太阳能led路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文(编辑修改稿)

太阳能led路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

节能灯具的出现，利用 LED 作为照明灯具的太阳能 LED 路灯得到了大幅推广。 太阳能灯具的照明需求逐渐往干道路灯发展，这样对灯具照明功率、控制器及驱动器的要求会有所提高。 我国在太阳能电池技术的发展和生产规模、 LED 光源技术的发展等方面的产业规模在逐渐扩大，已经在世界上占有一席之地了，但是太阳能路灯控制器作为太阳能路灯系统中的核心部件之一，其研究还 有待深入。 市场上的太阳能控制器大多属于简易型，仅有基本的充放电控制功能，没有考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，提高蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。 本课题的控制器在完成基本的充放电控制的基础上设计了合理的充放电控制算法来实现能量的充分利用和蓄电池的充分保护。 另一核心部件 LED 灯驱动电源，一般没有根据路灯的组合形式具体分析设计。 由于不同厂商生产的的白光 LED 的正向压降可能相差数百毫伏，因此直接影响了白光 LED 实际消耗的功率在驱动器的输出总功率中的比例。 本系统的驱动器是在 LED路灯先串后并的组合 形式以及具体的正向导通电压和额定功率的基础上设计的。 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 3 本套太阳能 LED 路灯控制系统，用合理的充放电算法控制太阳能路灯正常的充放电功能，完成充电阶段自动转换， LED 亮度智能控制且完成对蓄电池的充分保护。 驱动器和 LED 阵列能够很好的匹配，使 LED 阵列发光质量高且实现较高的能量利用率。 整套系统的成功设计无论在价格和性能方面均具有一定的市场竞争力。 课题相关技术概述 太阳能 LED 路灯的优势 太阳能 LED 路灯系统用太阳能电池供电，阀控式密封铅酸蓄电池储存电能，用高效节能的 LED 灯照明，用控制器控制智能充放电，配合 LED 灯驱动电源，具有稳定性高、发光 性能好、能量利用率高、安装方便、采用直流供电、经济、环保、实用等 优势，是未来户外照明的发展趋势。 LED 照明灯工作电流是直流，并且在低电压下工作 [1]。 太阳能电池将光能转化为直流电能，这点恰好与 LED 相匹配。 若将两者组合配以控制器和驱动器即可获得很高的能量利用率、较高的安全性和可靠性的照明系统。 因为两者结合不需要将太阳能电池输出的直流电转变为交流电，因此整个照明系统的照明效率会大大提高。 随着LED 灯相关技术的不断成熟，其使用寿命会不断延 长。 在未来几年里，若其价格继续下降，则白光 LED 必将取代旧有灯具成为 21 世纪照明的新光源。 LED 作为路灯的一种光源，它和传统路灯光源相比较其优势主要体现在： 1) 节能且光效高。 按照 LED技术的发展趋势， LED的光效在未来五年里有达到 150～20xxm/W 的可能，大大超过了现在所有光源的光效。 另外，现在使用的荧光灯、汞灯等照明光源中含有汞，对人体有害。 而 LED 中不含此种物质所以它是一种“清洁 的光源。 2) 命长，节约成本。 一般情况下 LED 光源的使用寿命可以达到十万小时，在恶劣的自然条件下工作，寿命也至少可达到五万小 时。 因此，在一些维护和更换设备困难的地方，使用太阳能 LED 路灯照明系统，可显著降低安装和使用的成本。 3) 可以自动控制其功率。 可通过控制器控制其夜间亮灯的功率，提高节能性。 LED灯可以实现完美调光功能，因此在本系统中将通过调节脉冲的占空比来有效的调节其发光强度。 4) 具有很好的显色性。 阳光的显色系数为 100，一般情况下显色系数与 100 相差越小，显色性越好，反之越差。 高压钠灯显色系数仅为 23，而 LED 灯的显色系数达到 85 以上，发出的是白光。 由此可见大功率 LED 路灯显色性明显好与高压钠灯。 5) 直流供电，提高能量利用率。 太阳能电池输出的是直流电，路灯系统中 LED 的驱动也是用直流电源，这样可以不用太阳能光伏系统中使用其他照明设备所需要的太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 4 逆变器，既使系统有较高的能源利用率，又降低了成本，还可以改善系统的可靠性。 