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1、 毕业论文基于PIC单片机的太阳能路灯智能控制器学生姓名： 入学时间： 2008.9 专业名称： 计算机控制技术 班 级： 08计算机控制 指导教师： 职 称： 讲 师 二一一年三月基于PIC单片机的太阳能路灯智能控制器摘要 随着当前城市建设的迅速发展，道路照明系统中传统的人工操作和维护控制手段已经不能适应现代化城市发展的需求。与此同时，计算机技术的发展日新月异，应用无处不在，城市路灯智能化控制系统就是现代计算机技术运用于城市市政建设有效且必然的产物。太阳能路灯以太阳光为能源,白天充电、晚上使用,无需铺设复杂、昂贵的管线,可任意调整灯具的布局,安全节能无污染,充电及开/关过程采用光控自动控制,
2、无需人工操作,工作稳定可靠,节省电费,免维护,太阳能路灯的实用性已充分得到人们的认可。本文介绍的基于单片机的太阳能路灯控制器的设计,对12V和24V蓄电池可以自动识别,能实现对蓄电池的科学管理,能指示蓄电池过压、欠压等运行状态,具有两路负载输出,每路负载额定电流可以达到5A,两路负载可以随意设置为同时点亮、分时点亮,单独定时等工作模式,同时对负载的过流、短路具有保护功能;具有较高的自动化和智能化程度。关键词 太阳能光伏 PIC单片机 路灯 控制器无线传输 光敏电阻 光强度滤波算法 太阳能电池 蓄电池 控制器 最大功率点跟踪 充电策略Based on the PIC microcontrolle
3、r solar street lamps intelligent controllerAbstract With the rapid development of the current urban construction, road lighting system in the traditional manual operation and maintenance means of control already can not adapt to the needs of the development of the modern city. Meanwhile, the develop
4、ment of computer technology is developing rapidly, and the application is everywhere, the city street lamp intelligent control system is the modern computer technology used in city municipal construction effectively and inevitable product. Solar street lamps etheric sunshine for fuel, daytime chargi
5、ng, use at night without laying, complicated, expensive cop, can adjust the layout of safe and energy-saving lamps and lanterns, non-pollution, charging and open/close process using optical automatic control, manual operation, stable and reliable, save electricity, free maintenance, solar lights pra
6、cticability is already fully be recognized by people. This paper based on SCM solar street lamps controller design, 12V and 24V battery can to automatic recognition and can realize the scientific management of battery, can show battery over/under pressure and other operation state, has two road load
7、 output, every road load rated current can reach 5A, two way the load will be optional set to also lit, timeshare lit and separate work mode, and timing etc to load over-current, short circuit protective function; Has the high automation and intelligence. Keywords Solar pv PIC microcontroller street
8、 lamp Controller wireless transmission Photoconductive resistance Light intensity Filtering algorithm Solar battery battery controller The maximum power point tracking Charging strategy目 录0前言11太阳能路灯控制系统2太阳能电池2蓄电池3照明负载32控制器硬件设计4 PIC16F877单片机4 STC12C5410AD单片机4硬件设计中的注意点8电流电压采集82.5显示模块93蓄电池充放电策略104最大功率点
