基于微处理器太阳能路灯控制系统

新疆大学毕业论文(设计) 题 目：
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ 指导老师: ※※※※·※※※※※※  学生姓名：
※※※※·※※※※※ 所属院系：
电气工程学院 专 业：
※※※※※※※※专业 班 级：
※※※※※※班 完成日期：
2012年※※月※※日 声 明 ×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××。

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论文页数：
** 页 实习实训地点：
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图纸张数：
** 张 指导教师：
******·********* 教研室主任：
*******·******** 院长（系主任）：
*******·******* 摘 要 在当前社会，人们已经不满足于普通的路灯控制系统，越来越多地，人们开始向智能路灯控制系统迈进，从而满足人们更加多样化的生活需要。

本文设计一套完整的电路系统，并且进行了模拟仿真。该电路系统包括由STC12C5A60S2单片机和DC-DC BUCK降压斩波主电路。此外还应用了Matlab、Proteus等软件。通过单片机控制Buck降压斩波电路调节占空比来为输出24V恒定电压为蓄电池进行充电，在白天为蓄电池进行充电，然后夜晚蓄电池进行放电为路灯进行充电。

通过利用Matlab软件进行了仿真，验证了本实验电路的合理性，为进一步的推广提供了基础。

关键词：单片机；
DC-DC Buck斩波电路；
路灯控制 ABSTRACT In the current society, people are not satisfied with the ordinary street lamp control system. More and more, people begin to move towards the intelligent street lamp control system, so as to meet people＇s more diverse needs of life. In this paper, a complete circuit system is designed and simulated. The circuit system consists of STC12C5A60S2 single chip microcomputer and DC-DC Buck main circuit. In addition, MATLAB, Proteus and other software are also used. The duty cycle is regulated by the buck chopper circuit controlled by the single chip microcomputer to charge the output 24V constant voltage for the battery. The battery is charged in the daytime, and then discharged at night for the street lamp. Through the use of MATLAB software simulation, the rationality of the experimental circuit can be verified and a basis for further promotion can be provided. Key words：Microcontrollers; DC-DC Buck chopper circuit; Street light control 目 录 1 前 言 1 1.1 研究背景与意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本设计研究的主要内容 2 2 系统总体设计方案 3 2.1 硬件设计规划 3 2.2 软件部分设计方案 3 3 硬件设计规划 4 3.1 单片机介绍 4 3.2 太阳能电池板 5 3.3 蓄电池 5 3.4 蓄电池的原理 6 3.5 蓄电池充电技术 7 3.5.1 恒流充电 7 3.5.2 恒压充电 9 3.5.3 两阶段、三阶段充电 9 3.5.4 快速充电 10 3.6 供电电路分析 10 3.6.1 BUCK降压斩波主电路 10 3.6.2 电路工作原理分析 11 4 软件部分设计 14 4.1 软件介绍 14 4.1.1 Proteus软件 14 4.1.2 Matlab 软件 14 5 主程序设计及模拟图 16 6 结 论 19 参 考 文 献 20 附图一 21 附图二 22 附图三 23 致 谢 24 1 前 言 1.1 研究背景与意义 在当代社会，人们对于可持续发展的能源需要越来越高，因为矿石资源等等不可再生能源越来越少。此外，中国具有非常多的人口，相对的就会浪费诸多没有必要浪费的能源。因此，如何更加合理的对于全国路灯进行节能是一个非常重要的问题。在过去，人们大多采用高耗能的路灯，造成了自愿的极大浪费，因此大力发展绿色节能照明十分有必要。

目前在世界上很多地区已经使用新型的LED路灯，从而取代之前的高耗能路灯，相比之下，更加满足人们的可持续性发展需要，而且可以随着环境的改变调整自身的情况。在诸多地区，领导人逐渐倡导使用太阳能等新型可持续性发展的清洁绿色能源，从而促进各个国家低碳经济的发展需要，并且可以很大程度上促进资源浪费问题的解决。

在国内很多地方，人们都使用定时或者是人工的操作来控制路灯，就以此措施而言，存在诸多弊端。倘若采用定时的方式，如果在不同的时节，人们就可能不会那么及时调整时间，然后就会使得资源浪费，因为每个时间段人们对于路灯的需要时不固定的，同样的对于路灯的需求也是不确定的，因此很多时候人们就会感觉到不便利。此外，倘若使用人工来操作，那么就会占用大量的劳动力，因此，同样的造成了很多很多的资源浪费。在新的时代以来，新中国的技术发展日益显著，LED产品越来越多的踏入我们的市场，包括太阳能节能灯等，同样的还有其他很多技能的产品。

