这一问题。所以说在我国还是有很大的发展空间。但是由于太阳能的多方面的优势，太阳能路灯正在被广泛的应用在许多城市和地区，当然太阳能路灯给我们的日常生活带来了极大的方便，也为我们节省了很大一笔能源消耗的费用
9、。不管是在国内还是在国外都在致力于太阳能的研究和推广上面投入了可观的资金，这就有利于这一新产品的逐步推广。对于太阳能路灯这一全新产品系而言，如今仍无法大规模推广的最大因素，无疑是技术瓶颈。而事实上，在一些知名企业这些技术瓶颈已经逐步被破解。首先，太阳能路灯使用的太阳能供电，除了阴雨天转换成市电供电会产生小部分电费成本外，运行成本几乎为零。其次，太阳能路灯外形美观无需电费，适用于城市道路、小区、工业园区、广场、旅游景区、公园、乡村公路、偏僻地区等场所的亮化照明需要。又可用于人口分布密度较小、交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明
10、问题以及道路的照明问题。面对如此多的优势，伴随着应用瓶颈的打破，太阳能路灯必将迎来大规模推广。而且同时会给我们的生活带来极大的方便，我们的环境也会得到进一步的改善，使我们的资源紧缺得到缓解。1.3 本文的研究目的和内容本课题是利用太阳能光伏电池将太阳能转换为电能对LED灯供电，而普通的路灯通常是彻夜通亮，这样太浪费电能了。为了能实现低能耗，该路灯采用了红外线成像检测，当没有行人和车辆时候路灯处于低能耗状态；当检测到有行人或车辆时候就控制路灯处于正常的工作状态，这样就避免了电能的浪费。同时采用LED等作为照明装置，不管是从光效，实际功率，使用寿命，还有照明效果和环保方面都显示出了比高压钠灯的优势
11、，未来的发展前景非常的好。1.3.1 工作原理白天太阳能路灯在智能控制器的控制下，太阳能电池板经过太阳光的照射，吸收太阳能光并转换成电能，白天太阳电池组件向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给LED灯光源供电，实现照明功能。同时，晚上在LED进行工作时在没有行人或车辆时路灯处于低能耗状态，当有行人或车辆时路灯就会恢复正常的工作状态，这样就实现了低能耗的要求。可是如何做到检测，这就有借助于红外成像技术检测才可以，直流控制器能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏。大概的工作原理就如图1太阳能LED工作原理图2图1 太阳能LED灯工作原理图1.3.2 系统设计方案该系统保护两个大的部分：一是太阳能电池
12、对蓄电池的充电，在蓄电池充电过程需要有过充电路的保护以免损坏蓄电池，在蓄电池对LED灯供电时需要有过放电路来保护蓄电池；二是LED灯的工作控制，利用光控电路来控制路灯使其在白天熄灭，晚上点亮。利用红外成像技术来控制电路，当检测到有行人或车辆时路灯正常工作否则路灯处于低能耗状态，这样就可以达到智能低能耗的效果。1.4 关键技术红外成像中的信号处理，红外成像系统为获取景物图像，首先将景物进行空间分解，然后依次将这些单元空间的景物温度转化为相应的时序视频信号。红外成像中的信号处理的基本任务时：形成与景物温度相应的视频信号，如要温度，还要根据景物各部分的温度。红外成像系统与普通的电视摄像系统在信号处理
13、上有许多共同之处，如放大、滤波、全电视信号的合成等。3 前置放大器，根据红外探测器输出的信号十分微弱，且含有噪声的特点，对前置放大器的设计要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、大动态范围、良好的线性特征。此外，还要仔细屏蔽，以消除干扰信号。当探测器和前置放大器的阻抗不匹配时，可采用射极输出电路来克服解决。当信号振幅变化范围很宽又不可能使用增益转换开关时，可以使用对数增益前置放大器，以保证弱信号获得高增益，强信号得到低增益。 直流恢复，信号中的直流成分常常需要在信号处理之前用隔直流的方法将其去掉，这不仅可使信号处理变得简单，而且可达到抑制背景和削弱1/f噪声的目的。但是，采用交流耦合时也存在问题，