9、控制策略114.1 MPPT控制方法.114.2 DC-DC转换电路的实现.11.4.3 MPPT的控制流程.125控制系统软件设计14系统软件设计.15单片机软件编程注意点.186光控路灯控制器的设计 19结束语 23参考文献24致 谢25前言针对太阳能控制系统的特点，探讨了太阳能路灯控制系统各部件的选用，设计了一种基于PIC16F877单片机的智能控制器。提出了可行的太阳能电池最大功率点跟踪方法和合理的蓄电池充放电策略。该控制器具有电路结构简单、可靠性高、实用性强等特点。太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源。太阳能光伏发电以其安全可靠、无噪声、无污染、随处可见、无机械传动的部件、规模大小随
10、意、可无人值守等优点受到越来越多的重视。 目前，太阳能路灯在推广应用中遇到的主要问题一是太阳能电池的转换效率低；二是蓄电池的使用寿命有限，从而提高了太阳能路灯的成本。本文针对以上问题设计了一套先进的智解控制器。1第一章 太阳能路灯控制系统太阳能路灯控制系统的结构框图如图1所示，虚线框所示即为所提出的控制器的主要部分。整个系统用Michrochip 的PIC16F877单片机实现控制，并利用单片机输出的PWM波控制BUCK型降压电路来改变太阳电池阵列的等效负载，实现太阳能电池的最大功率跟踪。D1为太阳能电池板防反接、反充二极管，采用快恢复二极管，C1、C2为滤波电容，Q为场效应开关管，L为储能电
11、感，D2为续流二极管。1.1 太阳能电池太阳能电池阵列是太阳能路灯控制系统的输入1，为整个系统提供照明和控制所需电能，白天将太阳能电池阵列所接收的光能转换为电能，对蓄电池进行充电；晚上，太阳能电池停止充电，输出端开路。在众多太阳能电池中较常用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池3种。多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低，适合用于太阳光充足日照好的东西部地区。单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合用于阴雨天比较多、阳光相2对不是很充足的南方地区。非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合室外阳光不足的情况下使用。目前单晶硅和多晶硅太阳能电池的光电转换效率为12%
12、15%左右，如何提高转换效率是当前太阳能应用的研究重点之一。太阳能电池方阵工作电压一般为负载工作电压的1.4倍。1.2 蓄电池 蓄电池是太阳能照明系统的储能环节。白天，蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存起来，到夜间再转换回电能输出给照明负载。目前在太阳能路灯系统中常用的蓄电池是阀控式密封铅酸（VRLA）蓄电池，它具有不需补加酸水、无酸雾析出、可任意放置使用、使用清洁等优点。VRLA蓄电池的容量可用式(1)进行估算2：蓄电池用量=(安全系数) 1.4 负载工作电流日工作时数最长连续阴雨天数 (1)蓄电池容量过小，不能够满足夜晚照明的需要；蓄电池过大，则始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，
13、同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%30%，才能保证给蓄电池正常负电。1.3 照明负载一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。(1)低压节能灯：功率小，光效较高，使用寿命可达2 000h，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯；(2)低压钠灯：低压钠灯光效高，但需逆变器，因而价格贵，整个系统造价高，采用较少；(3)无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V普通市电条件下使用，寿命可以达到50 000 h，但在太阳能灯具上使用时寿命大大减少和普通节能灯差不多；(4)LED灯光源：寿命长，可达1 000 000 h，工作电
14、压低，光效较高。随着技术进步，LED的性能将进一步提高，LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。3第二章 控制器硬件设计2.1 PIC16F877单片机作为太阳能路灯控制系统的核心，太阳能控制器设计的好坏关系到整个系统能否正常运行。本文所提出的智能控制器的结构框图如图2所示。图2 智能控制器的结构框图控制器的核心是PIC16F877，它是目前世界上片内集成外围模块最多、功能最强的单片机品种之一，是高性能的8位单片机3。它采用哈佛总线结构和RISC技术，指令执行效率高，功耗极低，带有FLASH程序存储器，配置有5个端口33个双向输入输出引脚，这些引脚大部分有第二、第三功能，内嵌8个10位数字量精
15、度的AD转换器，配有2个可实现脉宽调制波形输出的CCP模块。控制器主要的工作是白天实现太阳能电池板对蓄电池充电的控制，晚上实现蓄电池对负载放电的控制，同时具有光控、时控功能，能够在白天夜间自动切换。2.2 STC12C5410AD单片机硬件电路组成及工作原理系统硬件结构框图太阳能路灯智能控制器以STC12C5410AD单片机为核心,外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等几部分组成的,结构框图如图3。电压采集电路包括:太阳能电池板和蓄电池电压采集,用于太阳光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口,用于工作模式等参数的设置。4图3
16、系统结构框图下面详细介绍系统中STC12C5410AD、电压采集与电池管理、负载输出控制与检测电路的设计与实现。STC12C5410AD单片机STC12C5410AD是STC12系列的单片机,采用RISC型CPU内核,兼容普通8051指令集,而且还有新的特点:片内含有Flash程序存储器10k,Data Flash数据存储器2k,RAM数据存储器512字节,同时内部还有看门狗(WDT);片内集成MAX810专用复位电路,集成了8通道10位分辨率的ADC以及4通道的PWM;具有可编程的8级中断源4种优先级,具有系统可编程(ISP)和应用可编程(IAP)等特点,片内资源丰富、集成度高、使用方便。S