在当今经济全球化的时代，倡导并且推广可持续性能源和低碳经济是其宗旨要求。但是，相对而言，我们国家的诸多LED太阳能路灯控制系统还没有那么成熟，因此，建立合理完善的太阳能路灯控制系统十分具有意义。

1.2 国内外研究现状 在我国大部分地区路灯控制系统大都是依据时间而控制，因此对于研究探索一个新型的节能系统具有十分重要的意义，国内外诸多学者对此进行了研究。安双利等[1]探索了一个新型的单片机智能路灯控制系统，可以具有很多功能，如光控定时等。李茹雪[2]建立了一个合理控制线路来调节路灯的节能。贺一鸣王丽红[3-4]等根据传统路灯的各种情况，实现了一个更加智能的控制系统，提供了合理的设计方法。赵鹏、李健，张秀梅[5-7]分别根据其地区实际情况，根据单片机，相应地搭建了各种智能控制系统，并且实施效果十分理想。王凯[8]等人根据C8051F020单片机设计了一个路灯控制系统，可以实现控制开灯时间，报警故障，红外感应等功能。陈春艳[9]根据目前灯技术含量低的问题，设计了一个高效的LED路灯控制系统，然后实际运行发现可以节省大量资源。林建平、甘本鑫[10-11]等也是利用单片机模拟并且成功做出了一个利用AT89S52的单片机控制系统，可以进行故障检测，模拟LED路灯控制。张旭彬[12]等利用STC12C5A60S2单片机进行操作，完成了一个合理的智能单片机路灯控制系统。Gilman[13]等将节能设施设计力求将自然光纳入工作空间。然而，相关色温（CCT）和日光光谱含量全天变化，而现有的电灯产生的光与固定的CCT，导致混合照明环境。提出了一种简单的控制概念和新颖的脉宽调制驱动电路的LED灯样机。这种白光在CCT值的广泛范围内，同时相对于具有等效CCT的标准日光源保持稳定的颜色质量保真度分数。此范围的CCT不需要计算谱近似，从而简化了控制系统。

本文根据实际情况，主要涉及了一个DC-DC Buck电路来实现对蓄电池的恒压输入。

1.3 本设计研究的主要内容 本文的智能路灯控制系统设计如下：
（1）
本文设计思路是先设计一个恒压电路，也就是DC-DC Buck电路，DC-DC直流电源仿真光伏电池，输出电压在35V~70V。

（2）
通过Buck降压斩波电路来调节占空比来为输出24V恒定电压为蓄电池进行充电，在白天为蓄电池进行充电，然后夜晚蓄电池进行放电为路灯进行充电。

2 系统总体设计方案 本文的总体设计方案分为两个部分，对于硬件的设计还有软件的编程仿真。

2.1 硬件设计规划 本文设计思路是先设计一个恒压电路，也就是DC-DC Buck电路，DC-DC直流电源仿真光伏电池，输出电压在35V~70V。这样通过Buck降压斩波电路来调节占空比来为输出24V恒定电压为蓄电池进行充电，在白天为蓄电池进行充电，然后夜晚蓄电池进行放电为路灯进行充电。

其硬件系统框图如下：
路灯 STC12C5A60S2单片机 显示年月日 太阳能电池板 DC-DC BUCK斩波电路 控制 图2.1 硬件系统框图 2.2 软件部分设计方案 本文采用STC12C5A60S2单片机，利用proteus软件对于单片机进行了绘制仿真，同时利用Matlab软件对于实验电路进行了模拟。

本文具有以下思路规划：
第一步明确既定目标，确定产品设计方案；
第二步绘制程序流程图；
第三步编写程序，分析各部分的功能，进行注释，然后调试通过；
最后利用Matlab进行仿真模拟，然后进行改良。

3 硬件设计规划 硬件设计规划包括如下电路：恒压电路模块，也就是DC-DC Buck电路，DC-DC直流电源仿真光伏电池，输出电压在35V~70V。这样通过Buck降压斩波电路来调节占空比来为输出24V恒定电压为蓄电池进行充电，在白天为蓄电池进行充电，然后夜晚蓄电池进行放电为路灯进行充电。

其中主要硬件包括STC12C5A60S2单片机，电路包括Buck降压斩波电路，目的是为蓄电池提供24V恒定电压。

3.1 单片机介绍 单片机由电源，复位电路，晶振电路以及扩展部分所组成。

本论文采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机性能十分优异。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。具有如下特点：
1. PWM可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断；

