基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计毕业论文 精品

2024年6月29日发(作者：楼盘开荒保洁一平方多少钱)

全日制普通本科生毕业设计

基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计

DESIGN OF ENERGY-SAVING SOLAR STREET

LIGHT USING LED BASED ON MCU

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年 月 日

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目 录

摘要： .................................................................. 1

关键词： ................................................................ 1

1前言 ................................................................... 1

1.1课题的选题背景与意义 ............................................. 2

1.2国内外的研究现状及发展方向 ....................................... 3

2研究的主要内容 ......................................................... 5

2.1本课题研究目标和总体设计 ......................................... 5

2.2系统组成 ......................................................... 6

2.2.1太阳能电池板 ................................................ 7

2.2.2太阳能控制器 ................................................ 9

2.2.3蓄电池的选择 ............................................... 10

2.2.4光源和应用 ................................................. 10

2.3工作原理 ........................................................ 11

2.4太阳能路灯需要解决的问题 ........................................ 11

3设计工作及研究方案 .................................................... 12

3.1太阳能路灯设计思路与要点 ........................................ 12

3.2硅太阳能电池特性和最大功率点跟踪的原理 .......................... 12

3.2太阳能电池的外特性 .............................................. 15

3.3蓄电池容量的计算方法 ............................................ 16

3.3.1确定蓄电池容量的主要因素 ................................... 16

3.3.2蓄电池的充、放电方法 ....................................... 16

3.3.3蓄电池容量的计算 ........................................... 17

3.4LED的特性和亮灭控制 ............................................. 18

3.5红外检测 ........................................................ 19

4硬件电路 .............................................................. 20

4.1信号采集电路 .................................................... 20

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4.1.1环境光检测电路 ............................................. 20

4.1.2红外检测电路 ............................................... 20

4.2硬时钟电路 ...................................................... 22

4.3充放电驱动电路 .................................................. 22

4.4MPPT技术的硬件电路支持 .......................................... 23

4.5LED驱动电路 ..................................................... 24

4.6系统供电电路 .................................................... 25

5软件设计 .............................................................. 26

5.1控制器选择 ...................................................... 26

5.2开发工具 ........................................................ 26

5.3总体程序流程图 .................................................. 27

5.4充电处理程序 .................................................... 28

5.5定时处理程序 .................................................... 29

5.5蓄电池剩余容量检测处理 .......................................... 30

6抗干扰设计 ............................................................ 30

6.1太阳能路灯抗风设计 .............................................. 31

6.2防雷和接地 ...................................................... 32

6.3信号采集的数字滤波 .............................................. 33

6.4看门狗技术 ...................................................... 33

7调试和结果 ............................................................ 33

7.1路灯系统的硬件调试 .............................................. 34

7.2路灯系统的软件调试 .............................................. 34

7.3太阳能路灯的系统调试 ............................................ 34

8结论 .................................................................. 35

参考文献 ............................................................... 37

致谢 ................................................................... 38

附录 ................................................................... 39

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基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计

学 生：

指导老师：

摘 要：

针对太阳能LED路灯控制系统的特点，介绍了研究太阳能LED路灯的意义、现状、

发展及技术要点，对整个路灯控制系统的设计流程进行了分析。提出设计思路，并在此基础上开发

了相应硬件装置和软件。利用MCS-51单片机进行各项工作的处理，包括信号的采集、数据的传输

及对控制对象的控制。利用按键实现功能的开启、关闭及切换。结合传感器监控道路行人的数量，

并从而控制路灯点亮的数量。通过蓄电池充放电控制实现太阳能到电能的转换及存储，非常环保。

设计并实现光线的自动检测，在天黑或光线昏暗的情况下自动开启路灯系统，天亮自动熄灭很大程

度的达到节能目的。最后总结概括本设计的优缺点和实用性，为后续研究提供了参考方向。

关键词：

太阳能；路灯控制；传感器；蓄电池

Design of Energy-saving Solar Street Light Using LED Based on MCU

Student:

Tutor:

Abstract:

According to the characteristics of solar LED street light control system, the article

introduces the research significance, solar LED street light’ status, development and main techniques, and

the design process of the solar LED street light control system is analyzed. The article presents the design

ideas, and develops corresponding hardware devices and software on that basis. Do each work with the

MCS-51 SCM, included the signal collection, the data transmission and the control of the controlled

objects; use key functions’ open, close and switch, combine the number of human on the street according

to sensors monitoring , and thus control the number of street lights that are lighted; and control the

conversion and storage through charging and discharging of the battery, that is very environment-friendly.

Design and realize automatic detection of light, it automatically opens lamp system in the daytime or

under badly-lighted circumstance, and automatically put out at day ,that saves energy to a great extent.

Finally, sum up the pros and cons of this design , and provide reference direction for sequential studies.

Key words:

solar energy；lamp control；sensors；battery；

1 前言

1

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1.1 课题的选题背景与意义

1.1.1 全球性能源危机及新能源的开发

随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机

也日益突出。目前，传统的燃料能源正在一天天减少，尤其是煤炭、石油、天然气三

大化石燃料更是有限。不合理地使用传统能源，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生

能源危机，在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为39.9

年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可采量已经是屈

指可数了。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终

将葬送现代市场经济。随着化石能源的减少其价格也会提高这将会严重制约生产的发

展和人民生活水平的提高。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严

重的是化石能源的开发利用和不加限制的消耗极大地污染了人类赖以生存的环境，诱

发温室效应、酸雨，引起疾病、农业减产等严重问题。同时全球还有20亿人得不到正

常的能源供应。因此，世界能源面临着巨大的危机。

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发

展的瓶颈。解决未来世纪的能源问题成为人类社会面临的头等大事。这个时候，全世

界的都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长

远的可持续发展。其中，水能、风能、潮汐能、生物能、地热能等都因为一定的条件

限制而只适于作补充能源，相对于人类对能源的巨大需求来说，只能解决局部的一些

问题。核能的发现和利用是本世纪的重大成就之一，现在已作为一种可以大规模和集

中利用的能源代替矿产能源，目前主要用于发电。但是核裂变能也存在一些问题，如

投资大，技术要求高，大量核废料难以处置，以及安全性较低等，以致目前不能广泛

应用。而丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的无污染、廉价、

人类能够自由利用的能源。太阳能，每秒钟到达地面的能量最高达80万千瓦，假如把

地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，

相当于目前世界上能耗的40倍。所以太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。

1.1.2 课题意义

随着中国经济的快速发展，对能源的需求日益扩大，能源短缺问题已经成为影响

中国经济快速发展的一个重要问题，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展

的能源战略决策。同时在国际光电市场巨大潜力的推动下，各国的观点制造也都争相

投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国目前作为世界能源消耗第二大国也不例外。

作为21世纪最有潜力的能源，太阳能的开发利用必将在21世纪得到长足的发展，

2

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并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。发展太阳能科

技可减少在发电过程中使用矿物燃料，从而减轻空气污染及全球暖化的问题。太阳能

产业根据其本身的特性和良好的政策环境，发展潜力巨大，具有较高的投资价值。

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开

沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广

泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、

道路、草坪的照明，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

明问题。

1.2 国内外的研究现状及发展方向

1.2.1 单片机

现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入到知识经济时代。在电

子世界领域，从20世纪中的无线电时代也进入到21世纪以计算机技术为中心的智能

化现代电子系统时代。现代电子系统的基本核心是嵌入式计算机系统(简称嵌入式系

统)，而单片机是最典型、最广泛、最普及的嵌入式系统。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机

系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机。单片机内部也用和电脑功能类似

的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，和计算机相

比，单片机只缺少了I/O设备。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开

发提供了便利条件。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大

阶段。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断

扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智

能化控制能力。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实

上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产

品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及

鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工

作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机

在同时工作。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机总和，甚至多过人类的数量。

1.2.2 太阳能技术研究的现状及发展

太阳能是一种巨大、久远、无尽且对环境无污染的能源。太阳能利用便是把太阳

3

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能收集起来转化为电能为生产、生活所用。作为太阳能利用的光伏电池起初是用在人