14、造成图像有缺陷，为了减小缺陷，需要采用直流恢复技术，图就是一种直流恢复方案，在系统中设置一个热参考源，在扫描周期的无效部分，探测器扫描热参考源。这个参考源可以是无源的，如光阑；或者是有源的，如黑体。当探测器扫到这个参考热源时，热成像系统接收到参考源的辐射产生一温度信号，用这个信号作为钳位信号，将温度信号通道的信号钳位在零电平上。然后再将与温度相应的一个直流电平叠加在经过钳位的温度信号上，以进行环境温度补偿。这样，经过钳位及环境温度补偿后的温度信号就具有了绝对意义。如图2是一种直流恢复方案。4 图2 一种直流恢复方案多路转换技术，当使用多元探测器时，通常要采用多路转换技术把多个信号通道改成单个信
15、号通道。多路转换技术有两种实现方法，即取样保持和CCD的并入/串出方式。取样保持方式是将前置放大器的输出信号送到一个电子开关，电子开关按顺序对每个单元取样并周期地重复这个过程，再将多路通道的输入信号按时间顺序输出给单通道，这种电子开关要实现高速、低噪声是比较困难的。红外探测器并联扫描装置对景物或图像同时取样，并同时将对应单元的辐射信号转换成电信号，这些信号并列注入到CCD移位寄存器各单元。5各CCD单元的电荷量正比于对应的探测器取样信号，然后由一速度较快的时钟脉冲将CCD各单元中的电荷移出，经过输出电路便形成了一组串行的与取样信号对应的视频信号，从而完成了由多路传输到单路传输的转换。通频带选择
16、，确定视频信号处理电路通频带的基本原则是：既要最大可能地使信号不失真又要尽量抑制噪声。通频带由高端频率fH及低端频率fL决定。高端频率fH由成像系统所允许的景物最高空间频率对应的信道中的电信号频率决定，如单元探测器光机扫描方式中，信道中的电信号频率就是元件输出端的电信号频率，即fH=1/2d。前述交流耦合产生图像缺陷的原因在于有限的时间常数限定了通频带低端截止频率fL,造成低频信号衰减，平顶下降，因此需相应地选择fL，通常的方法是根据实际需要给定允许的下跌量，计算出fL后考虑1/f噪声的影响，最终确定fL。一般情况下有fHfL。红外图像增强，为了提高图像质量，常常利用计算机对红外图像进行数字化
17、处理。通常影响红外图像质量的因素有固定噪声干扰、随机噪声干扰、响应度的差异等。应用计算机 对图像进行处理时，可抑制噪声、补偿不均匀性，从而提高图像质量及温度观测的精度。由于图像的随机噪声是加性噪声，帧间互不相关且均值为零，采用多帧平均法可提高图像的信噪比。响应度的差异可由对输入到对计算机中的图像逐像素地作响应度修正来补偿。对于固定噪声的抑制，可以采用帧间相减的方法消除，而由计算机完成图像相减运算是很方便的。图像增强的方法可分为时间域处理、空间域处理和变换域处理三大类。6时间域增强包括时间延迟积分、帧间比较等方法；空间域增强分为点处理和邻域处理两种，前者包括对比度拉伸、直方图处理等方法，后者常用
18、的有中值滤波、均值滤波等方法；变换域增强是在离散傅立叶变换、小波变换等图像变换的基础上进行各种滤波，最终达到增强的目的。2 相关原理、技术介绍及元件的选择2.1 蓄电池的选择蓄电池是光伏LED照明系统的重要组成部分，通常太阳能LED照明系统是独立电力系统运行的，储能部件成为系统性能好坏的关键问题。白天蓄电池把太阳光转化的电能通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来进行适当使用，在实际的太阳能LED照明系统中，蓄电池是最易损的、最易消耗的部分。寻找理想的蓄电池成为太阳能LED照明系统设计的重要内容。2.1.1 蓄电池的分类常用蓄电池一般分为酸性蓄电池和碱性蓄
19、电池两大类。而随着电储能技术的发展，越来越多的储能方式，如超导储能、超级电容储能、燃料电池等。根据光伏发电系统的实际使用情况，与之配用的常见蓄电池一般有三种：铅酸蓄电池、镍镉蓄电池及其他蓄电装置。72.1.2 铅酸蓄电池的选择在光伏系统中，特别是独立式的光伏系统，选择合适的蓄电池十分重要。在选择蓄电池时注意考虑功率、重量和质量，因此要求蓄电池的体积小，能量密度高、重量轻、结实耐用和性价比高。目前在光伏照明系统中使用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍金属氰化物电池、锂离子电池、锂聚合物电池等。可是目前为止，还没有哪个蓄电池同时具有上述各种优点。每种蓄电池都有它的长处，但同时又有其局限性，即使
