智能追光節(jié)能路燈論文

1、智能追光節(jié)能路燈設計論文院校：安徽大學參賽隊員：張平 劉少青 張濤 指導老師：李民權前 言本課題主要運用追光控制、電能采集、PC監(jiān)控等技術對路燈進行控制，達到智能節(jié)能的目的。該系統(tǒng)能實現(xiàn)自動追光控制，以達到最高的光電轉換效率；具有可靠的充電電路為蓄電池充電，可以實現(xiàn)自助供電而脫離外界電源；另在總部可以通過有線或無線控制技術控制多個路燈，在智能之上實現(xiàn)人為的管理。其可以對現(xiàn)有的太陽能路燈進行改進，制作出更高效節(jié)能的太陽能路燈，還可將此系統(tǒng)進行改進運用于電動汽車的太陽能收集、戶外工作設施等領域。本系統(tǒng)主要工作和成果如下：1. 最大功率點跟蹤控制方法是太陽能采集系統(tǒng)中提高系統(tǒng)效率的重要手段。本系統(tǒng)通

2、過比較使用光敏電阻探測法和采集太陽能電池板電壓比較法兩種方案，結合電路復雜度及靈敏度選擇了后者作為該系統(tǒng)的最大功率點探測方法，在此方法中采用脈寬調制信號（PWM）控制舵機平滑轉動，以尋找最大功率點。2. 本系統(tǒng)是脫離外界電源的裝置，內部各設備工作電源均有蓄電池提供。為達到穩(wěn)定且滿足要求的工作電壓，研究了使用5V穩(wěn)壓電路。在電路中設置了多個開關便于檢查電路故障與協(xié)調電路工作。3. 路燈控制也是智能路燈的一個體現(xiàn)，該系統(tǒng)中比較分析了兩種控制方案。其一，通過光敏電阻控制繼電器裝置來實現(xiàn)開關的閉合。其二，從追光部分采集的電壓進行分析來控制燈的亮滅。通過比較一中電路過于復雜，而且二中使用的數(shù)據(jù)可以直接得

3、到，無需增添其他設施，基于此選擇二中方案作為路燈的控制方案。4. 電能采集是本系統(tǒng)的核心部分之一，研究使用升降壓電路以得到滿足充電范圍的電壓。在系統(tǒng)采用了MC34063，根據(jù)芯片的電壓和太陽能電池板輸出電壓可知由此芯片組成的電路滿足電能采集的要求。5. 實際應用中，可以增添監(jiān)控裝置及外界防護設備。應用中，可以根據(jù)實際情況采用有線和無線兩種控制裝置對每個路燈進行系統(tǒng)的管理與控制，本系統(tǒng)設計了有線控制系統(tǒng)，并提出采用Zigbee技術實現(xiàn)無線的控制方案。防護方面是外接工作裝置必須考慮的一個方面，本系統(tǒng)提出了多了防護對象及在防護過程中的注意事項。2、 系統(tǒng)簡介：1、 整體設計：如圖1所示本系統(tǒng)設計主要

4、有追光控制、電壓轉換、路燈控制、充電部分和監(jiān)控五個部分組成，其中核心部分是追光及充電兩個部分。追光控制可使用舵機實現(xiàn)，研究將太陽能電池板轉動角度分為57個部分，每轉動一次約3.1度（此處分析的是演示模式）。通過脈寬調制信號（PWM）控制舵機的轉動。當太陽光照射在太陽能電池板上時，使用ADC0809轉換芯片每5S將模擬電壓轉換為成數(shù)字量，通過單片機每次從首位置到末位置的過程尋找輸出電壓最大位置，后將太陽能電池板轉到此位置，5秒后進入下一輪的尋找。在路燈狀態(tài)控制部分，同樣使用電池板輸出電壓來判斷白天/黑夜狀態(tài)，以控制路燈的亮滅情況。由電池板輸出的電壓經充電電路后為蓄電池充電，在此處基于充電條件的考