太阳能 LED 路灯系统白天将太阳能的能量存储在蓄电池里，夜间通过蓄电池把化学能转化成 LED 路灯消耗的光能。 不消耗常规能源，循环使用，不产生发电和运输过程中的污染，非常清洁。 另外安装方便，不需要架设输电线路，也不需要铺设电缆所需的通道。 在这种背景下，太阳能路灯应运而生，而且会不断的发展，成为照明行 业的趋势。 太阳能 LED 路灯的发展现状和前景 目前，太阳能路灯主要用在城市道路、公园、工业园区，旅游景点，也可以用于人口密度小，不易铺设电缆但太阳能资源丰富的偏远地区人们的照明问题。 近年来，随着我国城市建设水平的不断提高和环保低碳意识逐渐增强，城市路灯总量在逐年攀升，随着光伏电源照明的不断发展和优势的显现，乡村以及适合安装太阳能路灯的一些地区也会慢慢普及。 因为太阳能 LED 路灯有如此广阔的市场，所以更应该做好太阳能 LED 路灯的控制和驱动，让整个太阳能路灯系统更稳定更长久的工作。 太 阳能 LED 路灯控制器综述 太阳能 LED 路灯系统由太阳能电池板、铅酸蓄电池、 LED 灯、驱动电路和控制器等部分组成 [2]。 控制器白天控制太阳能电池给蓄电池充电，夜晚蓄电池给负载放电。 在充放电过程中控制系统实现过充保护，过放保护，完成充电各阶段自动转换，夜晚放电方式的自动转换等功能。 目前市场上已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般没有充分考虑如何提高太阳能电池的能量转换效率，蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。 蓄电池的充电方式以及根据蓄电池的荷电量来决定放电深度等问题都可以在很大程度上影响蓄 电池的充电速度和循环使用的次数，因此控制器如何控制充放电的时间和方式便是影响蓄电池的转换效率和使用寿命的一个很重要的方面。 太阳能 LED 路灯驱动器概述 LED 驱动电源是系统重要的组成部分。 控制器的输出电压和 LED 阵列不匹配，因此需要一个模块来驱动 LED 阵列。 常见的有四种驱动方式，考虑控制器输出电压小于 LED 阵列的导通电压，因此本系统中的驱动模块为升压方式。 LED 的使用寿命很大程度上受其发光稳定性影响，在实际使用过程中，因驱动电源设计及选择不当导致 LED 发光稳定性差，严重缩短了使用寿命。 因此本系统 在设计驱动电源时根据 LED阵列的组合方式选择恒流源来驱动，提高 LED 阵列的的照明可靠性和效率 [3]。 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 5 本课题研究内容 和论文组织结构 研究内容 近年来，国家越来越重视环境保护，倡导低碳生活，坚持优化能源结构，重视能源的可持续发展。 因此太阳能的开发和利用受到了极大的重视，太阳能光伏照明技术及相关产品得到了广泛应用。 由于这种市场和社会发展的需求，目前已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般只具有基本的充放电控制，没有充分考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，蓄电池的能量转换效率最大和蓄电池的使用寿命等问题。 本课题从这些存在的问题着手研究，设计一种具有节能控制功能的太阳能路灯控制器：并根据 LED 灯的组合方式，设计一种与之匹配的驱动电源。 使 整个系统能够达到预期设定的功能和指标，能够稳定长久高效地运行。 论文的组织结构 本论文分为五个章节，每章内容分布如下： 第一章：绪论。 主要阐述本课题的研究背景和意义，以及论文的研究目标和论文的组织结构。 第二章：太阳能 LED 路灯节能控制系统整体设计。 本章从太阳能路灯控制系统的实际应用出发，确定了太阳能路灯控制器需要实现的功能。 第三章：路灯控制系统控制器的硬件电路实现。 本章设计了太阳能 LED 路灯系统控制器的硬件电路，并画出原理图。 第四章：路灯控制系统控制器的软件实现。 在系统硬件的基础上，结合 MSP430系列单片机的 C 语言编程特点编写整个系统的程序。 第五章：总结与展望。 分析了本次课题中的不足之处和以后的努力方向，展望下一阶段的工作。 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 6 2 系统总体方案设计 总体方案设计 太阳能 LED 路灯利用太阳 能 电池的光生伏特效应原理 [5]，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电一直到设定的时间后切断。 