造地球卫星上，现在已开始转向地面应用。科学家们认为它将是人类未来能源科学发

展的方向之一。2004年世界光伏电池生产企业总产能达到1000MW以上。2005年全

球光伏市场增长34％，太阳能光伏总的装机容量达1460MW。欧、美、日占九成，其

中德国最多，达837MW，日本292MW，美国为185MW。2006年德国光伏市场的增

幅仍可达到35％。2006～2012年，欧洲太阳能光伏装机容量将达6000～7000MW，每

年均高于1500MW。

与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国还明显落后于发达国家。但是中国蕴藏

着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。并且我国光伏产业发展迅速，2005年中

国太阳能电池生产总量达到139MW，较2004年猛增了179%，2006年达到400MW，

从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1180MW。以3年产量增长

45倍，产能增长125倍而成为全球发展最快的国家。目前，我国太阳能产业规模已位

居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电

池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。

中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策保障；京

都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；西

部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略

的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用

产业的发展带来极大的机会。

在今后的十几年中，太阳能电池的市场走向将发生很大的改变，到2012年以前中

国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的

市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

在国家各部委立项支持下目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的光

伏组件效率达14~15%，一般商业化电池效率10~13%。目前中国太阳能光伏电池生产

成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33元/

瓦，再到2012年大约只要15元/瓦，但是太阳能电池大规模使用仍然受到经济上的限

制。然而，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光—电转换装置的

发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳

辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。

1.2.3 LED的研究和发展

LED是英文LightEmitting Diode的缩写,译为发光二极管,属于固态光源。LED的

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应用已有较悠久的历史，以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信

号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来,随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的

结晶成长工艺技术及纳米技术的进步，LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提

高，LED已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急

灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。

随着人们环保意识的增强，传统照明设备的高耗电性和废弃物污染等问题，已引

起各国政府的重视，纷纷投入大量的人力、物力研发新的环保光源。而有“绿色照明

光源’’之称的LED，由于其独有的节能、寿命长、免维护、易控制、环保等特点，已

成为各国积极发展的方向。据了解，国际上半导体照明产业近年来保持着40％ 的增长

速度，2008年全球发光二极管(LED)市场己达到56亿美元。日本于1998年在世界率

先实施“2l世纪照”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED

技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少二氧化碳的产生，并在2006

年完成了用白光发光二极管照明替代50％的传统照明。2003年，我国科技部发起了“国

家半导体照明工程”，旨在迎接新的照明革命，加速我国半导体照明技术和产业化发展。

我国台湾地区也设立了“次世纪照明光源开发计划"，大力发展半导体发光二极管产业，

该计划投资约6～10亿新台币，有14个企业、科研机构和大学参加。面对半导体照明

市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头一通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团也纷纷

与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在2012年以前，使半导体灯发光

效率再提高8倍，价格降低100倍。像GE公司的Geleore公司、ph订ips照明公司的

Lumileds Lighting公司、0sram公司的Osram光电公司，均投入巨资发展自身的半导体

照明产业，这些无疑将加速推进LED产业进入普通照明领域的进程，对半导体照明产

业发生巨大影响。

2 研究的主要内容

2.1 本课题研究目标和总体设计

就整个市场的调查来看，路灯管理部门的要求主要为:能够自动控制路灯的开关，

能评估系统内的路灯工作情况，给出系统维护的信息，包括亮灯率，电压，电流，开

关状态等。系统能够自动分析系统故障，给出故障相关信息。完善的控制功能，方便

的安装方式。高可靠性，符合21世纪环保节能的要求等等。根据任务书，本课题主要

要求设计并制作基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯系统。要求实现太阳能到电

能的转换，并根据道路行人的数量进行路灯亮度的调节，而达到节能的目的。在微处

理器单元，利用MCS-51系列单片机进行各项工作的处理，包括信号的采集和数据的

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传输以及对控制对象的控制。利用按键实现功能的开启及关闭，以及功能的切换。在

太阳能电源电路模块实现太阳能到电能的转换及存储。在道路监控单元，结合传感器

监控道路行人的数量，并从而控制路灯点亮的数量。设计并实现光线的自动检测，在

天黑或光线昏暗的情况下自动开启路灯系统。用Protel Dxp软件进行绘制电路图。利

用电路仿真软件proteus进行仿真设计与调试。根据提出的系统设计内容和目标，本文

给出整个系统的设计规划，并且对于系统的各个模块的实现进行元件选型。

系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。与照明负载配

合，考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。太阳能电池是太阳能照明系

统的输入，为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下，路灯熄灭，太

阳能电池将所接收的光能转换为电能，经充电电路对蓄电池充电；天黑后，太阳能电

池不再供电，充电器停止工作，转而进入蓄电池放电阶段，点亮路灯。蓄电池作为太

阳能照明系统的储能环节，白天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到照明负载。全天中控制器的电源一直由蓄电池供给。控制系

统以单片机为核心，来实现系统中太阳能电池工作状态的MPPT即最大功率点跟踪

（Maximum Power Point Tracking）、蓄电池容量检测和蓄电池充电精确控制以及集中化

的对区域内路灯故障的准确诊断和调试。从而实现太阳能照明系统在不同工作状态下

的稳定运行与准确切换的要求提高太阳能照明系统效率，延长蓄电池的寿命，并实现

人性化的集中远程管理。

图2.1 光伏发电系统

Fig.2.1 block of PV Systems

2.2 系统组成

6

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本课题研究的主要内容是基于单片机的节能型太阳能LED路灯的设计。太阳能路灯

主要由太阳能电池板(包括支架)、LED灯头、控制器、蓄电池组、灯杆及灯具外壳几

个部分组成。其中控制系统由单片机及逻辑电路实现。各地应根据本地照明要求和气

候条件进行太阳能路灯设计。

图2.2 系统结构图

Fig.2.2 the Structure of System

2.2.1 太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能力转化为电能，或送至蓄电池中存储起来。较实用的有单晶

硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池等三种。本课题主要研究的也是硅太阳能电池。单晶

硅太阳能电池性能参数比较稳定，适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方

地区使用；多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在太阳光充

足、日照好的东西部地区使用；非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合

在室外阳光不足的地区使用。

太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。太

阳能电池的单位面积输出功率约127Wp/m

2

。太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串

联组成，其容量取决于照明光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射

能量。太阳能电池组输出功率宜为光源功率的3~5倍以上:光照丰富、开灯时短地区为

3~4倍以上，反之为4~5倍以上。太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即:

欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m

2

，大气质量AM1.5，电池温度25℃

条件下，太阳能电池的输出功率。

不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。所谓标准

条件，接近平时晴天中午前后的太阳光照条件。表2.1即为我国不同地区太阳光照条

件对比，表2.2为年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表。

表2.1 我国不同地区太阳光照条件

7

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Table 2.1 Solar illumination conditions in different regions of China

区域划分 丰富地区 比较丰富地区 可以利用地区 贫乏地区

年总辐射量 ≥580 500～580 420～500 ≤420

千焦/厘米

2

.年 不宜用太阳能

地域 内蒙西部、甘 新疆北部、东北、 东北北端、内蒙呼 重庆、四川、

肃西部、新疆、 内蒙东部、华北、 盟、长江下游、福 贵州、广西、

南部、青藏高 陕北、宁夏、甘 建、广州、广西、 江西部分地

原 肃部分、青藏高 贵州部分、云南、 区

原东侧、海南、 河南、陕西

台湾

连续阴雨天 2 3 7 5

表2.2 年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表

Table 2.2 The total radiation and daily average peak sunshine hours of the corresponding table

年总辐射量(千焦/厘米

2

.年) 420 460 500 540 580 620 660 700 740

平均峰值日照时数（h） 3.19 3.50 3.82 4.14 4.46 4.78 5.10 5.42 5.72

路灯杆一般在5m以上，重心较高，大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设

备的抗风力，一般选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。即在实际运行中，按

照所需要的功率等级和电压等级可以将若干单个光伏电池串并联组成光伏阵列。

表2.3 我国主要城市年平均日照时间及最佳安装转角

Table2.3 State average sunshine time of major cities and the best installation angle

城 市 纬度 最佳倾角 年平均日照时间 城市 纬度 最佳倾角 年平均日照时间

Φ (°) (h) Φ (°) (h)

哈尔滨 45.68 Φ+3 4.4 杭州 30.23 Φ+3 3.42

长春 43.90 Φ+1 4.8 南昌 28.67 Φ+2 3.81

沈阳 42.77 Φ+1 4.6 福州 26.08 Φ+4 3.46

北京 39.8 Φ+4 5 济南 36.68 Φ+6 4.44

天津 39.10 Φ+5 4.65 郑州 34.72 Φ+7 4.04

呼和 40.78 Φ+3 5.6 武汉 30.63 Φ+7 3.80

太原 37.78 Φ+5 4.8 长沙 28.20 Φ+6 3.22

乌鲁 43.78 Φ+12 4.6 广州 23.12 Φ-7 3.52

木齐

8

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续表1

城 市 纬度 最佳倾角 年平均日照时间 城市 纬度 最佳倾角 年平均日照时间

Φ (°) (h) Φ (°) (h)

