安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
引 言
跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何
能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。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更加剧了环境的恶化。主要表现为以下几个方面：
(1)能源短缺。常规能源的有限性和分布不均匀，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需求。从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，人类迟早要面临化石燃料枯竭的危机局面。 (2)环境污染。燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排入天空，是大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；甚至在局部地区形成酸雨，严重污染水土资源。 (3)温室效应。化石能源的利用不仅造成环境污染，同时会排放大量的温室气体，产生温室效应，引起全球气候变化
太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，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。
太阳能道路照明灯也是替代现今输电线路灯的趋势，它不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。
道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的太阳能LED路灯逐渐走入人们的视野。 太阳能LED路灯系统是一种独立运行的光伏系统，由太阳能电池、蓄电池、LED路灯、充电、放电及驱动电路、控制器六个部分组成。而蓄电池是太阳能LED路灯系统中混合动力系统的重要部分之一，因此它的剩余荷电容量（SOC）对系统的稳定性也有重大影响[3]。太阳能LED路灯系统在控制器的控制下，白天太阳能电池通过充电电路向蓄电池充电，夜间蓄电池放电驱动LED路灯，所以控制器的设计是非常重要的。如果蓄电池经常过放或过充，会造成蓄电池寿命大大缩短。针对这种问题，在论文中我们采用分段多点监控法去监控蓄电池剩余荷电容量（SOC）的充电/放电法，在放电过程中象控制器在充电过程中一样，分段多点监控，在不同的阶段用不同宽度的PWM信号输出控制，有效避免了过放。最后设计了太阳能控制器的硬件和系统的控制软件。
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汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计
第1章 概述
1.1 研究背景、目的与意义
随着科学技术的迅速发展，世界能源危机日益严重，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源越来越引起各国的重视。太阳能源本身的安全可靠、无噪声、无污染和可再生性的特点，加之现今光伏技术的逐渐成熟，利用光伏发电成为解决能源问题的一大途经。
随着可持续发展的不断深入，人们在积极开发各类可再生新能源的同时也在倡导节能减排的绿色环保技术而在照明领域，寿命长节能安全绿色环保色彩丰富微型化的 LED固态照明也已被公认为世界一种节能环保的重要途径，太阳能LED路灯同时整合了这两者的优势。
在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展。
在欧洲大部分地区，环保的思路推动着替代能源技术的开发，太阳能被公认为是一种极好的替代能源。它的利用有助于降低CO2的排放，因而达到保护环境，很多国家，如丹麦、芬兰、德国和瑞士，都认为气候变暖是推动太阳能研究开发、发展和销售活动的主要因素。尽管受到常规能源的低价影响，在欧洲很多国家中，太阳能装置市场仍然持续增长。法国的太阳能设计师们，正在用“绿色设计”原则代替“太阳能”设计原则，就是要统筹考虑能源性能、安全材料的应用、日光照明、居住的舒适度和健康等因素。这种新设计方法，将应用于Angers的法国环境保护和能源管理署的办公大楼。现今,LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性已被绝大部分专业人士认可，然而遗憾的是目前大多数的LED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。