20、是同样电化学反应体系的蓄电池，也会因结构设计和工艺的变革而使其性能截然不同。根据实际使用的环境、维护、价格和应用情况，结合各种蓄电池的特性，合理选用蓄电池，对光伏系统的可靠性和安全性非常重要。太阳能光伏系统对蓄电池的基本要求可以归纳如下：自放电率小；使用寿命长；免维护；充电效率高；温度范围宽；深放电性能好；性价比高等。而铅酸电池有如下的优点：81) 电池的能量密度虽不太高，但是其功率密度较高，这可以满足各种用电设备的需要。2) 电池的生产工艺成熟可靠，电池的均匀性较好。由于蓄电池大多是成组使用的，各单个电池的均匀性是供电电源可靠性和安全性的根本保证。3) 电池无记忆效应，既可以随时充电，也可以
21、随时放电，使维护工作比较简单，耐用性比较好，使用寿命比较长。4) 它的自放电速度可以说是各种蓄电池中最低者，高温下每个月只损失电池功率的5%左右。5) 价格便宜，这是任何一种蓄电池都无法比拟的。尤其是作为大型动力电源，其价格和运行费用往往是能否普及推广应用的非常关键的因素。2.2 路灯的选择作为照明光源，人们一般只注意到光源的初始成本而忽视了光源的效率、寿命、维修或更换费用。路灯光源最早使用白炽灯，后来发展到高压汞灯、以高压钠灯哈金卤灯为代表的高强度放电灯、高效节能灯、无极灯及LED灯。LED照明是一种节能环保照明。LED在造型、光色变化和调光控制等方面的特点，适合搭配周围环境及地方人文特色，
22、LED道路照明正在全球发展开了，LED路灯在未来的市场是非常有发展的。LED路灯由LED模组、驱动电源、散热装置、光学系统及外壳等组成。与传统路灯相比，LED路灯具有很大的优势：91) 光效和灯具出光率高，能耗低，高压钠灯的光效可以达到120lm/W而占主导地位，而目前LED的光效可达100-120lm/W，逐步就会取代高压钠灯。2) 寿命长，高压钠灯的寿命一般再20000h左右，而LED的寿命一般为57000h，有的高达70000h，最低也有30000h。3) 显色性好，高压钠灯在传统光源中虽然光效最高，但其显色性最差，显色指数仅为20左右，而LED的可达80左右基本接近自然光，对颜色的呈现
23、更真实，更能够反映出物体本身的颜色。4) 快速启动，高压钠灯等从接通电源到稳定光输出需要几十秒甚至几十分钟的时间，因故熄灭后热启动时间长达3-6min。而LED的启动时间只有几十纳秒，也不存在再次启动的等待时间，LED灯具可以正常工作在连续开关通断的状态下。5) 便于光学设计，LED体积较小，而且在半平面上定向发光，在进行灯具设计时可以近似地将其视为电光源，非常合适采用透镜或反射杯进行光学设计，获得理想的配光，实现较高的灯具效率。6) 造型可塑性强，结构坚固，LED路灯灯具造型可塑性强，可以通过造型设计来体现装饰性和地方人文特色，增添美感和城市意象的附加值。LED是一种固态光源，不含玻璃、灯丝
24、等易损坏部件，通过合理设计，在结构上可以做得非常牢固。7) 低碳环保，高压钠灯等气体放电光源含有汞等有害物质，光源废弃后会对环境和水源造成长期、严重的污染。在传统高压钠灯等气体放电光源中，目前尚未找到可以替代汞的元素。LED芯片及其封装不含铅和汞等有害物质，废弃后可以回收和利用不会对环境造成污染。表1就是LED灯具与高压钠灯的具体的比较。表1 LED灯具与高压钠灯的比较比较项目高压钠灯具LED灯具比较项目高压钠灯具LED灯具功耗高低，光源利用效率60%90%400W180W灯具使用寿命57年810年350W140W光源使用寿命20000h50000h250W100W呼吸过滤系统必需不需要150
25、W70W防护等级IP65IP65色温2000250035007000K防触电保护类型I类I类显色指数20308093启动时间510min瞬间启动，无延时电源效率75%80%90%环保不环保环保2.3 红外检测技术红外检测的基本理论是基于热辐射的普朗克定律和斯忒藩-玻尔兹曼定律，即利用物体的辐射能与温度的关系进行检测的一种方法 。其通过扫描、记录被测试零件表面上由于缺陷和材料不同的热特性而引起的温度变化来进行红外检测。有斯忒藩-玻尔兹曼定律可知，当一个物体表面的发射率不变时，该物体的辐射功率与其温度的四次方成正比。因此，对物体辐射功率的探测，实际上就形成了对物体表面温度的探测。2.3.1 红外成
26、像检测的基本理论在自然界中，任何温度高于0K的物体都是红外辐射源，具有辐射现象。通过红外探测将物体辐射的功率信号转换为电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态成像，并对被测物体的状态进行分析判断。102.3.2 红外成像系统的工作原理光学系统将景物发射的红外辐射收集起来，经过光学滤镜后，将景物的辐射能量分布汇聚到位于光学系统焦平面的探测器光敏面上。光机扫描包括两个扫描镜组，一个做垂直扫描，一个做水平扫描。扫描器位于聚焦光学系统和探测器之间。当扫描器工