西宁 36.75 Φ+1 5.5 海口 20.03 Φ+12 3.75

兰州 36.05 Φ+8 4.4 南宁 22.82 Φ+5 3.54

银川 38.48 Φ+2 5.5 成都 30.67 Φ+2 2.87

西安 34.30 Φ+14 3.6 贵阳 26.58 Φ+8 2.84

上海 31.17 Φ+3 3.8 昆明 25.02 Φ-8 4.26

南京 32.00 Φ+5 3.94 拉萨 29.70 Φ-8 6.7

合肥 31.85 Φ+9 3.69

2.2.2 太阳能控制器

无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长

蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充

电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应

兼有路灯控制功能，具有光控、时空、温控等功能选择，具有调光功能，并应具有夜

间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。

要给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，否则输出电流就

会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）

大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，在于当

天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，

太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的

变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影

响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车

的档位被固定设置在1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。而

MPPT控制器是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合

理的效率水平运行。即MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥

出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率点跟踪，就可以输出更多的电量，

从而提高充电效率。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发

电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。理论上讲，

使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际

9

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测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%~30%。从这个

意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器。

2.2.3 蓄电池的选择

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才

能工作。蓄电池在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到夜晚需要照明

的时候再释放出来。（1）类型选择。其类型一般有铅酸蓄电池（适于低温高倍率放电，

比能量偏低，目前大部分太阳能路灯采用，密封免维护，价格低。注意防止铅酸污染，

应逐步淘汰）Ni-H蓄电池（放电倍率高、低温性能好，循环寿命长，小型系统采用。

注意防止福污染）Ni-Cd蓄电池（高倍率放电，低温性能好，价格便宜，无污染，为绿

色环保电池。小型系统采用，要大力提倡）目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普

通铅酸蓄电池和碱性镍铭蓄电池三种。在此次设计中采用铅酸蓄电池。(2）容量选择。

蓄电池容量过小，不能满足夜晚照明的需要；容量过大，蓄电池始终处在亏电状态，

影响蓄电池寿命，也造成浪费。蓄电池容量(Ah)与负载容量(Ah)之比宜在3~6倍以上：

连续阴雨天数较少地区约为3~4倍以上，连续阴雨天数较多地区约为5~6倍以上。（3）

蓄电池联结。并联连接时，要考虑各单体电池间的不平衡影响。并联组数不宜超过4

组。注意蓄电池防盗。

太阳能用蓄电池的几点特殊要求(1)额定容量。现有固定型VRLA电池，机械、邮

电、电力等行业的标准为10小时率容量。JB／T9653-1999《储能用铅酸蓄电池》标准

规定的30小时率容量，主要是针对干荷电铅酸蓄电池而言。对于固定型VRLA电池，

最好采用20小时率或24小时率，以满足每天使用5H、能承受3天无太阳或无风时的

日常供电。(2)低温放电和充电的性能。(3)充电效率和深放电后的恢复性能。由于

VRLA蓄电池在运行中处于不完全充电状态，有时还存在深放电后的静置，所以蓄电

池的充电效率和深放电后的恢复性能是很重要的指标。(4)使用寿命。12V系列在5年

左右，2V系列在8年左右。(5)可在海拔5000m以上的地方使用。(6)蓄电池组内各单

体电池的一致性。单体电池的一致性不仅包括电池的开路电压、初期容量，而且还包

括电池的内阻、自放电以及A·h充电效率等方面。这就要求从铸板工序开始到各项检

测都必须控制在较小公差范围内。采用机械铸板、涂板、极板定量称重和定量灌酸灌

胶等工序是电池均一性的基本保障。

2.2.4 光源和应用

太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能

灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。

10

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光源与太阳能系统有两种形式:一种是配太阳能独立供电的HID灯电子镇流器(或

称触发器，下同。):直接由蓄电池供电，实际上是DC/AC高频变换器。因此，太阳能

路灯照明系统一般无需另加DC/AC逆变器，减少了电路损耗。此形式适合新建太阳能

路灯工程。另一种是配传统HID灯电子镇流器:接于AC220市电电源，其电子镇流器

本质上是AC/DC/AC高频变换器。如与太阳能系统连接，需在蓄电池与HID灯电子镇

流器间增加DC/AC小功率逆变器。此形式适合路灯改造。具体的应用:太阳能LED灯、

HID灯、无极灯路灯功率多在70W以下，个别在100W以上，一般用在支路和人行道

照明。小功率太阳能LED灯、节能灯用在草坪、景观照明。

几种照明光源的性能指标：（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000

小时，电压低灯管发黑，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（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。

（3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电

条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能

灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、项位、电压

都是不能和普通市电相比的）。（4）LED：LED灯光源，寿命长，可达1 000 000小时，

工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。随着技术进步，

LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。所以，

综上所述，本路灯设计方案选择LED灯光源。

2.3 工作原理

系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天电池板接收太

阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降

低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值

后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电

结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

2.4 太阳能路灯需要解决的问题

太阳能路灯还有以下问题善待提高：(1)提高太阳能电池转换率。单晶硅太阳能电

池的转换率只有17%左右(多晶硅约13%，非晶硅10%以下)，而控制器、蓄电池、逆

变器等的效率均远高于此。太阳能电池的转换率低，限制了路灯功率，使太阳能路灯

不宜用在主干道照明。（2）降低太阳能电池价格减低太阳能电池价格，是推广太阳能

路灯的途径之一。（3）提商蓄电池寿命太阳能电池的使用寿命25年以上，普通蓄电池

的使用寿命在2~3年，蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。蓄电池短寿命，使

11

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太阳能路灯运行费用增大，限制了太阳能路灯广泛应用。（4）提高系统环保由于价格

和技术等因素，目前太阳能路灯普遥采用免维护铅酸蓄电池。提高无铅污染的蓄电池

利用率是一项艰巨任务。（5）规范产品标准和提高产品质量 制定太阳能产品质量标准

和检侧系统，形成产品系列，提高产品质量。（6）光伏照明设计和产品系列化要使各

地区太阳能路灯、草坪灯等设计和产品规格化，系列化，省去复杂的计算和选型。（7）

制定太阳能路灯设计标准。太阳能路灯设计是新生事物，太阳能电池选择、蓄电池选

择、抗风计算等应尽快制定标准，以利提高太阳能路灯设计水平，促进太阳能照明发

展。（8）防盗。进一步完善蓄电池等防盗措施。

3 设计工作及研究方案

3.1 太阳能路灯设计思路与要点

太阳能光伏发电系统的基本原理相同，因而太阳能路灯的设计思路也可依据一般

的太阳能发电系统，先确定太阳电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能

路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。

下面举例说明太阳能路灯设计要点。

例如：需要在某市安装一批太阳能路灯，光源功率为30W，要求路灯每天工作8

小时，保证连续7个阴雨天能正常工作。当地东经114度，北纬23度，年平均水平日

太阳辐射为3.82KW.h/m

2

,年平均月气温为20.5度，两个连续的阴雨天间间隔时长25

天。

根据以上资料，计算出光伏组件倾斜角26度，标准峰值时数约3.9小时。

（1）负载日耗电量：Q=W×H/U=30×8/12=20Ah式中U为系统蓄电池标称电压。

（2）满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流：I1=Q×1.05/h/0.85/0.9=7.04A

式中1.05为太阳能充电综合损失系数，蓄电池充电效率、控制器效率。

（3）蓄电池容量的确定满足连续10个阴雨天正常工作的电池容量C：C=Q×（d+1）

/0.75×1.1=20×8/0.75×1.1=235Ah ，取240Ah。式中0.75为蓄电池放电深度，1.1为蓄电

池安全系数。选取2节12V120Ah的电池组成电池组。

（4）连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流I2。

I2=C×0.75/h/D=240×0.75/3.9/25=1.85A式中0.75为蓄电池放电深度。

（5）太阳电池组件的功率为（I1+I2）×18=（1.85+7.04）×18=160Wp。式中18为

太阳电池组件工作电压。选取2块峰值功率为80Wp的太阳能电池组件。

3.2 硅太阳能电池特性和最大功率点跟踪的原理

12

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根据光伏太阳电池板的内部结构和输出伏安特性得到光伏方阵的等效电路如图

3.1所示,它由一个受光强和温度影响的电流源并联上一个二极管、一个结电容，再串

联一个电阻组成。

图 3.1 太阳电池的等效电路

Figure 3.1 equivalent circuit of solar cell

大多数光伏系统的时间常数相比微不足道，因此结电容Cj在光伏能阵列的理论分

析中加以忽略。对图中电压、电流方向，得出光伏阵列的特性方程为:

I =

I

LG

I

OS



exp



q/AKT



VIR

S





1







VIR

S



/R

sh

式中：

I

OS

I

ot



T/T

t



exp





qE

o

/BK



1/T

t

1/T





3

I

LG





I

SCR

K

1



T25







/100

q----电子电荷电量 R

sh

----并联等效电阻

K----波耳兹曼常数 T----电池单元的温度（℃)

λ----日照强度(W/m

2

) I

OS

----电池单元的反向饱和电流

I

LG

----光照产生的电流 I

o

τ----Tτ下的电池单元饱和电流

B=A=1.92 理想系数 I、V----电池单元的输出电流、电压

Tτ=301.8K----参考温度 K1＝0.0017A/℃，ISCR下的短路电流温度系数

ISCR ----25℃和1000 W/m

2

条件下的短路电流

从图3.2可以看出，太阳电池阵列既非恒压源也非恒流源,而是一种非线性直流电

源，电池输出电流在大部分工作电压范围内相当恒定,最终在一个足够高的电压之后电

流迅速下降至零。观察虚线电池输出功率曲线，可见在电流迅速下降的拐点处，存在P

的最大值，太阳能电池的工作点是否落在最大功率点上直接影响了对太阳能电池的利

用率。

图3.3中两图分别是太阳能光伏阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电

13

其中：E∞----硅的带宽 R

s

----串联等效电阻

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图 3.2 太阳电池的输出电压电流曲线

Figure 3.2 the I

out

-U

out

curve of the solar cell

电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图可知，太阳能光伏阵列的输出短路电流

(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说，虽然日照的变

化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果——最大输

出功率来说，变化显著，如图3.3中虚线与各实线的交点所示。

图 3.3 不同光照下太阳电池的输出电压电流曲线

Figure 3.3 the I

out

-U

out

curve of the solar cell under different sunlight

因此,为了提高本系统的工作效率，必须尽可能地使太阳电池在MPPT处工作，这

样就可以用功率尽可能小的太阳电池获得最大的功率输出，这就是进行最大功率点跟

踪的意义所在。如何基于单片机实现MPPT，是本课题研究的重要内容之一。本课题

采用的是遍历式的MPPT算法，每隔指定时间（系统默认为5分钟），单片机控制其

PWM（Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制）输出信号的占空比从10%到90%变

化一遍，同时采样不同占空比下的光伏电池输出功率，取出最大值，让系统在相应的

14

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占空比下运行指定时间，如此往复。这一算法是建立在天气等外部条件在短时间内不

会发生较大变化的假设之上的，系统能够比较准确的捕捉到MPPT。

3.2 太阳能电池的外特性

光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对

电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还同时存在。

3.2.1 光谱响应

分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定义是，当各种波

长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电

流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。而绝对光谱响应指的

是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不同的短路

电流。对于不同波长的入射太阳光之不同波长光分量，硅型光伏电池有不同的灵敏度，

能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围一般在0.4~1.2µm左右的范围内，不论是

波长小于0.4µm太阳光分量辐射，还是波长大于1.2µm的太阳光分量辐射，都不能使

硅型光伏电池产生光生电流，而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度在0.8~0.95µm之间。

3.2.2 温度特性和光照特性

温度的变化会显著改变太阳能电池的输出性能。由半导体物理理论可知，载流子

的扩散系数随温度的升高而稍有增大，因此，光生电流也随温度的升高有所增加。但

光伏电池输出的负载电流随温度的升高是指数增加，因而开路电压随温度的升高急剧

下降。光电转换效率随温度的增加而下降。当光照强度改变时，对光伏电池板的开路

电压并不会有太大的影响，但对其所能提供的电流值有着相当大的变化。日照强度增

加时短路电流增加，最大功率点有所升高。所以日照强度的强弱是影响光伏电池板输

出功率大小的重要因素。研究和实验表明，太阳能电池工作温度的升高会引起短路电

流的少量增加，并引起开路电压发生严重降低。温度变化对于开路电压的影响之所以

大，是因为开路电压直接同制造电池的半导体材料的禁带宽度有关，而禁带宽度会随

温度的变化而发生变化。对于硅材料，开路电压变化率约为-2mV／℃。也就是说，电

池的工作温度每升高1℃，开路电压约下降2mV，约是正常室温时的0.55V的0.4％。

随着温度的升高，电池的光电转换效率会下降。实验测得，开路电压随光照强度的升

高呈对数比例增加，短路电流和输出功率均与光照强度成正比。

3.2.3 负载特性

对于同一负载，在不同的入射光照下，输出可以是恒流的，也可以是恒压的。而

在同一光照强度下，改变负载大小，也可使输出改成恒流形式或恒压形式。对于负载

15

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的变化，可通过光伏发电控制系统来完成。光伏电池的输出电压和输出电流都和负载

电阻大小有关。只有在负载匹配的情况下才能获得最大的输出功率，这时的光电转换

效率也最高。

3.3 蓄电池容量的计算方法

3.3.1 确定蓄电池容量的主要因素

蓄电池容量主要由以下因素确定：(1)蓄电池单独工作的天数。在特殊气候条件下，

蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的20％。(2)蓄电池每天的放电容

量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占

额定容量的80％。(3)蓄电池要有足够的容量来保证不会由于过充电所造成的失水。一

般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能电池峰值电流的25倍，则蓄电池在

充电时就不会造成失水。(4)蓄电池的自放电。随着电池使用时间的增长及电池温度的

升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的5％，但对于旧的、质

量不好的电池，自放电率可增至每月10％~15％。在水情遥测光伏系统中，连续阴雨天

的长短决定蓄电池的容量。由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量的安时数加上20％

的因数，再加上10％电池自放电安时数，便可计算出蓄电池所需额定容量。

3.3.2 蓄电池的充、放电方法

目前，在大多数太阳能光伏系统中采用的都是阀控式密封铅酸蓄电池。蓄电池是

影响太阳能路灯系统寿命的关键因素，对阀控式密封铅酸蓄电池充放电的控制直接影

响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。在大多数的光伏发电系

统中，都是由CPU来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采用分阶段法来优化充电

过程。因为分阶段充电过程符合阀控式密封铅酸蓄电池的特性，能很好地保护蓄电池，

延长其使用寿命。典型的阀控式密封铅酸蓄电池的充电过程包含了4个阶段，如图3.4

所示。每个阶段以恒电流或恒电压充电，依赖于电流、电压的设定值Ebl、Ibl、Eb2、

Ib2。第一阶段以Ibl恒流充电，当电压达到Ebl时转入第二阶段。第二阶段以恒电压

充电，随着蓄电池端电压的升高，电流会逐渐减小，当充电电流达到Ib2时，转入第

三阶段。第三阶段以恒流充电，这时蓄电池电压进一步提高，当电压达到Eb2时则转

入第四阶段。第四阶段以Eb2恒压充电，这时充电电流进一步减小，当达到规定的安

时数时则停止充电。

除了以上介绍的分阶段充电法外，目前使用的另外一种重要的蓄电池充电方式就

是脉冲式充电，利用脉冲式充电不仅充电效率高，而且还能够实现快速充电。脉冲快

速充电法的理论依据就是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短

16

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图3.4 蓄电池充电过程曲线

Figure 3.4 battery charging curve

时间的停充电，使参加反应的Pb

+

离子来得及生成并提高其浓度，又使生成的H

+

和S0

4

-

离子来得及从电极表面附近移开，其综合效果是降低了浓差极化，允许加大充电电流

缩短充电时间。脉冲式充电曲线如图3.5所示，基于脉冲式充电的特点，本文所设计的

系统中就是使用的脉冲式充电方式对蓄电池充电。

图3.5 蓄电池充电过程曲线

Figure 3.5 pulse charge curves

3.3.3 蓄电池容量的计算

光伏系统用蓄电池的容量的计算，必须考虑太阳能电池方阵功率、直流和交流负

载容量等因素，一般计算公式为：Cˊ=(D×F×P

o

)/(L×U×K

a

)。

式中：Cˊ——蓄电池容量，kW·h；

D——最长无日照期间用电时数，h；

F——蓄电池放电效率的修正系数， (通常为1.05)

P

o

——平均负荷容量，kW；

L——蓄电池的维修保养率，(通常取0.8)I卜蓄电池的放电深度(通常取0.5)

17

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Ka——包括逆变器等交流回路的损耗率(通常为0.7~0.8)

上式可简化为：Cˊ= 3.75×D×P

o

。

这就是根据平均负荷容量和最长连续无日照时的用电时数算出的蓄电池容量的简

便公式。由于蓄电池容量一般以安时数表示，故蓄电池容量应该为：C = 1000×（Cˊ/V）。

式中：C——蓄电池容量，A·h

V——光伏系统的电压等级(12V或24V)