17、TC12C5410AD对系统的工作进行实施调度,实现外部输入参数的设置、对蓄电池及负载进行管理,工作状态的指示等。为充分使用片内资源,本文所设置的参数写入Data Flash数据存储器内。键盘电路P3.4(T0)接F1键,该键用于设置状态的识别及参数设置;P3.5(T1)接F2键,该键用于自检及“加1”功能,根据程序流程,分别实现不同功能。电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集,用于太阳光线强弱的判断,因而可以作为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集,用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能,对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路,
18、若在太阳能电池正常充电时,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤,若在夜间或太阳能电池不充电时,控制器由于自身得不到电力,不会有任何动作。过充保护:充电电压高于保护电压(15V)时,自动关断对蓄电池的充电;此后当电压掉至维护电压(13.2V)时,蓄电池进入浮充状态,当低于维护电压(13.2V)5后浮充关闭,进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(11V)时,控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路(智能三阶段充电),可使太阳能电池板发挥最大功效,提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。负载输出控制与检测电路本系统设计了两路负载输出,每路的输出均有独立的控制和检
19、测,具有完善的过流、短路保护措施。负载输出控制与检测电路如图4所示。图4 负载输出控制与检测电路图康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现,这里使用了硬件+软件的方式,LM358的输出送P1.7(A/D转换)口,用作过流信号识别,当电流超过额定电流20%并维持30s以上时,确认为过流;短路电流整定为10A,响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护,当流经电子保险丝的电流骤然增加时,温度随之上升,其电阻大大增加,工作电流大幅降低,达到保护电路目的,响应时间为秒数量级,过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体
20、,无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后,在长达数小时时间负载短路实验后,控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护,一旦烧毁必须人为更换的问题,同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比,也具有明显的优6点,简化了维护,提高了系统的安全性能。核心处理器选用CC2430，该芯片是Chipcon公司生产的首款整合了ZigBee射频(RF)前端、内存的微控制器适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点。它使用1个8位MCU(8051)，具有128kB可编程闪存和8kB的RAM，还包含高达14位的模拟数字转换器(ADC)阁。该CPU同时满足了路灯控
21、制器数据采集、数据处理和无线收发功能，且功耗非常小检测电路通常都伴随着较大的共模电压，一般运算放大器的共摸抑制比可达80dB，若采用多个集成运算放大器组成的测量放大电路，共摸抑制比可达(100120)dB，故采用双运算放大器同相串联结构来抑制浮地电桥的共摸信号光强度检测电路如图5所示。经过运算放大器处理的模拟数据直接送到CC2430的P00引脚进行AD转换。控制器硬件电路结构如图6所示。图5 光强度检测电路7图6 控制器结构2.3 硬件设计中的注意点(1)感应雷保护电路应设计在太阳能电池板引线入口处,保护电路周围4mm内不要布置其他器件。(2)防止太阳能电池板反接用的二极管必须采用快恢复二极管
22、,这种管子导通内阻小,充电时发热量小,不用散热器也可以连续充电,充电效果好。(3)充电、负载放电电路的印刷线路宽度至少要45mm,线路上用搪锡处理以增加过电流能力,大电流导线在一层过渡到另一层时,要放置35个过孔。,过电流能力在10A以上的康铜丝作为电流取样电阻,来产生取样电压,取样电压最多不超过0.2V,故采用运放LM358对它进行放大。(5)器件的布局和PCB图的布线采用模块化,大电流信号与小电流信号要分离,对放大电路的线路犹其要精心布置。数字地和模拟地分开,注意电源线和地线的布局。2.4 电流电压采集控制器采集太阳能电池的电压电流，用以实现太阳能电池最大功率点MPPT的跟踪；采集蓄电池的
23、端电压，防止蓄电池的过充及过放；采集温度，用以实现温度补偿。电压采集可用霍尔电压传感器或电阻分压法实现，电流采集可用霍尔电流传感器或分流器实现。82.5 显示模块显示模块有工作正常提示，蓄电池过充、蓄电池欠压等显示功能，可采用两个双色LED发光二极管实现，分别显示充电和放电状态。当电压由低到高变化时，指示灯由红色到橙色到绿色渐变颜色显示电压高低。充电状态：当蓄电池电压低于13.0 V时，LED1显示绿色；当蓄电池电压在13.4 V14.4 V之间时，LED1显示橙色；当蓄电池电压高14.4 V时，LED1显示红色。放电状态：当蓄电池电压低于11.0 V时，LED2显示红色；当蓄电池电压在12.