2.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次) 3.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）
图3.1 STC12C5A60S2单片机示例 3.2 太阳能电池板 太阳能电池板在这个路灯中处于中心地位，其作用也是最高的，然后价值也是很高。它的功能是将太阳能变为电能，然后通过Buck斩波电路输出稳定的24V电压到蓄电池中存放。太阳能电池板主要有单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池三种。

(1)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；

(2)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；

(3)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。

3.3 蓄电池 蓄电池在太阳能路灯设计中也是处于中心部件的作用，它可以用来保存电能，并且可以在需要的时间释放其存储的能量。通常情况下，对于蓄电池的选择有以下条件，第一该蓄电池可以正常工作的需要，可以使得LED灯在夜晚正常亮，然后可以在另外的时间尽可能存储太阳能，此外还要考虑下雨天的时候，同样的要保存充足的能量。当它的容量不大的时候，正常的供电就会受到影响，相应地假如容量很大的时候，很容易造成蓄电池的损坏，从而不能正常工作，浪费经济成本。同样的，蓄电池应该与调养你电池板，路灯相适应。假设路灯30W，每晚亮12H，那么所消耗能量为360Wh。假设蓄电池输出电压也为24V，那么需要15Ah的蓄电池。也就是360/24=15。

3.4 蓄电池的原理 蓄电池是一种存储化学能量并且可以释放的存储仪器。下面用铅酸电池来说明，当该电池储存能量后，正极，在硫酸电解质的环境中，与溶液作用反应可以生成一种不稳定物质—，氢氧根离子在溶液中， 在正极上，所以正极上面电子很少。该电池充电后，负极为，与电解液中的硫酸（）发生反应，变成，在此过程中，存在于电解质溶液。

负极上存在剩下的2e。因此，在电池处于断开的状态时，在各种化学因素的影响之下，正极上缺少电子，相反的多，因此存在电位差，就产生了电动势。

图3.2 铅酸蓄电池电动势产生原理 反应方程式可以显示成下面的形式：
负极：
(3-1) 正极：
(3-2) 总反应：
(3-3) 在太阳能电路系统之中，蓄电池主要是用浮冲的方式工作，也就是说，当有太阳光照射的时候，蓄电池和各种发电的诸多设备一起工作，这个时候，电池偶尔释放的能力由浮冲的能力瞬间所补充，在没有太阳光的时候，则是由蓄电池给耗能元件单独供电。慢慢的不断的补充电能，蓄电池电压升高，当到达蓄电池组的临界电压时，充电的过程会停止。在这一过程之中，蓄电池充放电次数相对比较少，电池不用完全的充放电，因此可以提高电池的使用效率，从而进一步提高蓄电池的寿命周期。

3.5 蓄电池充电技术 对于蓄电池而言，有诸多充电方式，如恒流充电、恒压充电、两阶段充电、三阶段充电、快速充电等方法。

3.5.1 恒流充电 所谓的恒流充电也就是让蓄电池在某一电流下充电，在此过程中，因为蓄电池电压会发生变化，要进行变化适应，从而使得电流固定。该种充电的方式非常非常适合多个蓄电池串联的情况，因为在这种特殊情况之下，不同的蓄电池可以互相补充，使得相对充电不太理想的蓄电池可以得到保养，最终达到延长电池寿命的目的。

但是，同样的，对于此种充电方式而言，缺点也是十分明显，蓄电池最初充电的流量很小，然而到了后期又十分大，这样就导致充电的过程时间十分长，尤其在后面的阶段，析出各种各样的气体，而这些气体又会对电池的效率等产生明显的影响，因此针对这一弊端，产生了一种改良型的充电方式，也就是分段恒流充电。该种充电方式在充电过程的后期阶段把电流减小。具体的充电过程需要根据不同的仪器，环境，电路等诸多因素考虑。充电过程中电压、电流变化关系如图3-3所示。

图3.3 恒流充电曲线 图3.4 恒压充电曲线 3.5.2 恒压充电 恒压充电是以固定的电压对蓄电池进行充电。在充电过程的早期阶段，由于充电电流十分大，然后逐渐的电流慢慢减小，在后面的时期只有一小部分，以此种方式，就可以不需要改变电流。

3.5.3 两阶段、三阶段充电 两阶段充电和三阶段充电视为了改良之前两种充电方式的弊端从而产生的一种充电方法。第一步，要对蓄电池进行恒流的方式进行充电，待到容量到达一定程度的时候，再使用恒压充电的方式。通过这样的处理方式，蓄电池在初期不会出现很大的电流，在后面的时期也不会承担很高的电压。具体充电方式如图3-5所示。