3.4 LED的特性和亮灭控制

3.4.1 LED的特性

高亮度 LED 一般的导通电压在3.0～4.3V，其电流-电压关系为：

I

F

I

S

e

V

F

/KT

1

式中，I

S

为饱和导通电流；V

F

为正向电压；I

F

为正向电流。

LED 的电气特性因制造工艺的不同有较大差距，就是同一批产品差距也很大，同

一正向电压下LED 的导通电流有很大的偏差。因此如果采用并联驱动白光LED，需

要在每个LED串联一个镇流电阻，避免电流出现差异，但是这些电阻浪费了功率降低

了效率，因此为了确保流过每个白光LED电流相同，需要采用串联模式。同时，LED

的使用寿命受工作温度的影响，LED 额定亮度随着工作时间下降，并且工作温度越高，

使用寿命越短。

3.4.2 路灯的点亮与熄灭

方案一：分时段控制节能LED灯。虑到照明的需求以及蓄电池存储的能量多少，

采取分段控制。通过对LED灯的调明控制不仅可以节省功率消耗从而减小设备一次性

投入。而且延长LED照明时间从而可以调配蓄电池能量使得系统运行更加经济，有效。

（1)白天：系统处于充电状态，LED灯熄灭。（2)黄昏：通过检测太阳能电池板电压，

判断太阳能光线强弱，当太阳能电池电压降低小于蓄电池电压时，表明无法满足充电

要求，此时切断充电回路，静置蓄电池l0分钟，然后蓄电池空载电压利用开路电压预

测公式

SOC



V

bat

1.95



/0.15

预测蓄电池剩余容量SOC。（3)进入夜晚：当第一次进入

放电控制，根据预测的蓄电池容量设置参数Case大小。（4)夜晚12点以前：为了满足

照明需求，此时设计此时LED满功率工作。（5）凌晨2点以前：考虑行人及车辆活动

的减少，此时兼顾蓄电池的存储能量，使得LED减小到额定功率的(60—case)％。（6）

凌晨2点以后：由于此时车辆和行人基本很少，此时可以进一步减小LED的发光亮度，

使LED减小到额定功率的(50—case)％。

方案二：声光控LED路灯延时设计。该方案主要工作方法是由声控和光控传感器

18



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来感应周围环境的变化，而做出相关的动作，从而控制照明灯的开关。白天当光线照

射到光敏电阻上时，其通过感应使电路封锁声音通道，使声音脉冲不能通过，则灯泡

不受声音控制，即声控传感器暂时失去作用，灯泡不亮。夜间或光线较暗时，光敏电

阻因无光照呈低阻，经感应使声音通道开通，当有人走动或有人谈话时，通过声控传

感器的感应，使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。由声光两

种信号控制灯的亮与灭，起到节约用电的作用。

在实际应用中，可以对比多种方案，综合考虑。本课题主要采用定时控制LED路

灯的点亮与熄灭和红外对管检测行人数目控制灯亮数目。

3.5 红外检测

当一个物体本身具有不同于周围环境的温度时，不论物体的温度高于环境温度，

还是低于环境温度；也不论物体的高温来自外部热量的注入，还是由于在其内部产生

的热量造成，都会在该物体内部产生热量的流动。热流在物体内部扩散和传递的路径

中，将会由于材料或投射的热物理性质不同，或受阻堆积，或通畅无阻传递，最终会

在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”，这种由里及表出现的温差现象，就是红外

检测的基本原理。 红外检测器分为热电检测器和光检测器两类。热电检测器是将红外

的辐射热能转化为电能，从而检测电信号来测量红外线的强弱。光检测器则是利用红

外线的热能使得检测器的温度发生改变，从而导电性发生变化，此时通过测量电阻来

衡量红外信号的强弱。

本课题选择红外对管检测人数。可设置人流量计数器，计数装置就是以热释电红

外传感器作为检测元件，以5l单片机作为控制核心。它利用红外光敏感器件将活动生

物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大,处理，对被监控的对象实施

控制。计量进与出的人数，设既进人加1，出人－1。将红外探头水平前后安装于道路

边上，设为路口方向向内分别为“A”“B”探头，单片机分别检测两探头状态（可以

中断检测），假设两探头感应到人时输出为“1”，判断探头“A”先检测到人，就是进

去，计数加一，“B”先检测到人，计数减一。但是该方案有一定局限性：当同时通过

的人数不止一个就可能难以检测人数到底是多少。如果路口足够宽，可以让两个人一

起进，那用红外无法检测具体人数除非一个一个进，称重相结合，或许可以解决这个

问题：第一对红外管检测是否有人进，但进一个或两个不知道；第二对红外管检测是

否有人出，但出一个或两个不知道；两对管中间是称重区域，即可以判断是进了一个

还是两个人，同时可以判断是出了一个还是两个人。至于多人同时过路的问题，确实

是今后值得继续讨论和研究的。

19

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4 硬件电路

本文设计的太阳能LED路灯的硬件电路由51单片机控制系统、光电隔离、开关信

号输入输出电路、硬时钟电路、红外检测电路、外围电路等组成，如图4.1所示。

图4.1 硬件模块组成结构

Figure 4.1 hardware module structure

4.1 信号采集电路

街道中的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此街道中的环境光和

人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二

极管和光敏三极管，这里选用光敏二极管。在人体检测方面，采用红外对管检测。

4.1.1 环境光检测电路

光电传感器是一种能够将光转换成电量的传感器。采用的光敏二极管管芯是一个

具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。光敏二极管可

以利用光照强弱来改变电路中的电流。无光照时,有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，

此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随

入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，

使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。环境光

检测电路如图4.2所示。

4.1.2 红外检测电路

自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长

的红外线，利用红外对射可对其进行检测。红外对射全名叫“光束遮断式感应器”

(Photoelectric Beam Detector)，其基本的构造包括瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、