做到白天有阳光就充电储能，晚上光控和时控点亮发光负载，照明道路。 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统 总体框图 [4]如图 21 所示： 根据对设计题目的了解，该控制器以 MSP430 单片机为控制中心，外围电路主要由 LED 恒流驱动电路、 亮度 检测 电路 、 热释电 红外检测电路、蓄电池电压、充放电控制电路、太阳能电池电压检测与分组切换电路、状态显示电路等构成。 其基本原理是 ，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，环境光及红外检测电路用于检测环境亮度及车辆人员情况。 由电源模块给单片机、 驱动电路、传感检测电路等供电，单片机接受时间设定及外部检测信号来控制 LED 驱动电路，从而控制 LED 灯的亮度。 本设计完成白光 LED 路灯照明 部分 的控制 [6]，该控制总图如 图 22 所示： 该控制器以 MSP430 单片机为控制中心，外围电路主要由 LED 恒流驱动电路、亮度检测电路和热释电红外检测电路、实时时钟电路、电源电路、键盘电路及显示电路组成。 其基本原理是 ：电源模块给 MSP430F149 单片机和各个电路模块供电，亮度太阳能电池板 蓄电池 LED 灯 MSP430F149 单片机 测量电压电流 充电控制 测量电压 放电控制 LED驱动 图 21 太阳能 LED 路灯控制系统总体框图 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 7 检测电路和热释电红外检测电路用于检测光照强度和车辆人员活动情况，与时钟电路一起通过单片机控制 LED 恒流驱动电路，从而控制 LED 灯的亮度及亮灭，键盘电路用于手动修改液晶显示的参数，显示电路显示控制中需要显示的参数。 PWM 调光技术 脉冲宽度调制 (PWM)技术 [7]，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换 及 LED 照明等许多领域中。 通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。 此外，许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。 随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 技术，其中包括：相电压控制 PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、 SPWM 法、线电压控制 PWM 等。 PWM 控制 LED 亮度 原理 ： 对于控制 LED 灯 由 暗到亮或由亮到暗，采用的是脉宽 PWM 法。 它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作 PWM 波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。 可以通过调整 PWM 的周期、 PWM 的占空比而达到控制 放 电电流的目的。 这次设计利用 MSP430F149 单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的I/O 口通过 驱动 电路再与 LED 灯相接后，由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间 LED 导通，一部分时间截止，从整体来看有一个平均电 流 ， PWM信号频率很高的，我们无法通过肉眼来观察到每一个周期 LED 灯亮灭的变化过程，所以只好通过平均电 流 这样一种方式来决定每 个 LED 灯 亮的程度了。 随着波形占空比不断变化， LED 灯也会 由 暗到亮再从亮到暗不断变化。 MSP430F149 热释电红外探测电路 光电传感器 键盘电路 电源电路 LED 驱动电路 显示电路 实时时钟电路 LED 灯 图 22 照明控制部分总体框图 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 8 3 硬件电路设计 MSP430F149 单片机 简介 本设计选用 MSP430F149 单片机 [8]。 MSP430 系列单片机是美国 德州仪器 （ TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低 功耗、具有 精简指令集 （ RISC）的混合信号处理器。 