在前面两个时期的充电过程之后，许多控制器会继续对蓄电池进行小电流的供电操作，从而可以使得电池的自放电得到补偿，该种小电流充电的方式也称为浮充。此阶段前面两过程后的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图3-5的虚线段。

图3.5 两阶段、三阶段充电曲线 3.5.4 快速充电 在正常情况下，如果对于蓄电池进行充电，然后重到满，需要很长时间。因此在很对很多情况下需要对该充电时间进行缩短，但是假如增加充电电流，这样就会对蓄电池的本身有很大的负面影响，从而降低电池的使用效率。如何更加快速的充电也就变成了一个问题，在此过程中，使用高电流电压，充电时间非常短，这种方式不会使得蓄电池产生大量的气体并且损伤蓄电池，在该种情况下，蓄电池的充电速度会很大程度的提高。

3.6 供电电路分析 3.6.1 BUCK降压斩波主电路 在实际供电情况中，直接承担电能的变换或控制任务的电路称为主电路。如下图为一主电路，假设其输出电压平均值U，其数值总是小于输入电压Ud。此电路使用了一个器件IGBT。当这个器件不打开的时候，为实际耗能部件增加电流渠道，加入了二极管VD。

图3.6 Buck降压斩波主电路图 3.6.2 电路工作原理分析 该电路采用了一个全新的器件IGBT。并且用控制和驱动电路来管理此器件的开关。当t=0时，R管被激励趋于导通，RD管要承受反压。在R管接通的t1时间内，开关管R流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存储于电感中。电源向耗能部件充电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如图3.7所示：
图3.7 电路工作时的电流波形图 当时，R管关闭，各种因素影响，电感电流要将其能量排放出来。二极管RD将会通畅，因此电流可以沿着耗能部件形成闭合回路。电流经二极管RD续流，负载电压约为零，耗能原件上的电流自然而然就会降低。为了让耗能原件正常工作，因此串联上一个相对大一些的电感L是非常有必要的。

到一个周期终止，让IGPT打开，不断重复其历史性工作。在某一时间，耗能原件的电流在一周期内起始与结束数值上是一样的，耗能原件电压的平均值为U.=KE，为IGBT接通的时间；
为IGPT关闭的周期；
T为开关周期；
K为导通占空比。

通过调节占空比K使输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比α，则随之减小。如下表3.1，为本次实验电路的占空比。

表3.1 占空比表格 输入电压/V 输出电压/V 占空比 30 24 24/30 35 24 24/35 45 24 24/45 55 24 24/55 65 24 24/65 70 24 24/70 4 软件部分设计 4.1 软件介绍 4.1.1 Proteus软件 Proteus是一种用于电路设计仿真的，功能较为全面的EDA软件。该软件由英国Labcenter electronics公司于1989年研发，距今已经开发维护了几十年，并且在该过程中受到很多高级工程师的支持 [8]。该软件具有诸多功能，性能表现十分突出。该软件包含了模拟电路、数字电路等很多很多功能模块。这些功能模块成功地为电路的设计与仿真搭建了良好的窗口，此外它还可以对单片机等核心部件进行操作。总而言之，它可以很好地完成对电路的建立，模型的处理仿真等作用设计功能特别突出。如下图就是用Proteus模拟仿真好的电路图。

图4-1 Proteus仿真示例 4.1.2 Matlab 软件 Matlab是一款非常优秀的数学建模软件，他可以实现系统地建模和仿真功能，人们可以利用Simulink来进行多域建模和仿真。人们可以使用以下功能：
使用特定工具和预建块，在多个域中对您的系统建模。

使用可重复使用的系统组件和库，通过组件化开发大型模型。

将模型组合成一个系统级仿真，即使模型不是在 Simulink 中构建。

在多核台式机、计算机集群或云上并行运行大量仿真，而无需编写大量代码。

图4.2 Matlab运行界面 5 主程序设计及模拟图 在本电路中，主要实现的是使用DCDC Buck降压斩波主电路来对整个电路实行一个稳压的作用，然后调节占空比来达到控制输出电压的目的。

IGBT电路元件的作用：通过对逆变器的开关提供控制信号和对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽。

建立一个合理的控制电路可以有诸多实验方式，首先人们可以利用单片机来通过DCDC的运算输出PWM 信号，然后也可以利用PWM信号对于外部信号集进行控制，如本次实验做做的处理方式。因为斩波电路有三种具体实施办法，PWM控制十分优异，因此实施利用PWM信号来控制IGPT原件的接通与断开。其本质是将直流电压转换成各种脉冲，然后对此进行调节，通过占空比，改变输入电压和输出电压之间的比例，然后得到输出稳定电压的目的。所谓的改变占空比也就是对脉冲等进行不同情况的调节，从而稳定输出恒定的24V直流电压来为蓄电池进行充电。