LED指示灯等。其侦测原理乃是利用红外线经LED红外光发射二极管发射,由接收头接

受。当光线被遮断时就会产生反应。红外线是一种不可见光，而且会扩散，投射出去

会形成圆锥体光束。红外光是脉动式红外光束，对射无法传输很远距离。红外对射探

头要选择合适的响应时间：太短容易引起不必要的干扰，太长会发生漏报。有人进入

20

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图4.2 环境光检测电路

Figure 4.2 environment light detection circuit

时，遮断不可见的红外线光束而引起系统反应，点亮路灯。红外发射电路如图4.3所示。

图4.3 红外发射电路

Figure4.3 infrared emission circuit

红外发射由单片机内部的定时计数器产生38kHZ的信号经过三极管放大信号再由

红外发射管发出信号，最后由红外一体接收头接收信号。红外接收电路如图4.4所示。

红外一体接收头接收信号，并由OUT发出信号给单片机。当红外探头接收到信号

时，由OUT输出低电平，无信号不接收输高电平。

21

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图4.4 红外接收电路

Figure 4.4 infrared receiving circuit

4.2 硬时钟电路

测控单元时间若采用软件计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方

面又需要设置中断、查询等，同样会耗费硬件资源，因而外部扩展时钟可以很好地解

决硬件资源有限的问题。本课题设计的时钟电路如图4.5所示。

图4.5 时钟电路

Figure 4.5 the clock circuit

太阳能LED路灯控制系统的微控制器一方面通过环境光采集模块自动提供天黑、

天亮的时间点，而采用时钟电路能为系统提供更重要的开／关灯的依据，可以根据时

钟电路确定现在的准确时间，确定春、夏、秋、冬四个季节，使控制器能根据季节的

变化来确定每天开、关灯的时间，调整路灯的工作时间。

4.3 充放电驱动电路

本系统所设计的太阳能路灯微机监控系统中的充电驱动电路如图4.6所示。

充电控制电路采用单路旁路型充电控制形式，即MOSFET管VT

1

串联在太阳能电

池阵列的输出端，通过VT

1

进行脉宽的调制，实现对蓄电池的充电管理及保护。图中

Vin

+

和Vin

-

连接在太阳能电池阵列的输出端，VB和GND连接铅酸蓄电池正负两极。

V

1

为“防反充二极管"，只有当太阳能电池阵列输出电压高于蓄电池当前电压时，V

1

22

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图4.6 系统充电驱动电路设计示意图

Figure 4.6 charging circuit design system

才能导通，反之V

1

截止，从而保证夜晚或阴雨天时不会出现蓄电池向太阳能电池阵列

反向放电的现象。

4.4 MPPT技术的硬件电路支持

用DC-DC变换器可以实现最大功率点的跟踪。DC-DC变换电路(也称为斩波电路

或斩波器)是接在光伏阵列和负载之间，通过控制电压将不控的直流输入变为可控的直

流输出的一种变换电路。它被广泛应用于直流开关电源、逆变系统、通信领域、地铁、

无轨电车等直流电动机的驱动设备中。为了提高电池的光电转换效率，使光伏电池始

终保持最大功率输出，就要进行最大功率跟踪(M光伏PPT)。本文采用BUCK电路来

实现最大功率跟踪，其电路组成如图4.7。

BUCK电路中开关管导通的占空比的改变，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发

生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一

个输出电压值和输出电流值。而MPPT技术即是通过调节BUCK电路的占空比而改变

光伏阵列的输出阻抗，从而寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由

BUCK 电路实现MPPT技术时，光伏阵列的输出电压高于蓄电池的端电压时，才能实

现较好的调节。当光伏阵列的输出电压低于蓄电池端电压时，BUCK电路的控制失去

作用。

23

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图4.7 BUCK电路

Figure 4.7 BUCK circuit

4.5 LED驱动电路

PWM即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称脉宽调制，是一种对模拟

信号电平进行数字编码的方法。电流控制PWM的基本思想是把希望输出的电流波形

作为指令信号,把实际的电流波形作为反馈信号,通过两者瞬时值的比较来决定各开关

器件的通断,使实际输出随指令信号的改变而改变。样控制理论中有一个重要结论:冲

量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技

术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到

一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变

输出频率。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数

模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1

改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗

能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM

用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，

通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。总之，

PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用

的有效技术。

太阳能路灯由多个LED灯串联而成，亮度通过PWM方式可调，即通过EN端改

变流经LED的电流，从而调节LED灯亮度，电流强度可以从几毫安到l安培，最终使

LED灯达到预期的亮度。PWM信号可由微控制器产生，也可由其它脉冲信号产生，

PWM信号可使通过LED灯的电流从0变到额定电流，即可使LED灯从暗变为正常亮

24

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度。PWM占空比越小(高电平时间长)，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非

常方便和灵活，是最常用的调光方法，PWM的频率可从几十Hz到几千KHz。PWM调

光是通过控制MOSFET晶体管实现的。由于本系统路灯单元采用的电压是由几个蓄电

池串联产生的，所以选用MOSFET晶体管时，首先要考虑MOSFET的耐压，本系统

要求MOSFET的耐压要高于40V；其次，根据驱动LED灯电流的大小，选择MOSFET

的IDS的最大电流。在直流供电情况下，首先考虑的是IDS最大电流值和RDS值。一

般情况下，应选用MOSFET的IDS最大电流是LED灯驱动电流的5倍以上； 另外还

要选择MOSFET的内阻要小；LED驱动电流越大，RDS应越小，RDS越小，变换效

率越高。

白光LED的电学特性是：当外加电压大于阀值电压，发光二极管导通，电压略有

提高，流过发光二极管的电流就上升很快，而发光二极管的发光强度随着电流的上升

接近线性增加。可长期超过额定电流工作，容易使LED的半导体芯片烧坏，因此严格

控制流经LED电流的大小显得尤为重要。LED普遍使用的驱动方式是基于电阻的驱动，

但这种方式不能解决由于LED的属性不同、供电电压波动引起的光发射不一致的问题，

不能提供稳定的电流，而且能量损耗也很大，不利于LED的散热，能量利用率低，不

能实现节能的目的。使用脉冲宽度调制(PWM)驱动电路不仅能克服因电源电压不稳带

来的影响，而且可以减小电路损耗，因此本系统采用电流模式PWM控制技术，通过

对输出脉冲占空比的控制，自动限流，实现过流保护，达到改善系统瞬间响应，实现

良好调光性能的目的。LED驱动电路设计如图4.8所示。

图4.8 L即驱动电路设计示意图

Figure 4.8 L is driven circuit design schemes

设计中采用EXB841的使能脚实现调光和开路保护。为了调光，一个定频变占空

比信号可以加到E脚，负载电流与占空比有直接线性关系。如果占空比是50％，可以

实现最大50％的灯输出；同样如果占空比是30％，可以实现最大70％的灯输出。软件

设计中要选择足够高的调光频率，避免灯光闪烁或strobe light效果，可以采用几kHZ

以上的信号。EXB841的保护作用是通过二极管检测MOSFET发射极的电压降并进行

控制实现的。

4.6 系统供电电路

系统供电电路为桥式整流电路，提供+5V电压。要取得+5V电压，若选用12V的

变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度较高。故不选

25

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用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为9V的变压器。系统接通22OV交流

电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流和个电解电容C5、C7滤波，

再经一只正输出稳压模块LM7805，为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用

了这两个电容C6、C8，最后得到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统

及其它外围电路的Vcc+端供电。电路如图4.9所示。

图4.9 桥式整流电路

Figure 4.9 bridge rectifier circuit

5 软件设计

5.1 控制器选择

Intel的51系列单片机是应用最广泛的八位单片机。单片机选用51系列的

AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash

Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，

俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失

存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功

能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制

器。AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机外形及引脚排列如图5.1所示。

AT89C51单片机的主要特性：与MCS-51兼容，4K字节可编程闪烁存储器，寿命

为1000写/擦循环，数据保留时间为10年，全静态工作为0Hz-24MHz，三级程序存储

器锁定，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断

源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。

5.2 开发工具

程序设计语言使用汇编语言，编译和开发工具使用Keil Uvision2集成开发环境。

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图5.1 AT89C51引脚结构配置图

Figure.5.1 pin structure configuration map ofAT89C51

采用PROTEL DXP2004设计原理图和布线图。在模拟环境中使用TKS-936仿真器配合

其他外围设备实现现场仿真，并进行系统的检错纠错。TKS-936仿真器是广州致远电

子有限公司推出的一款实时在线仿真器，它完全支持PHILIPS公司LPC900系列微控

制器的仿真。在仿真性能上进行了全面的优化设计，能保证用户更加方便的操作和真

实的仿真效果。TKS-936仿真器兼容Keil公司的硬件仿真环境，使用户能够在先进的

编译环境下编译，而且也能在先进的仿真环境下进行硬件仿真，如果配合使用PHILIPS

公司授权的专用BondOut芯片，仿真更加真实，同时TKS-936也支持拥有自主版权的

TKStudio集成调试环境。TKS-936还具有以下优点：(1)真实仿真LPC900系列微控制

器的掉电模式和空闲模式。(2)真实仿真LPC900系列微控制器的各种方式的复位(软

件复位，看门狗复位，外部复位)。(3)支持用户程序嵌入配置字节，使用户仿真，烧

写方便可靠，同时在仿真中可随意观察和修改用户配置字节。(4)内部更加可靠的保护，

避免使用中误操作引起仿真器的损坏。(5)连续单步运行速度快。(6)支持使用外部用

户电源电压，用户提供的电源电压最低可达2.7V。(7)仿真时有详细的状态信息提示，

帮助用户迅速查找目标系统的故障。(8)系统内部多种检查，当系统配置错误时避免进

入错误的运行状态。

5.3 总体程序流程图

与本课题硬件电路设计相关的软件程序模块包括：模拟采样子程序、中断处理子

程序、充电处理子程序、照明运行方式处理子程序、定时处理程序、红外信号检测程

序等。微控制器的软件编程以KeilC编译器的windows集成开发环境uvision2为软件

开发平台，采用汇编语言编写。程序流程图如图5.2图所示。

27

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图5.2 总体程序流程图

Figure.5.2 overall process flow chart

5.4 充电处理程序

根据美国科学家马斯提出的蓄电池可接受的充电曲线，曲线函数为i=I

0

e

-∞

，马斯

曲线如图5.3所示：

图5.3 马斯曲线

Figure.5.3 Mars curve

其中，I

0

e

-∞

：当t=0时的最大起始电流：

i：任意时刻t时蓄电池可以接受的充电电流；

28

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a：衰减率常数，也称充电接受比。

这条曲线表明在充电过程中，实际充电电流超过这条电流接受曲线的部分并不能

转化为蓄电池的化学能存储起来，而只会促进电解水的反应，产生气体和温升，并不

能提高充电速率。相反，低于此电流接受曲线的充电将延长充电时间。马斯定律的提

出至今已有30多年，目前为止这一理论虽未得到有效的验证，但在理论上和实践上都

证明了它的可行性，脉冲快速充电法正是基于这个理论而提出的一种快速充电方式，

并且它能够最大限度的缩短蓄电池老化的时间。鉴于此，本系统采用了脉冲式充电方

法本系统的脉冲充电方法是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或

短时间的中途停充电实现的。充电控制子程序流程图如图5.4所示。

图5.4 充电控制子程序流程图

Figure 5.4 charge control procedure chart

5.5 定时处理程序

5.5.1 一分钟定时

整个路灯控制系统中，需要严格的定时，不仅需要对路灯的接入时间进行定时，

还要有为防止系统误判的的一分钟定时，其主要作用是当路灯打开时，是由太阳能光

伏阵列的电压来判断的，但是外界干扰，例如，一物体将太阳能板覆盖暂时遮盖，这

时太阳能板的输出电压会很低，为了防止诸类情况造成路灯的误接入，还必须进行一

短延时。当太阳能板电压低于所设白天转黑夜的阈值电压时，不是立刻接入路灯，而

29

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是延时1分钟，再次取样太阳能板电压，如果电压仍然低于阈值电压，此时认为黑夜

