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 III 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，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、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，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。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，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，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，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