24、2 V12.4 V之间时，LED2显示橙色；当蓄电池电压高于12.4 V时，LED2显示绿色。9第三章 蓄电池充放电策略作为太阳能路灯照明系统储能用的蓄电池由于存在过放、过充、使用寿命短等问题，要选择合适的充放电策略。所有的蓄电池充电过程都有快充、过充和浮充3个阶段，每个阶段都有不同的充电要求。现行的充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、间隙式充电法等，这些充电方法各有利弊。本文设计的控制器采取综合使用各充电方法应用于3阶段充电。(1)快充阶段：蓄电池能够接受最大功率时，采取太阳能电池最大功率点跟踪对蓄电池进行充电。当蓄电池端电压达到转换门限值后，进入过充阶段。(2)过充阶段：采用恒
25、压充电法，给蓄电池一个较高的恒定电压，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。(3)浮充阶段：蓄电池一旦接近全充满时，其内部的大部分活性物质已经恢复成原来的状态, 这时候为防止过充，采用比正常充电更低的充电电压进行充电。浮充电压根据蓄电池的实际要求设定，对12 V的VRLA蓄电池来说，一般在13.4V14.4 V之间。此时，在温差较大的地区，还应该进行适当的温度补偿。合理考虑温度变化范围, 充电器应该根据蓄电池的温度系数给予某种形式的补偿。因此，实际可采取下式确定浮充电压Vf:Vf =V0(T25)c 其中V0为基准点的电压，即未进行温度补
26、偿时的电压，T为检测到的当前温度，25为设定的基准温度，c为电压温度系数，这里可设置为0.013 2。10第四章 最大功率点控制策略由于太阳能电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化具有强烈的非线性，因此在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点MPP(Max Power Point )。在实际应用系统中，为了在同样的日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能，就存在着一个最大功率输出点跟踪MPPT (MPP Tracking)的问题。MPPT指为充分利用太阳能，控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点附近。4.1 MPPT控制方法为了实现太阳电池最
27、大功率点跟踪，国内外提出了许多种实现方法。主要方法有5增量电导法( incremental conductance,简称IncCond法)、曲线拟合法( curve-fitting)、神经网络( neural network)、干扰观测法(perturbation and observation,简称P&O法)等。而且，每一种控制方法又有多种实现算法。本控制器采用干扰观测法来实现MPPT。干扰观测法是通过不断改变电池方阵的工作电压，实时观察、比较前后两点输出功率值，以便改变调节电压的方向，最终稳定在最大功率点。尽管系统工作点会在MPP两侧存在振荡现象，造成一定的功率损失，但此方法结构简单，只需
28、测量电压及电流两个参数，因此易于实现并得到广泛应用。在电路的具体实现中，干扰观测法可通过DC-DC变换器来实现。DC-DC 转换电路(也称为斩波电路或斩波器) 是接在直流电源和负载之间，通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。从工作方式的角度，DC-DC 转换电路又可分为升压(Boost)、降压(Buck)、升降压(Boost-Buck)和丘克(Cuk)4种，其中降压、升压和升降压式DC-DC转换电路是比较常用的类型。本控制器采用的是Buck型降压电路。4.2 DC-DC转换电路的实现Buck型降压电路原理如图7所示。电路由开关K、续流二极管D、储能电感L、滤波电容C等