5、慮選擇了升/降壓電路，以獲得最佳的充電條件。在整個控制和電能收集的過程中使用的電源就有充電蓄電池提供，基于此采用了穩(wěn)壓電路，為各裝置提供穩(wěn)定、可靠地工作電壓。采用7805制作的5V穩(wěn)壓電路，為單片機提供電源采集電壓經A/D轉換送入單片機進行比較控制蓄電裝置充電電路太陽能電池板裝置AT89S52監(jiān)控與控制電路AD轉換電路穩(wěn)壓電路趨光控制電路PC機監(jiān)控系統(tǒng)路燈控制裝置路燈模擬由低電壓LED燈組合而成，需對工作電壓穩(wěn)壓在5V左右。路燈白天/黑夜狀態(tài)轉換控制管PC機采用有線或無線對本系統(tǒng)進行監(jiān)控圖1.整體設計框圖監(jiān)控部分是PC機對該系統(tǒng)的監(jiān)測與控制，根據(jù)實際情況可以采取有線和無線兩種方案，在本系統(tǒng)中采

6、用有線監(jiān)控方案，研究自制控制軟件于PC機上對系統(tǒng)進行控制，操作簡單，監(jiān)控效果良好。2. 系統(tǒng)方案（1） 追光控制部分方案一：利用光敏電阻設計控制電路，在太陽能電池板轉動的180度范圍內安置8個光敏電阻，分別與ADC0809八個模擬量輸入端口相連接，把采集的八個端口模擬量送入51單片機比較，根據(jù)比較結果控制舵機選擇最佳位置進行采光。從而尋得最大功率點。方案二：利用太陽能電池板的輸出電壓作為ADC0809的模擬輸入量，將太陽能電池板轉動角度分為57個部分，每轉動一次約3.1度。在每個角度上設定脈寬調制信號（PWM），用以控制舵機的轉動。當太陽光照射在太陽能電池板上時，使用ADC0809轉換芯片將采

7、集的模擬電壓轉換為成數(shù)字量V，通過單片機控制其從起始位置到末位置尋找電壓最大位置Vmax，后舵機轉到此處停下，待五秒后進行下一輪循環(huán)。圖2.A/D轉換電路連接圖如圖2所示，ADC0809芯片模擬選擇設置端口選擇與單片機P2口的4、5、6三引腳相接。選擇AD的IN2引腳作為模擬量大的輸入（從太陽能電池板獲得），轉換的數(shù)字量輸出到AT89S52的P0口。其中ADC0809輸入模擬量在05V范圍內，八個輸出口可以把5V的電壓分為255份，即沒改變輸入模擬量約0.02V，輸出量就改變一份，方案比較：方案一中將舵機轉動的180度分為8個位置，且占用了AD芯片的八個模擬量輸入口；而方式二將180度轉動角度

8、分成了57位置，僅用一個模擬量輸入口。比較兩方案可以發(fā)現(xiàn)方案二更加精確，太陽能電磁板反應很靈敏，光強有很微弱的改變時輸出電壓就會發(fā)生改變，作為選定位置控制信號很合適，基于此本系統(tǒng)采用方案二在此部分中脈寬調制信號設計如下：（2） 路燈控制部分方案一：采用光敏電阻設計一繼電器開關來控制路燈亮滅的切換。繼電器開關原理圖如圖4所示，當照度下降到設置時由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1導通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，實現(xiàn)對路燈電路的控制。其中，Rc為光敏電阻，K為繼電器。圖3.光敏電阻開關電路方案二：采用太陽能電池板輸出電壓進行控制，由于電池板反應比較靈敏，當電池板輸出電壓大

9、于0.1V時認為是白天，即關閉路燈；反之，是黑夜，打開路燈。其中控制信號和追光部分一樣獲取，在ADC0809轉換數(shù)值量后對其進行判斷，成立（黑夜）則將P1.1口賦低電平，開關導通，路燈亮；反之，賦高電平，開關截止，路燈滅。開關電路如圖5所示。 P1.2端口信號圖4.采集電壓晶體管控制開關電路方案比較：方案一中使用了光敏電阻控制繼電器的方法實現(xiàn)開關的控制，方法可行但需外加電路；在方案二中采用電池板輸出電壓進行控制，僅需一個晶體管，在軟件中對輸出電壓進行判斷，在夜晚中由于沒有太陽光輸出電壓很低，基于此尋找一個臨界點，當?shù)陀诖它c即可打開路燈。（4）充電電路部分該部分采用以MC34063芯片為核心的升