条件，接入路灯。这样也提高了系统工作的可靠性。1分钟定时程序如图5.5所示。

图5.5 1分钟定时程序

Figure5.5 1 minute timing program

5.5.2 拨码开关定时

拨码开关为路灯设置定时，其定时长短由拨码开关的状态决定，四位拨码开关共

2

4

=16个状态，分别可定时0~15个小时。Timerl定时中断服务程序流程图如图5.6所

示。

5.5 蓄电池剩余容量检测处理

本课题设计的太阳能路灯系统，是一个闭环自适应控制系统，它根据测得的蓄电

池剩余容量(SOC)自动调整充电策略、输出负载的功率或工作时间，有效地防止蓄电

池过充电放电，从而延长了蓄电池的使用寿命，提高了系统的可靠性。白天当系统检

测出太阳能电池电压达到充电要求时，计算当前蓄电池容量，依据充电方案对蓄电池

进行充电处理，并随时检测蓄电池容量，调整充电策略；当系统检测出太阳电池电压

小于阈值电压，即VOC<2V时判断进入天黑并停止充电，进入下一状态，由蓄电池向

负载供电，并随时检测蓄电池容量，调整向负载供电的策略。SOC检测阶段的工作是

根据蓄电池的电压得出当前的SOC。通过实验检测蓄电池容量的过程如图5.7所示。

6 抗干扰设计

在工业环境中,输入信号中会混入各种高频干扰，一旦干扰侵入测量单元模拟信号

的输入通道，叠加在测量信号上，就会增加采集数据的误差，甚至淹没测量信号，因

30

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图5.6 定时中断服务程序流程图

Figure 5.6 timing interrupt service routine

此在测量信号传输之前必须进行滤波。系统采用CLC滤波电路进行滤波，该电路能有

效滤去高频干扰，并确保相位误差在允许范围之内。单片机系统中各单元的直流电源

一般是城市电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后产生的，因此电网上的各种

干扰会引入系统 ,为降低这种干扰对测量信号的影响 ,系统采用了电源去耦、设备接

地等有效的隔离技术。在软件方面，应用软件陷阱、看门狗等技术和采取高速采集模

拟信号阈值法、算术平均值法、中值法、输入信号重复检测法等有效的抗干扰措施。

6.1 太阳能路灯抗风设计

6.1.1 太阳能电池组件抗风设计

根据最大风力的大小进行太阳能路灯抗风设计。

我国南方沿海台风偏多，太阳能路灯灯杆至少应能抗12级台风，北方多数地区应

能抗10级大风。

31

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图5.7 检测蓄电池容量过程示意图

Figure 5.7 test battery capacity process schematic diagram

表6.1 风力和风速对应关系

Table 6.1 Corresponding relationship between wind and wind speed

名称 最大风速 风 力 名称 最大风速 风 力

（m/s） （级） （m/s） （级）

热带低压 10.8～17.1 6～7（低层 台风（TY） 32.7～41.4 12～13

中心）

热带风暴 2～24.4 8～9 强台风 41.5～5.0.9 14～15

（TS） （STY）

强热带风暴 24.5～32.6 10～11 超强台风 >51,.0 ≥16

（STS） （Super TY）

6.1.2 路灯灯杆的抗风设计

（1）太阳能组件:厂家应保证能承受当地的风速而不至于损坏，重点是电池组件

支架与灯杆的连接。（2）灯杆和基础:路灯灯杆和基础的抗风设计与电池板高度、面积、

倾角及灯杆结构、当地最大风速等有关，应由灯杆厂家或结构专业进行计算和设计，

保证最大风速时太阳能路灯灯杆的稳定性。

6.2 防雷和接地

6.2.1 属安全电压

太阳能路灯一般使用DC12V或DC24V，属安全电压，不做电气保护接地。

6.2.2 防雷接地

需要注意以下几点：（1）不可用路灯、太阳能电池板作为接闪器。（2）用金属灯

32

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柱兼作接闪器和引下线。（3）路灯基础钢筋笼在-0.50m以下其钢筋表面积大于0.37m

2

时，可作为防雷接地体，否则应增加人工接地极，接地电阻≤10欧姆。必要时将接地

体连接。接地做法同一般路灯。（4）在路灯控制器内设置TVS(瞬态电压抑制)防雷保

护。

6.3 信号采集的数字滤波

对于存在大幅度随机干扰的分布式测控单元，其采样电压、电流等参数往往在一

定范围内频繁波动。本系统使用的是算术平均值滤波法，就是连续采样N个值，然后

求其平均值，这可以有效的过滤外界干扰信号。采用算术平均值滤波法，采样结果曲

线平滑程度好，其平滑程度由采样次数决定。如果采样次数过多，曲线平滑度虽好，

但却影响了程序的运行时间，所以本系统在设计软件时对每路连续采样3次，把采集

得到的中间值作为采样结果。

6.4 看门狗技术

看门狗,又叫 WDT（Watchdog Timer）,是一个定时器电路, 一般有一个输入来复

位看门狗,叫“喂狗”；一个输出触发单片机复位。单片机正常工作的时候,每隔一小段

时间输出一个喂狗信号,给WDT 清零；一般在程序跑飞时，程序无法正常执行，就会

超过规定的时间没有“喂狗”指令,WDT 计数器溢出,看门狗单元就会给出一个复位信

号使单片机复位，正是使用这种机制来防止单片机程序受干扰等因素跑飞后造成死机。

“看门狗"技术可由硬件实现，也可由软件实现。在工业应用中，严重的干扰有时会破

坏中断方式控制字，关闭中断，系统则无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效，而软

件看门狗可有效地解决这类问题。在实际应用中，可采用环形中断监视系统。用定时

器T0监视定时器T1，用定时器Tl监视主程序，主程序监视定时器T0。采用这种环形

结构的软件“看门狗"具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统的可靠性。对于需经常

使用T1定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器Tl不能进行中断，可改为由串口

中断进行监控。这种软件“看门狗”监视原理是：在主程序、T0中断服务程序、T1

中断服务程序中各设置一个运行观测变量，假设为Mwatch、T0watch、TlWatch，主程

序每循环一次Mwatch加1，同样T0、T1中断服务程序执行一次，T0Watch、TlWatch

加l。在T0中断服务程序中通过检测T1Watch的变化情况判定T1运行是否正常，在

T1中断服务程序中检测Mwatch的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通

过检测T0watch的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常，

例如应当加l而未加1，则转到出错处理程序作排除故障处理。

7 调试和结果

33

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本课题的设计综合多种技术，包括：计算机测控技术、网络技术、自动化技术和