29、构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用，将保持电路中的电流不变，电流流过负载，经过续流二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。11图7 Buck型降压电路原理 将Bu ck型降压电路应用于太阳能路灯控制系统后如前文图1所示，用IRF540 NMOS场效应管Q代替此处的开关K，开关管的驱动采用TLP250，单片机输出一个频率为10 kHz的
30、PWM波来控制开关器件。由此，通过调节负载两端的电压改变了太阳电池阵列的等效负载，从而实现太阳能电池的最大功率点跟踪。4.3 MPPT的控制流程 采用干扰观测法，原则是电压的变化始终能让太阳能输出功率朝大的方向改变。因此，首先让太阳能电池以某个电压输出，采集电压电流后计算得出它的输出功率Pi，再与前一刻的输出功率Pj进行比较，若PiPj，则修改脉宽使U=UU；若PiPj，则使U=UU。按照以上原则再测、再比、再修改脉宽，逐次逼近太阳能电池的最大功率点。MPPT的控制流程如图4所示。12图8 控制流程图13第五章 控制系统软件设计控制器软件的主要任务是：实现蓄电池的充电控制；完成电压、电流的采集
31、、处理和计算，实现MPPT控制算法；实现蓄电池对负载的放电控制。控制系统软件采用模块化程序设计方法，使用MPLAB-IDE集成开发环境进行程序开发，其主程序流程图如图9所示。图9 主程序流程图硬件电路组成及工作原理系统硬件结构框图太阳能路灯智能控制器以STC12C5410AD单片机为核心,外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键14盘电路等几部分组成的,结构框图如图1所示。电压采集电路包括:太阳能电池板和蓄电池电压采集,用于太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口,用于工作模式等参数的设置。系统软件设计与本设计方案的硬件电路对应的
32、软件程序包括:主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程上,以KeilC编译器的Windows集成开发环境vision2作为软件开发平台,采用C51高级语言编写。按键处理流程如图10所示。 图10 按键处理流程图控制器的软件主要包括4部分功能：光强度检测、滤波算法、路灯开关控制和无线传输。无线传输功能采用定时工作，如从路灯正常打开到路灯关闭这段设计采用间隔1min向管理中心报告一次路灯的状况，当然也可以由管理中心查询某个路灯的状况。软件流程图11所示。15图11 软件整体流程图16部分软件编程ADC子程序INT8U
33、ADC (INT8U number)using 2number=number&0x07;/ 通道号不超过7ADC_CONTR= ADC_CONTR&0xe0;/清ADC_FLAG、AD不启动ADC_CONTR=ADC_CONTR|number;/选择通道ADC_CONTR=ADC_CONTR|0x08;/启动ADwhile (ADC_CONTR&0x10)!=0x10);/等待AD转换结束return (ADC_DATA);/ 结果返回外部0中断响应子程序void Service_INT0 ()interrupt 0 using 1 if(P3_2)/高电平,认为是干扰信号触发中断return
34、;delay1(5000);/10ms延时if(P3_2=0)load_switch_1=LSTOP;/ 负载开关1关LOOP1_DL=1;/置负载短路标志17单片机软件编程注意点(1)本系统用较少的按键实现了诸多功能,如负载工作模式的设置,双灯同时工作还是分时工作、负载工作时间的设定,还有自检功能等,为防止误操作采取了一些措施。这种方法实际上是一键多用的一种尝试,还可以推广到更复杂的人机对话的设计,其思路可参见按键处理流程图。(2)键盘在定时中断服务程序中读取,用中断间隔时间实现键盘的去抖动,不必编写另外的延时程序,提高了CPU的利用效率。键盘值存入数据缓冲区,在主程序中读数据缓冲区的内容,