10、壓和降壓電路，根據(jù)太陽能電池板的輸出電壓大小，選擇不同的電路將輸出電壓穩(wěn)定在蓄電池的充電電壓范圍內。如框圖所示：太陽能電池板輸出電壓MC34036降壓電路RMC34036升壓電路蓄電池Rd圖5.充電電路部分框圖具體升降壓電路如下所述：1 降壓電路在太陽能電池板輸出電壓高于充電電壓時采用該電路對其降壓，降壓變換器的原理：圖6.降壓型變換器的原理電路圖圖7為降壓型變換器的原理電路圖，由開關S、續(xù)流二極管D和低通濾波器L、C組成：當開關S閉合時設開關導通電阻為零，則A點電壓等于直流電壓V，二極管D因反偏而截止，電壓V向電感L充電；當開關S斷開時，電感L中的電流開始減小，相應產生反極性的感應電動勢，導

11、致D管導通，A點的電壓下降到0。A點電壓是幅度為V的周期性重復脈沖波形。為了保證電流的連續(xù)，通過電感的電流正增量應等于負增量，同樣可以得出輸出電壓和輸入電壓的正比例關系，比例系數(shù)為脈沖占空系數(shù)，該系統(tǒng)始終小于1，為降壓型變換器，且系數(shù)越大，輸出電壓就越大，但始終小于輸入電壓。輸出電壓和輸入電壓的關系：Vout=Vin*d式中，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓，d為脈沖占空系數(shù)。2 升壓電路在電壓小于充電電壓時使用該電路。由于MC34063芯片工作電壓在340V范圍內，所以輸入電壓Vin必須在這一范圍內，對太陽能電池板來說，當外界光強較弱時該電路無法工作。在電路上加有指示燈，當有電流通過時燈

12、即亮。升壓倍數(shù)由芯片內部振蕩器產生的脈沖占空系數(shù)決定的，在電路中其可以由電阻R1和R2調節(jié)，其中輸出電壓Vout與輸入電壓Vin的關系是：Vout=（1+R1/R2）*1.25VR1和R2比值試蓄電池的充電電壓而定，在該電路中我們將R1換接為20K的電位器，調節(jié)使其達到最佳的輸出電壓（滿足充電要求）。（5）監(jiān)測與控制部分在實際應用中要考慮路燈的工作狀態(tài)，為了確保路燈穩(wěn)定可靠的工作，研究使用監(jiān)測與控制系統(tǒng)?？筛鶕?jù)實際情況選擇有線和無線兩種方式對本系統(tǒng)進行監(jiān)控。如在監(jiān)控的過程中，時刻監(jiān)測核心部分單片機的工作電壓，在工作出現(xiàn)異常問題時可以及時通知相關工作人員進行維修。具體設計如下：1) 有線控制方案

13、1 問題分析在實際應用中，一般情況下采用有線監(jiān)控系統(tǒng)對整個工作模塊進行監(jiān)測與控制，這種方案實施簡單，成本低，采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，是一種可行性較強的監(jiān)控方案。2 設計框圖輸出控制命令路燈工作系統(tǒng)PC監(jiān)控中心反饋工作數(shù)據(jù)圖7.有線控制的硬件組成框架圖3 設計分析如上述框圖所示，在有線監(jiān)控系統(tǒng)中，PC機控制部分與路燈工作部分用串口線進行連接。在特殊的場合，PC機可以發(fā)送命令對路燈的工作狀態(tài)進行控制；路燈工作系統(tǒng)亦可隨時發(fā)送此時的工作數(shù)據(jù)給PC，工作人員根據(jù)工作數(shù)據(jù)分析此時路燈的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)異常狀態(tài)及時采取有效措施給以解決。在本系統(tǒng)中，研究采用有線監(jiān)控模式對路燈進行監(jiān)測與控制，設計了PC機控制軟件（界面如附錄三所示）。在此監(jiān)控系統(tǒng)中，可以對最大功率點電壓、穩(wěn)壓電路輸出電壓進行采集并線顯示于監(jiān)控軟件上；另路燈的工作狀態(tài)可以即時的顯示于軟件上，在控制部分結合此處顯示可以準確的人為控制路燈的亮滅狀態(tài)。PC機使用此軟件可以方便、有效的監(jiān)控本系統(tǒng)的工作情況。四、小結太陽能的利用主要是采取太陽能取暖、太陽能熱水（做飯）、太陽能發(fā)電等方式來完成。太陽能的利用由來已久，真正意義上的開發(fā)只有幾十年，光伏電池是太陽能發(fā)電的主要手段之一，同一型號的光伏電池板與太陽光線的角度，直接影響著光電轉換的效率。本系統(tǒng)讓電池板時刻與太陽光線保持垂直以獲得最佳光照，是提高光電轉換效率是一個很好的方案。我們采