然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰巨的任务,任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方式，路灯就是一个最好的采用太阳能的试点工程。而且，节能和减排一样，必须先由政府倡导，甚至像德国那样采用政府补贴的方法来推广。我们欣喜地发现,路灯工程原本即政府工程，是由政府来进行招投标的。因此,由LED路灯取代高压钠灯、由太阳能LED路灯取代交流电LED路灯正是大势所趋。 1.2 设计要求
智能太阳能路灯系统由太阳能电池板、蓄电池、LED 路灯控制器及过充过放保护电路，光控、时控电路等组成。白天太阳能电池板接受太阳辐射能并转化为电能输出，经过充电控制电路储存在蓄电池中； 晚间当光线照度降低时，控制器使LED灯点亮，进行指示性照明。控制器检测到蓄电池充电或放电超出一定范围时，控制器切断充放电回路，保证电池不被损坏。遇到连续阴雨天季节可切换成市电照明，避免蓄电池长期亏电。
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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
1.2.1太阳能路灯系统组成、工作原理与发展现状
目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统，主要由7个部分组成：太阳能电池板、蓄电池、负载（LED路灯）、控制器、测量电路、充电电路、放电/负载驱动电路。基本结构如图1-1所示：
太阳能电池板 蓄电池 LED路灯
控制器 图1-1 太阳能控制系统
充电电路 测量电路 放电/驱动电路 太阳能LED路灯运行过程中，LED路灯都是在夜间运行的。因此太阳能LED路灯的工作方式为：在白天太阳能电池在控制器控制下通过充电路为蓄电池充电，而在夜间或连续阴雨天气里蓄电池放在控制器控制下通过放电/驱动电路点亮并调节LED路灯的亮度。另外因为太阳能电池受环境温度、光照条件、湿度等影响很大，所以供应的电力不稳定，蓄电池可以稳定整个路灯系统电路的势能，为控制器提供稳定的工作电压和电流。在太阳能LED路灯系统中，太阳能电池的使用寿命一般是在20～30年，而LED正常寿命也在10万小时以上，而寿命比较长的免维护铅酸蓄电池的寿命在使用得当的情况下，一般是5～6年，所以铅酸蓄电池的使用寿命基本上就代表着太阳能路灯的阶段性寿命。目前，市场上有各种各样的太阳能路灯，这些路灯系统主要问题是可靠性不高，其原因是：控制器对于蓄电池的保护不充分而导致蓄电池的损坏。这些控制器对蓄电池的充电采取了很多有效的措施，确保蓄电池不会过充电；比如当蓄电池的电压达到充满点（密封铅酸电池为单体2.35V，固定式铅酸电池为单体2.5V）时，控制器将充电回路断开，或者采用脉宽调制的办法或多路充电的办法，随蓄电池的电压接近充满点时，充电电流逐渐减小，从而达到保护蓄电池不被过充的目的。但是对于防止蓄电池过放电，目前市场上的太阳能路灯控制器只是一点式控制。即在蓄电池达到过放点之前不做任何控制。尽管目前的路灯控制器一般还具有光控开关和定时器，可以人为设定路灯的工作时间，也有将路灯的功率分档，前半夜满功率，后半夜半功率工作，但都没有通过在线检测蓄电池的剩余容量而自动调整负荷,这样仍然避免不了蓄电池的过放电，而蓄电池一旦过放电，或者强迫将负载断开，或者由于蓄电池电压过低使负载自动断电。这样做的后果是：切断负载影响整个系统的正常工作并且蓄电池已经处于深度放电状态，大大缩短了蓄电池的使用寿命[9]。 1.2.2设计思路
在本课题的设计过程中充分考虑了蓄电池过充与过放问题，根据蓄电池剩余荷电容量（SOC ）充放电数学模型和剩余荷电容量 （SOC）与蓄电池循环寿命的关系，在设计太阳能LED路灯控制器的时候，我们采用以下控制方案，
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汪婷婷：基于单片机的太阳能路灯控制器设计
完全避免蓄电池过充和过放，并保证LED路灯以尽可能延长点亮的时间。在充电阶段为三段控制：第一段（10% 基于对现有太阳能控制器的缺点的改进方案设计了可独立运行的太阳能LED路灯系统控制器的软硬件设计。设计独立运行的太阳能LED路灯控制器的技术可用于其他独立光伏系统的设计与控制。比如太阳能屋顶、光伏建筑一体化，风光水泵，户外独立工作的信号转播设施等等。当然光伏电源LED照明系统目前在实际应用过程中也都有着一些不足和技术瓶颈，例如太阳能光伏发电技术的效率一直不高，大功率LED的散热问题也一直有待更好的解决，蓄电池的使用寿命影响了整个系统的整体使用寿命等等，且光伏发电和LED照明两项技术都面临着成本较高，初期投入大的应用困难。但作为有潜力和市场需求的新兴技术，随着技术的发展，工业化商业化的进行，成本问题能得到有效的减少。太阳能利用技术和LED照明产业已经由技术开拓时期开始步入应用研究阶段，我们完全能相信集合了新一代能源和新一代光源优点的光伏电源LED照明系统定会进一步快速发展，引领我们进入一个绿色节能新时代。 - 4 -