35、执行键盘功能散转子程序。(3)环境光线(闪电、礼花燃放)对太阳能电池板的采样电压有明显影响,故在白天、黄昏的识别时,要进行软件延时,一般控制在23分钟。(4)外部中断为高优先级中断,编制子程序实现负载过流、短路保护时,要充分考虑到负载启动瞬间时会产生数倍于额定电流的冲击电流,冲击电流维持时间在35ms左右,应在软件上采取措施,避免短路与负载开启的误判。确定负载过流、短路后,切断负载输出。负载切断后,每隔一段时间,如20s,应试接通负载开关,当发现过流、短路信号已消除,则恢复负载的输出,否则负载开关仍然保持断开。(5)为保护负载(灯具),蓄电池过放保护恢复时,应用软件设置一个回差电压,这样负载开
36、关不会出现颤抖现象,有利于延长灯具的使用寿命。(6)根据STC12C5410AD的Data Flash的特点,数据写入时必须启动ISP/IAP命令,CPU等待IAP动作定时后,才继续执行程序,要先关断中断(EA)。还应注意数据写入Data Flash存储器,不能跨越扇区。18第六章 光控路灯控制器的设计目前很多城市路灯控制系统多数处于人工管理的状态，使路灯管理和维护成本加大。为此。提出一种新的路灯控制器方案，通过光敏电阻检测自然光强度和脉冲干扰平均滤波算法分析。自动切换路灯的开关状态。并通过无线传输技术将路灯的状况反馈到管理中心实现路灯的远程监控，有效降低了路灯管理和维护的费用。近年来，国家大
37、力提倡节能减耗，而传统的路灯控制方式多数是集中、定时控制其开关状态。其线路铺设、维护需要大量的人力和财力，同时对于路灯是否正常也只能通过人工方式进行检查这些对路灯的管理极为不便。也容易造成电能损耗，因此有必要对路灯控制系统进行改进。本文给出一种基于无线技术的光控路灯控制方案，实现路灯的全自动监控，大大减少路灯管理、维护的费用。同时降低电能损耗。无线技术的飞速发展在各个行业得到广泛应用。传统路灯的人工管理控制方式是通过有线将各个路灯连接至管理中心。这不方便管理和维护。路灯具有一些显著特点。彼此间距不能太远。否则不能起到照明作用，而相邻路灯同时照明，各个路灯所处位置亮度加大，本控制器正是利用该特点
38、进行设计。路灯的每个控制器通过光敏电阻检测其光强度通过滤波算法判断是否属于自然光变化规律，然后决定路灯开关状态切换；同时，各控制器通过算法自动识别自监控的路灯工作状态，判断其是否正常，通过控制器的无线传输功能将路灯的状况反馈到管理中心，管理中心也可将相应指令传送到指定位置的路灯，进行相关控制，实现管理中心远程、实时监测路灯并及时进行路灯的维修或更换。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用光电效应工作的电子元件。在光敏电阻两端的电极加上电压，其中便有电流通过，当受到适当波长的光线照射时，其电阻会随之减小，电流也随光强的增加而变大，从而实现光电转换；同时在光敏电阻能有效检测的光强范围内，其电流和光强基
39、本成线性关系21。路灯所处环境的光强度一般属于自然光变化范围，光照度为(01O0)lx，波长(04076)xlO-6m，而硫化镉光敏电阻能有效检测的光强范围在(0一looo)lx之间，波长在(008)xlO-6m，因此本控制器选用硫化镉光敏电阻作为光强度检测元件。不管是街道路灯，还是小区路灯相互间隔不会太远，由于路灯监控的特殊性，对于控制器的微小功耗可忽略，因此可以使用低功率的无线收发装置以接力棒方式进行路灯信息传递，将19路灯状况向管理中心报告，其工作原理如图12所示。显然如果某一处路灯损耗，可以由自身控制器或相邻路灯控制器检测出并报告管理中心。 图12 无线传输模式城市的各个小区或者街道，
40、其路灯本身就有位置标号，因此只需将附属于某一个路灯的控制器编号等同于路灯自身编号即可。由于路灯控制的特殊性，因此可以简化无线传输数据协议：目标地址，源地址，状态，校验。具体规定如下：目标地址数据传输的目的地址，如管理中心，2字节。源地址发送信息的控制器地址，2字节。状态表明路灯的状态和发送该类报告的次数，1字节。采用最高位d ，d ，d5来表示当前路灯和相邻路灯的状态，其中d 表示编号大的路灯状态，d表示当前路灯状态，d 表示编号小的路灯状态。如果某一位为1，表明该路灯处于关闭状态；反之，为开启状态。显然，如果相邻的路灯都正常，d， =000。其余的5个位用来表示该控制器向管理中心报告路灯相同