27、作时，从景物到达探测器的光束随之移动，在物空间扫出像电视一样的光栅。当扫描器以电视光栅形式将探测器扫过景物时，探测器逐点接收景物的辐射并转换成相应的电信号。或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转化成电信号，经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的红外图像。图3给出了最简单的光机扫描型红外成像系统的工作原理。图3 光机扫描型红外成像系统工作原理1-物平面 2-箭头形物 3-物镜 4-高低同步器 5-高低扫描平面镜 6-水平同步器 7-水平扫描反射镜 8-水平同步信号放大器 9-前放及视频信号处理器 10-像平面 11-单元探测器 12-高低
28、同步信号放大器 13-显示器图4所示为红外成像系统的工作过程。热像仪的红外光学系统把来自目标景物的红外辐射聚焦于红外探测器上，探测器与相应单元共同作用，把二维分布的红外辐射转换为按时序排列的一维视频信号，经过后续处理，变成可见光图像显示出来。图4 红外成像系统的工作过程2.3.3 红外成像系统的类型和组成目前的红外成像系统可分为两大类：光机扫描和非光机扫描型。11图3所示的红外成像系统就是光机扫描型的，借助光机扫描使单元探测器依次扫过景物的各部分，形成景物的二维图像，在光机扫描成像系统中，探测器把背景辐射从目标信号中消除，从而获得对比度良好的红外图像。所以尽管这种类型的红外成像系统存在着结构复
29、杂，成本高的缺点，仍然受到重视，取得很大进展并日趋完善。在未来有很大的发展前景。非扫描型红外成像系统利用多元探测器阵列，使探测器中的每个单元与景物的一个微面元对应，因此可取消光机扫描。凝视型红外成像系统就属于这种类型。近年来，硅化物肖特基势垒焦平面阵列技术有了长足进展，利用硅超大规模集成电路技术的工艺，可以获得高均匀响应度、高分辨率探测器面阵，大大推进了非扫描型红外成像技术的迅速发展和步入实用化。热释电红外成像系统也属于非扫描型红外成像系统。采用热释电材料做靶面，制成热释电摄像管，直接利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪，完全取消了光机扫描，从而使结构简化，有不需要制冷，成本也
30、随之降低，但性能不及光机扫描红外成像系统，所以一般都会根据实际情况选择，选择最适合的进行使用。从图4所示的红外成像系统框图中可以看出，整个系统包括四个组成部分：光学系统、红外探测器及制冷器、电子信号处理系统和显示系统。经过这个系统可以将图像成像出来。3 硬件分析与设计3.1 蓄电池的控制系统在独立运行的光伏发电系统中，必须配备蓄电池，将太阳电池产生的电量收集并储存，在需要对负载供电时调控蓄电池的放电，还需要对负载的供电进行控制，因此控制系统是独立式太阳能系统的核心控制部件。目前太阳能照明系统使用的蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频繁地过充电和过放电，都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使
31、蓄电池大量出气，造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电，的损害，控制系统必须对蓄电池和负载进行调控来防止蓄电池的过充电和过放电，这个控制系统大部分时候可以做成独立的器件，成为控制器。控制器的最基本功能是通过监测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池的容量等情况并根据检测参量来决定继续充、放电或终止充、放电的指令，避免蓄电池过度充放电。12光伏发电系统中充放电控制器的功能主要如下。1) 高压断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。2) 欠电压告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠电压警告点是，控制器应能切断负载供电，以避免