图4.1 主程序及模拟框图 上图为本次路灯设计核心电路图，由Matlab绘制而成，下图模拟出电路中的电压和电流情况，从上而下波形一为太阳能电池板上的电流、波形二为蓄电池充电的电流、波形三为负载上的电流，波形四为输出电压，也就是24V的恒定电压。

图4-2 单片机芯片图 图4.3 电路原理图 上图为单片机原理及实验电路，用Proteus绘制而成，单片机通过检测输出端、输出端电压，通过查表可得到占空比，然后得到P1.3输出，然后得到PWM信号，然后到达控制集A上，A控制管道，通过不停的开关，得到24V的稳定电压对蓄电池进行充电。

6 结 论 本文设计了一个完善的路灯控制系统，并且对蓄电池进行了稳压输入。通过使用DC-DC Buck降压斩波电路从而实现了对于输出24V恒定电压在白天为蓄电池进行充电，夜晚蓄电池为路灯供电。本文并使Matlab进行实验的仿真模拟以及利用Proteus对单片机及系统电路的绘制，最后实验效果非常理想。

参 考 文 献 [1] 安双利, 钱锐, 陆翔宇, 陆园. 基于单片机智能控制的路灯节能系统的研制[J]. 上海第二工业 大学学报. 2011,11(01):53-60. [2] 李茹雪. 路灯节能的控制系统设计分析[J]. 中国新技术新产品. 2010,4(02):3-6. [3] 贺一鸣, 王崇贵, 刘进宇. 智能路灯控制系统设计与应用研究[J]. 现代电子技术. 2010,12(01):3-5. [4] 王立红. 基于单片机的智能路灯控制系统[J]. 网络财富. 2010,8(06):55-56. [5] 赵鹏. 单片机控制的路灯系统模型设计[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2010,12(06):45-49. [6] 李健, 蒋全胜, 任灵芝. 智能路灯控制系统设计[J]. 工业控制计算机. 2010,9(06):14-18. [7] 张秀梅. 基于单片机的太阳能路灯智能控制系统设计[J]. 微计算机信息. 2012,11(06):4-6. [8] 王皑, 佘丹妮. 基于单片机的模拟路灯控制系统设计[J]. 仪表技术. 2011,16(11):56-59. [9] 陈春艳. 模拟路灯控制系统的设计与实现[J]. 电子设计工程. 2010,6(08):34-38. [10] 林建平, 吴必瑞, 叶德柱. 基于单片机模拟路灯控制系统的设计[J]. 河南工程学院学报(自然 科学版). 2010,9(04):12-14. [11] 甘本鑫, 徐少明, 苏红艳. 基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现[J]. 现代电子 技术. 2011,11(03):34-35. [12] 张旭彬, 丁戈, 王航宇. 基于STC12C5A60S2单片机的模拟路灯控制系统设计[J]. 电子设计 工程. 2013,13(16):34-36. [13] Gilman, JM, Miller, ME, Grimaila, MR. A simplified control system for a daylight-matched LED lamp[J].Lighting Research and Technology. 2013,11(5):45-48. 附图一 主程序及模拟框图 附图二 单片机芯片图 附图三 电路原理图 致 谢 经过几个月的努力，本次设计任务已经完成了，在这里我要特别感谢我的专业指导老师，从最初课题的选择到以后的整个设计过程中，老师一直在帮助我，给我悉心的帮助和指导，不仅给我传授自己当初写论文的经验，还给我们分享改重技巧。会定时帮同学们修改毕业设计中不合适的措辞以及格式，他当真无愧是个负责任的好老师。除此之外，我还要感谢同组的同学，在这几个月里我们一起讨论，一起修改方案，一直在不断的督促对方，才让我能较快的完成了这次毕业设计。

在毕业论文设计的过程中，我遇到了很多问题，刚开始做毕业设计时无从下手，不知道该怎么做，该实现什么样的功能。后来，画电路原理图时也遇到了很多困难，这大概是我整个毕业设计过程中遇到的最大问题了，最终这些问题都在老师的专业指导下逐一解决。在这里谢谢老师耐心的指导，同时感谢大学四年以来院领导以及各位专业老师的培养，大学让我学会了很多知识，让我收益颇多，希望在以后的工作学习中能够得到很好的应用。

不知不觉已在大学度过四个春秋，大学生活即将结束，谢谢曾经帮助我，支持过我的所有老师同学。