数据处理技术等，设计的太阳能LED路灯具有数据采集和照明的一般功能，可对布局

分散、地理环境相对复杂的街道和地区照明。在实验室环境下完成了对系统的实际调

试。

7.1 路灯系统的硬件调试

在实验室环境中对路灯系统的硬件完成了电气检测。制作出电路板之后，按照路

灯系统的电路原理图，在不加电的情况下，对电路板进行了检查，证明没有短路和断

路情况的发生。然后，安装上与电源有关的所有元器件，用万用表仔细检测了所有相

关点的电压情况，得到的结论是所有调试点的电压均符合设计要求。在此基础上，安

装了微控制器，对它的各个引脚进行了认真检查，没有出现异常情况。最后，安装了

其他外围器件，通电情况下，对各个元件进行了仔细的电气检测，证明所有器件的配

置和焊接均是可靠和正确的。

7.2 路灯系统的软件调试

对已设计和编写好的路灯控制系统软件完成了调试。在KEIL编程环境中完成了程

序的编译、连接等工作。在此过程中，发现了编写的程序存在着一些语法错误，程序

中有死等的地方，这些都可能导致系统的复位。另外，对堆栈大小的定义等方面也有

不当之处，在逐一解决了这些问题后，微机主控线路的软件程序通过了调试，并生成

了源程序代码。

7.3 太阳能路灯的系统调试

在实验室建造了模拟现场的仿真环境，分别完成了路灯主控线路软、硬件的单独

调试，并将生成的源程序代码加载到微控制器中进行软硬件联调。（1）对硬时钟时间

进行调试。硬时钟时间的准确与否直接关系到路灯单元独立工作的可靠性和准确性，

因此，存在一定的精度要求。在实验室中对硬时钟精度进行了反复调试，通过一定方

法读取时间参数后，和当时的准确时间进行对比，然后重新校准时钟参数，为第二天

的调试做准备。通过测得的数据得出时钟校准误差小于2秒／天。（2）对系统的抗干

扰能力进行调试。首先在去除硬件抗干扰措施的情况下，系统受到干扰影响后程序跑

飞，系统复位，干扰过后程序正常运行。加上了硬件抗干扰措施后，进行多次调试发

现系统不再复位，人为制造一些电磁干扰，系统运行正常，这表明硬件抑制了干扰，

软件也消除了干扰的影响。（3）在实验室仿真的太阳能路灯微机监控系统中对蓄电池

分别采用传统的恒流一恒压充电方式、分阶段变电流方式和脉冲充电方式进行充电实

验，实验结果如表7.1所示。

34

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表7.1

充电方式实验比较

Table 7.1 Experimental Comparison of charging

充电方式 充电时间 电池冲入的 充电接收能 温度幅值/C 使用寿命/

（天气晴 能量/Wh 量效率(%) 年

好）/h

横流恒压 13-16 1130.95 80.92 5.5 1-2

分阶段便电流 8-9 1149.23 87.56 5.3 1-2

脉冲电流 4-5 1158.44 86.13 5.8 3-4

通过比较，采用分阶段变电流方式比传统的恒流一恒压充电方式的充电时间减少

了12.1％，充电接受率增加了6.64％，蓄电池的温升减小了3.6％。而脉冲充电具有最

短的充电时间，温升较高，但是是在允许的范围内，是系统采用蓄电池的最佳充电方

式。

在对微机主控线路的上述内容进行调试后，得出的结果和数据表明本课题设计和

实现的太阳能路灯微机监控系统能实现预设的功能，符合相关的性能指标，且能够稳

定、可靠的运行，可以方便的进行现场操作，满足本系统的设计要求。

8 结论

本文主要根据该系统的设计，在系统级和框图级的实现上分析了一个系统从设计

提出到产品完成所需要做的一系列的工作。从研究的背景意义，材料选择，相关技术，

硬件系统，软件系统，系统测试等方面进行阐述，力求给出系统设计的规范解决方案

和各部分所涉及的技术的使用心得的讨论。本设计产品采用蓄电池吸收太阳能，通过

低压直流电转化为光能，是最安全的电源，本设计符合绿色环保要求，无污染、无辐

射，保护生态，对环境不存在任何影响。

本课题为基于单片机控制的节能型太阳能LED路灯的设计，其最大的特点就是节

能，以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭。它还具有以下创新点：环保，

无污染、无噪音、无辐射；安全：绝无触电、火灾等意外事故；方便，安装简洁、不

需要架线或“开膛破肚”挖地施工、也没有停电限电顾虑；寿命长，产品科技含量高、

智能化设计、质量可靠；品位高，科技产品、绿色能源；投资少，一次性投资与交流

电等价一次投资，长期有用；适用广，太阳能源于自然，所以凡是有日照的地方都可

以使用。

由于笔者学术水平有限，还有活动经费和时间等限制，本文所提的技术方法还有

改进和提高的余地。以下是需要进一步研究的问题：(1)由蓄电池单独向路灯供电时，

供电时间只能维持5～7天，如果持续数天为阴天情况，那么蓄电池电量将因无法得到

35

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补足而耗尽。若预先知道天气情况，平均使用蓄电池现有电量，一定程度上可以弥补

蓄电池供电不足的缺点。通过监控中心获取气象台发布的气象信息后根据天气情况及

蓄电池剩余容量控制照明运行方式可解决此问题。（2)由于目前难于找到公认的理想充

电曲线、充电客观规律，导致蓄电池充电效率低、充电时间长、实际使用寿命低于标

定值，这将影响系统的正常运行。在理论上的研究及实验室条件下大量实验分析的基

础上，进一步确定适合蓄电池的充电曲线，实现对路灯充电方式的最优控制。(3)由于

太阳能照射条件的不同导致太阳能电池板产生的电量不同，照明持续时间也随之不同。

通过路灯单元间电量的互补可避免这种现象的出现。利用照明系统一般原有的电力线

连接各个路灯单元，在各路灯单元设置一控制开关，当某一蓄电池电量不足时，进行

路灯单元之间的电力互补，用这种方式对路灯进行改造。

目前太阳能LED路灯还在研究发展阶段，还有很多不足之处，主要是它的费用比

一般路灯还是要高，但是太阳能和LED技术都发展迅速，相信未来太阳能LED路灯

会是设计路灯的主流。

36

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参考文献

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致 谢

本论文是在李旭老师的悉心指导和热情关怀下完成的。从开始选题、开题到后来

的实物制作、仿真研究、调试、论文的撰写成稿，自始至终都得到李老师的悉心指导。

李老师给予了我很多及时且建设性的指导意见，我在论文中的每一点进步，无不凝聚

着恩师的心血。值此论文完成之际，谨向李老师致以深深的感谢和崇高的敬意。同时

谢谢学校提供的实验室和做实物所需的经费帮助。在本课题进行期间，表哥、同窗好

友邓同学以及实验室的同学们都给了我大力帮助，在此对大家表示衷心感谢！

本人近四年的本科学习期间，感谢各专业老师的指导、帮助，使我在专业技能上

得到了很大的提高，为毕业课题的研究工作打下了较好的基础。老师们严谨治学的态

度、渊博的知识、对工作的热情也使我受益匪浅。感谢工科系各辅导老师对本人学习

和生活的关心和帮助。感谢院系领导对本专业和教学的重视。感谢我的母校。

感谢我的室友和同学，在我四年的学习和生活中给予我许多无私的帮助，我永远

珍惜我们一起度过的美好的大学生活。感谢我的父母家人，他们对我无微不至的关怀，

对我的支持与鼓励，都是我前进的动力。

最后，再次将我诚挚的谢意献给所有曾给予帮助、鼓励和支持的老师、同学、亲

友以及将要参加论文评阅和答辩委员会的各位专家和老师们致以最诚挚的谢意，并敬

请批评指正。

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附录

附录1：太阳能电池组件主要技术参数和尺寸

太阳能电

池板型号

KMS-02

KMS-03

KMS-05

KMS-05

KMS-08

KMS-10

KMS-12

KMS-15

KMS-18

KMS-20

KMS-25

KMS-30

KMS-40

KMS-50

KMS-60

KMS-70

KMS-80

KMS-100

KMS-120

KMS-150

KMS-150

KMS-160

KMS-160

KMS-180

KMS-180

标称

功率

2W

3W

5W

5W

8W

10W

12W

15W

18W

20W

25W

30W

40W

50W

60W

70W

80W

100W

120W

150W

150W

160W

160W

180W

180W

峰值

电压

7.5V

7.5V

7.5V

16.8V

16.8V

16.8V

16.8V

16.8V

16.8V

16.8V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

17.2V

34,4V

17.2V

34,4V

17.2V

34,4V

峰值

电流

0.184A

0.28A

0.46A

0.30A

0.37A

0.60A

0.56A

0.70A

0.84A

1.19A

1.16A

1.74A

2.33A

2.90A

3.49A

4.07A

4.65A

5.80A

6.98A

8.72A

4.36A

9.30A

4.65A

0.47A

5.23A

开路

电压

9V

9V

9V

21.0V

21.0V

21.0V

21.0V

21.0V

21.0V

21.0V

21.0V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

21.6V

43.2V

21.6V

43.2V

21.6V

43.2V

短路

电流

0.22A

0.33A

0.56A

0.33A

0.44A

0.33A

0.67A

0.84A

1.0A

1.32A

1.38A

1.98A

2.64A

3.30A

3.96A

4.62A

5.28A

6.60A

7.29A

9.90A

4.95A

10.56A

5.28A

11.88A

5.94A

长

180

230

360

306

300

337

380

450

530

636

708

730

618

767

996

732

1196

1196

1416

1416

1580

1580

1580

1558

1558

宽

170

170

170

218

290

289

290

290

290

283

290

343

539

446

358

534

534

660

660

793

793

793

793

982

982

厚

23

23

23

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

40

40

40

40

40

40

40

40

注：以各厂家产品数据为准

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