该单片机 将多个不同功能的 模拟电路 、 数字电路 模块和 微处理器 集成在一个芯片上。 由于其超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境得到广大用户的高度评价。 该单片机引脚图如图31 所示。 图 31 MSP430F149 单片机引脚图 MSP430F149 单片机特点 1) 具有很低的供电电压。 单片机的供电电压最低为 ，其供电电压的范围是：～。 2) 超低的功耗。 这是目前其他单片机没有的特色。 它在休眠条件下工作的电流只有，就是在 、 1MHz 条件下工作的电流只有 280uA。 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 9 3) 快速的唤醒时间。 从休眠方式唤醒只需要 6us 的时间。 4) 快速的指令执行时间。 它采用的是 16位的 RISC结构，指令的执行时间只需要 150ns的时间，是传统单片机不能比拟的。 5) 片内有 12 位的 A/D 转换器，并提供参考电压。 A/D 转换器具有采样保持和自动扫描特点。 6) 16 位的定时器 Timer_B 带有 7 个捕获 /比较寄存器。 7) 片内提供温度传感器。 8) 具有灵活的时钟设置。 主要有以 下几种方式： 32kHz 的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。 这样可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置。 9) 16 位的定时器 Timer_A 带有 3 个捕获 /比较寄存器。 10) 片内提供模拟信号比较器。 11) 串口通信模块： USART0、 USART1。 两个串口都可以通过软件设置成 UART 方式或者 SPI 方式，由于该系列单片机 提供了两个串口，因此能为用户进行多机通信设计提供了方便。 12) 片内提供较多的存储器， MSP430F149 提供的片内 FLASH 为 60KB，同时片内还提供较多的 RAM，以便进行运算时处理。 13) 提供较多的外围接口，提供 ～ 共 6 个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。 在提供的外围数据端口中，有两个端口具有中断功能，这样能丰富硬件系统的中断资源，也为实现多任务系统提供了方便。 14) 代码保护功能。 单片机的安全熔丝功能可以对程序的代码进行保护，从而可以对知识产权进行保护。 15) 具有 JTAG 仿真调试接口，这样非常便于软件的调试。 MSP430F149 单片机引脚简介 表 1 MSP430F149 单片机引脚功能表 引脚号 符号 引脚功能 1 DVcc 数字电源端 2 3 4 5 6 7 VREF+ A/D 转换器内部基准电压的正输出端 8 XIN 晶体振荡器 XT1 的输入端 太阳能 LED 路灯照明节能控制系统控制器设计 10 (续表 ) 引脚号 符号 引脚功能 9 XOUT/TCLK 晶体振荡器 XT1 的输出端 /测试时钟输入端 10 VeREF+ A/D 转换器外部基准电压 11 VREF−/VeREF− A/D 转换器内部基准电压或者外部基准电压负端 12 ， TACLK 时钟输入信号 13 通用数字 I/O 管脚 /Timer_A，捕获： CCI0A 输入，比较： OUT0 输出 14 通用数字 I/O 管脚 /Timer_A，捕获： CCI1A 输入，比较： OUT1 输出 15 通用数字 I/O 管脚 /Timer_A，捕获： CCI2A 输入，比较： OUT2 输出 16 17 ，比较： OUT0 输出 18 ，比较： OUT1 输出 19 ，比较： OUT2 输出 20 21 ， INCLK 时钟信号 22 通用数字 I/O 管脚 / Timer_A，捕获： CCI0B 输入，比较： OUT0 输出 23 通用数字 I/O 管脚 / Timer_A，捕获： CCI0B 输入，比较： OUT1 输出 24 ，比较： OUT2 输出 25 通用数字 I/O 管脚 /作为外接电阻管脚，通过接入一个电阻来确定DCO 的工作频率 26 27 ，比较： OUT0 输出 28 ： USART0/SPI 模式 29 30 31 通用数字 I/O 管脚 /外部时钟输入 —— USART0/UART 或 SPI 模式，时钟输出 —— USART0/SPI 模式 32 —— USAR。