32、造成蓄电池过度放电，影响寿命。3) 低压断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连接负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。4) 保护功能：防止任何负载短路的电路保护；防止控制器内部短路的电路保护；防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护；防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护；防止感应雷的线路防雷。5) 温度补偿功能：当蓄电池温度低于25时，蓄电池的充满电压应适当提高；相反，高于该温度蓄电池的充满电压的门限应适当降低。控制器的放过放电功能的实现方法是设置放电截止电压，因太阳能LED路路灯的负载
33、功率相对于蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。由于蓄电池电压控制点是随温度而变化的，所以太阳能LED路灯的控制器应该有一个受温度控制的基准电压，对于单节铅酸蓄电池是-3-7mV/，通常选用-4mV/。蓄电池防过充电，过放电保护一般参见表2，当蓄电池电压达到设定值后就应改变电路的状态。表2 蓄电池充、放电保护标称电压防过充电压防过放电压6V7.2V0.1V5.5V0.1V12V14.3V0.1V11.0V0.1V24V28.6V0.1V22.0V0.1V3.1.1 充放电电路充放电控制电路主要是对蓄电池进行保护，由于太阳能对蓄电池充电如果没有控制电路就会对蓄电池过充电这样就会造成蓄电池
34、寿命缩短甚至损坏蓄电池，同时蓄电池也不能过分供电，所以就要设计过充和过放电路来保护蓄电池，延长蓄电池的寿命。只要蓄电池的寿命延长了整个路灯系统的寿命相应的也会延长，就会降低成本。这里就有介绍两种控制电路，有并联型充放电控制器电路和串联型充放电控制器电路。 13（1）并联型充放电控制器电路图5为并联型充放电控制器框图。并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1并联在太阳能电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管VD1截止，则太阳能电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。这样蓄电池
35、就不会损坏，同时也可以延迟蓄电池的寿命。图5 并联型充放电控制框图VD1为“防反充电二极管”，这样当太阳能电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，VD1才能导通，反之VD1截止，从而保证夜间不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“反向充电保护”作用。开关器件T2为蓄电池放电开关。当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压低于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。VD2为“防反接二极管”。当蓄电池极性接反时，VD2导通，蓄电池通过VD2短路放电，产生很大的电流，快速将熔断器的熔体熔断，起到“蓄电池反接保护”作用。
36、检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”，当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。（2）串联型充放电控制器电路图 6为串联型充放电控制器的框图。串联型过充放电控制器和并联过放电控制器的电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，并联型中T1并联在太阳能电池方阵输出端，而串联型中T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1断开，是太阳能电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。这种方法必须使太阳能电池组件工作点电压范围与蓄电池可以稳定充电的范围匹配，也称为电压匹配型充电。采用这样的方法，随着充电