41、状况的次数，如果路灯状况发生改变，这5位自动清零，如果当d4d3d2d。do=l1111时，当前控制器没有收到管理中心相关指令，则停止发送数据到管理中心。校验此次传送数据的校验和。在无线传输过程中，如果某一个控制器多次收到相同源地址、相同状态和相同次数的数据，可以根据上述协议，直接丢弃重复数据，避免反复传送相同内容。 在单片机控制系统中，信号源本身、传感器、电源等。通常有各种脉冲干扰。路灯控制系统中容易出现瞬时性光照引入的干扰，干扰的时间长短不定，比如车辆、航船、飞机的灯光因为地形的因素可能使灯光较长时间照在测试点，这类干扰很容易引起控制器的误判。如果不采取相应的措施，势必影响控制器的准确性，
42、为此本控制器中引入了防脉冲干扰平均滤波算法。防脉冲干扰平均滤波算法融合了中值滤波和算术平均值滤波的优点，对于偶然出现的脉冲干扰有良好的抑制作用，其算法原理为对采集的n个数据进行比较，去掉其中的最大值和20最小值，然后计算余下的n一2个数据的算术平均值 。即：现以车灯干扰为例，在车由远到近再离开路灯所处路段的过程中，光敏电阻上的光照由弱变强再由强变弱，光强变化过程不同于自然光的平滑变化，这种干扰持续时间很少超过5rain。通过分析不难发现这类干扰源的特点是变化较快，时间较短，而且采集数据曲线成凸形，即中间点数据值最大。针对这特点，控制器选择了记忆比较的方式滤出这种干扰。方法如下：预先定义一个包含
43、3O元素的数组，用于存放每10s采集的数据，可以存放5min左右的数据。另外一个变量用来存放采样值超过或者低于设定值的次数。在路灯关闭期间，采集数据先与设定值作比较，看是否低于设定值，如果低于设定值则存储次数的单元加1；如果在此期间出现一次高于设定值，存放低于设定值次数的单元清零；如果连续29次低于设定值，路灯开启，计数单元清零；如果路灯处于开启状态，如果采集的光强度超过设定值，则存储超过次数的单元加1，若连续高于设定值29次，分析存储的29个光强数据；如果这29个数据中相邻元素的差值相等或相近，或者变化平滑性较好，符合自然光光强变化规律，则应关闭路灯；相反，继续保持路灯开启状态，同时将计数单
44、元清零。控制器设置开启路灯时光强门限值为40lx，关闭路灯光强门限值为501x在室外多次测量早晚自然光，控制器实际测量数据与光效验仪测试结果一致，测试结果如图13所示。图13 控制器实际测试结果从图13中可以看出，控制器切换路灯开关时间不是固定的，同时切换时光强度也不是固定值，原因是为避免控制器误操作，其滤波算法需要采集多个光强，按照前面的算法，通常在进行开关切换前，将有5rain左右的延迟；此外对于在不同气候条件下。自然光强度的21变化快慢也不同61。比如晴天。早晨自然光从弱到强的变化需要时间不长：若在阴天或雨天，这个过程比较缓慢，这些将导致控制器进行路灯开关切换时采集的光强各不相同，但不会
45、影响控制器准确切换路灯开关状态22结束语本文所设计的以PIC16F877为控制核心的智能太阳能路灯控制器，具有外围电路简单、可靠性高的特点，实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，采用了合理的蓄电池充放电策略，实现算法简单，既提高了太阳能电池板的使用效率，又延长了蓄电池的使用寿命，具有一定的参考和推广应用价值。此太阳能路灯控制器,可适用12V或24V工作的光伏系统,可以直接驱动直流节能灯或通过逆变器驱动无极灯等灯具作为照明光源使用,也可以驱动一些直流低压负载供城市亮化使用。控制器的两路负载输出,可以用于机动车道和人行道的照明,照明时间和工作模式可以灵活设置。着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效管理的
46、问题,既提高了太阳能电池板的使用效率,又延长了蓄电池的使用寿命,防止了工程上因线路问题而造成意外事件的发生。本文所设计的控制器已在江苏S238省道得到应用,具有设计可靠、成本低廉的特点,具有较大的实用价值。本文提出一种新的远程路灯控制方案，通过光敏电阻快速检测出各个路灯地段的光照强度，并结合脉冲干扰平均滤波算法排除外界环境的多种干扰。实现路灯开关控制的准确性，测试结果表明方案切实可行。同时控制器结合无线通信功能，为小区或者街道甚至一个城市的路灯远程监控带来方便，减少路灯检修时间，降低路灯维护费用，为路灯的全自动化管理起到积极的推动作用23参考文献：【1】姚凯学，孙为国路灯照明监控系统的设计与实现【JJ