37、的时间的增加，蓄电池端电压在增加，太阳电池组件输入蓄电池的电流在减小，工作点沿着太阳电池组件的伏安特性曲线向开路电压方向移动。由于太阳电池组件在光照不佳时产生的电压可能会低于蓄电池的电压，无法为蓄电池充电，该充电方法只能在太阳能辐射充足时给蓄电池充满电。此类控制器简单可靠，多用于小型光伏系统。图6 串联型充放电控制框图3.2 控制器的硬件结构控制器是太阳能LED路灯控制系统中最重要的部件，也是与各种路灯系统最大的区别所在。控制器的性能如何，决定了一个太阳能LED路灯系统运行情况的优劣。所以设计功能完备、结构简单的智能太阳能LED路灯控制器是非常重要的。控制器需要实现的功能有：天黑时自动开灯；天
38、亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并要具有短路保护、反接保护等。14控制器不仅担负对整个太阳能LED路灯的状态控制，还要保证系统的安全运行。图7为太阳能光伏控制器硬件结构图。该控制器一AVR ATmega32微处理器为控制核心，外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、太阳能电池电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、数据上传接口电路和键盘输入电路构成。电压检测电路用于识别光照强度和获取蓄电池端电压，温度检测电路用于蓄电池充电温度补偿。该系统采用PWM方式驱动充电电路，以实现蓄电池的最优充放电。太阳能电池分组切换控制电路用
39、于不同光照强度和充电模式下太阳能电池的切换，该系统实现对3组太阳能电池组件控制。负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。状态显示电路用于系统状态的显示，包括电压、负载状况及充放电状态的显示。数据上传接口电路用于系统运行参数的上传，实现远程监控。键盘输入电路用于充电模式设定及LED背光开启。该控制器在有太阳光是接通太阳能电池组件向蓄电池充电的回路，实现对蓄电池组的充电；当夜晚时蓄电池放电，以保证负载用电。图7 太阳能光伏控制器硬件结构图微处理器采用Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器，具有高性能、高保密性、低功耗等优点，具有程序存储器和数据存储器可独立访问的哈弗结构，代码执行效率高。系统
40、采用的ATmega32处理器包含有32KB片内可编程FLASH程序存储器、1KB的E2PROM和2KB RAM,同时片内集成了看门狗、8路10位A/D变换器、3路可编程PWM输出电路，具有在线系统编程功能，片内资源丰富，集成度高，使用方便。ATmega32处理器可以很方便地实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。3.3 智能路灯控制电路的设计道路上的路灯给夜间驶的行人和车辆提供了方便，设想一下晚上没有路灯将是多么危险的一件事，很大交通事故都是由于路灯的损害而发生的，所以路灯是必不可少的，但是同时这也是我们用电的一个很大的开销，虽然有太阳能来提供电能可是蓄电池的蓄电量有限的
41、我们不可能无休止的利用，再加上我们需要将路 灯的消耗降到最低，为我们的能源保护和节约贡献力量。这就需要我们在路灯选择和控制路灯工作的电路上下功夫，只要选择得当、设计合理合适，就能起到智能和低功耗的功效。3.3.1 LED的驱动电路设计驱动电路作为光源的载体直接影响LED灯具的寿命和故障率，LED照明灯具的所有电子线路都在驱动电路板上，驱动电路板的材质和加工工艺将直接影响产品的品质和寿命。驱动电路板材质分为玻璃纤维、半玻璃纤维、纸板三种。15LED照明灯具驱动电路板的标准材料应为全玻璃纤维双面板，如采用半玻璃纤维或纸板单面板，其后期焊接品质和防潮、抗老化能力以及电学性能都将大打折扣。LED驱动电
42、路根据不同的应用要求，可以采用恒定电压输出工作方式，即输出为一定电流范围下的钳位电压；也可以采用恒定电流输出工作方式，能严格限定输出电流；也可以采用恒流恒压输出工作方式，即提供恒定输出功率，故由作为负载的LED的正向电压确定其电流。总的来看，LED驱动器设计需要考虑以下几方面的因素。1） 输出功率：涉及LED的正向电压范围、电流及LED排列方式等。2） 电源：DC/DC电源。3） 功能要求：调光要求、调光方式、照明控制。4） 其他要求：效率、尺寸、成本、故障处理、要遵从的标准及可靠性等。 如图8为LED灯的驱动电路图 图8 LED的驱动电路驱动电流的标称输入电压范围应为DC8-40v以满足应用
43、的需要，耐压应大于45v。驱动IC若不能适应宽电压范围，往往在输入电压升高时会被击穿，LED光源也因此被烧毁。驱动电路的标称输出电流要求大于1.5A。照明用1W的LED光源的标称工作电流为350mA，3WLED的标称工作电流为700mA，功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具的选用的驱动IC必须有足够的电流输出，设计产品是必须是驱动IC工作在满负载输出的70%-90%的最佳工作区域。若使用满负载输出电流的驱动IC，在灯具狭小空间内散热不畅，容易早期失效。驱动电路的输出电流必须恒定，LED光源才能稳定发光，亮度不会变化。驱动电路本身的抗EMI、噪声、耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否
44、顺利通过CE、UL等认证，因此驱动电路本身在设计伊始就要选用优秀的拓扑结构。驱动芯片自身功耗要求小于0.5W，开关工作频率要求大于120Hz，以免工频干扰而产生可见闪烁。3.3.2 LED的控制电路设计LED灯具的控制电路就是要做到，首先路灯在白天要处于未点亮的状态，晚上路灯开始工作，这部分需要用光敏电阻来控制，使路灯处于智能化的控制下不需要人工手动来控制；而路灯正常工作和低能耗工作状态的相互转换是要借助于红外成像检测技术的控制来实现的，当检测到有行人或车辆时，通过红外成像技术的检测，将检测到的图像转换为电信号来如图9所示是一种简易的光控开关，在一些公共场所，如楼道、路灯等装上自动光控开关，不
45、仅方便而且也节能。它在天黑时自动开灯，天亮时自动熄灭。调节4.7M电位器。可适用于不同型号的光敏电阻及在一定的条件下亮灯。图9 光控电路同时LED灯的控制电路里必不可少的是红外成像系统对所扫描的到的事物的检测 ，虽然可以直观的看到所检测到的事物却不能直接来控制路灯的工作状态，这就需要相应的技术来对事物的视频信号的处理使其转换为能够分辨的电信号，将得到的信号与设定好的人的模型的信号进行比对就可以得到判断出是否是行人，这里的电信号就会间接的对我们的控制电路中的电阻进行控制，这样就可以控制LED灯在正常工作状态和低能耗状态间相互转换，这样就实现了智能和低能耗的功效，如图10红外成像系统对LED的控制
46、框图红外成像系统信号处理可调电阻LED灯图10 红外成像系统对LED的控制框图电路结构电路如图11所示。双电压比较器LM393两个反相输进端脚和脚连接在一起，并由稳压管ZD1提供6.2V的基准电压做比较电压，两个输出端脚和脚分别接反馈电阻，将部分输出信号反馈到同相输进端脚和脚，这样就把双电压比较器变成了双迟滞电压比较器，可使电路在比较电压的临界点四周不会产生振荡。R1、RP1、C1、A1、Q1、Q2和J1组成过充电压检测比较控制电路；R3、RP2、C2、A2、Q3、Q4和J2组成过放电压检测比较控制电路。电位器RP1和RP2起调节设定过充、过放电压的作用。可调三端稳压器LM371提供给LM39
47、3稳定的工作电压。被充电电池为12V65Ah全密封免维护铅酸蓄电池；太阳电池用一块40W硅太阳电池组件，在标准光照下输出17V、2.3A左右的直流工作电压和电流；D1是防反充二极管，防止硅太阳电池在太阳光较弱时成为耗电器。图11 太阳能电池充放电控制器电路4 软件设计一个控制系统要正常工作，仅有硬件部分是远远不够的，还需要软件设计部分的配合才能构成一个完整的控制系统。硬件电路是软件程序的工作的基础，而软件程序能使硬件电路的功能得到充分的发挥，并实现一些硬件电路所不能实现的功能。软件设计不单单是一些程序的设计，这里就需要根据系统的性能要求来进行设计，这里就需要对蓄电池的过充放电路的保护以及LED路灯的工作状态的相互转换的设计。以下是这两部分的软件设计的流程图。4.1 蓄电池控制器的软件流程图蓄电池的软件控制是为了智能化控制蓄电池的充放电，同时还有保护