基于單片機的智能太陽能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

  摘要：隨著世界能源危機日益嚴(yán)重，利用太陽能成為解決能源問題的一大途徑，在此背景下開發(fā)智能太陽能路燈意義重大。本文介紹了智能太陽能路燈系統(tǒng)的組成及工作原理，采用LPC935 單片機作為主控制器，結(jié)合密封鉛酸蓄電池充電專用芯片UC3906，實現(xiàn)了對密封鉛酸蓄電池最佳充電所需的全部控制和檢測功能，延長了系統(tǒng)的使用壽命。通過熱釋電紅外、微波雙鑒傳感器技術(shù)及以無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)了紅外微波探測、相鄰路燈間的無線通訊以及主副燈的智能化切換，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，世界能源危機日益嚴(yán)重，利用常規(guī)能源已不能適應(yīng)世界經(jīng)濟快速增長的需要，開發(fā)和利用新能源越來越引起各國的重視。太陽能源本身的安全可靠、無噪聲、無污染和可再生性的特點，加之現(xiàn)今光伏技術(shù)的逐漸成熟，利用光伏發(fā)電成為解決能源問題的一大途經(jīng)。

　　智能太陽能路燈是利用太陽能組件的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能，并儲存在蓄電池中供負(fù)載使用，它是集太陽能光伏技術(shù)、蓄電池技術(shù)、照明光源技術(shù)于一體的新興技術(shù)。太陽能路燈控制器是應(yīng)用于太陽能光伏系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)太陽能電池板、蓄電池、負(fù)載的工作，使整個太陽能光伏系統(tǒng)高效，安全的運作。

　　1 智能太陽能路燈系統(tǒng)總體方案

　　智能太陽能路燈系統(tǒng)的由太陽能電池板、蓄電池、LED 燈（ 主燈、副燈） 和控制器組成（ 如圖1 所示） 。白天太陽能電池板接受太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充電控制電路儲存在蓄電池中； 晚間當(dāng)光線照度降低時，控制器使副燈點亮，進(jìn)行指示性照明。當(dāng)控制器監(jiān)測到有人經(jīng)過時控制器同時點亮主燈和副燈，同時和相鄰前后的燈通訊，控制鄰燈主燈和副燈同時點亮，保證行人在該路段的照明。控制器檢測到蓄電池充電或放電超出一定范圍時，控制器切斷充放電回路，保證電池不被損壞。遇到連續(xù)陰雨天季節(jié)可切換成市電照明，避免蓄電池長期虧電。

圖1 智能太陽能路燈系統(tǒng)總體方案[!--empirenews.page--]

　　2 控制系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件是基于P89PLC935 單片機作為主控制器的基礎(chǔ)，設(shè)計出符合功能要求的各個子模塊，原理見圖2。

　　（ 1） 控制器

　　控制器選用P89LPC935 單片機，它是一款單片封裝的微控制器，適合于本系統(tǒng)要求的高集成度、底成本的場合，可以滿足多方面的性能要求，LPC935 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2 － 4 個時鐘周期，6 倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51，同時，LPC935 集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目，它的8KBROM 能滿足本系統(tǒng)程序存儲器的要求，不需用擴展EPROM。

　　該單片機內(nèi)置的2 個4 路輸入的8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，不需再單獨選用A/D 轉(zhuǎn)換器，簡化了外圍硬件電路，P89LPC935 內(nèi)部的看門狗電路及低電壓掉電檢測可在電源故障和受到強電磁干擾時使系統(tǒng)可靠復(fù)位，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

　?。?2） 環(huán)境照度的檢測

　　本系統(tǒng)采用光敏開關(guān)檢測環(huán)境照度。環(huán)境照度檢測是整個路燈的總開關(guān)，只有在夜晚，環(huán)境照度較低的情況下，主副燈、人體感應(yīng)單元及相應(yīng)的控制電路開始工作，白天均不工作。白天時光敏電阻阻值小，比較器LM358 負(fù)端電壓高于正端電壓，比較器輸出低電平，單片機接收到低電平，屏蔽各種通訊和感應(yīng)信號，夜晚光敏電阻阻值大，比較器負(fù)端電壓小于正端，輸出高電平，單片機控制接收感應(yīng)信號和通訊信號。

　?。?3） 人體感應(yīng)單元

　　本系統(tǒng)采用被動式熱釋電紅外、微波雙鑒傳感器作為人體感應(yīng)單元。由于人體都有恒定的體溫，一般在36. 5℃，所以會發(fā)出特定波長，一般是10μm 左右的紅外線。人體發(fā)射的10um 左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到熱釋電元件上，熱釋電元件接受到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測處理并產(chǎn)生報警信號［2］，但是，熱氣流，暖風(fēng)也會造成被動式熱釋電紅外探頭發(fā)出錯誤信號，造成和相鄰燈之間的誤通訊。為了避免誤通訊，同時采用微波傳感技術(shù)，借助微波多普勒效應(yīng)探測移動目標(biāo)。使用熱釋電紅外、微波雙鑒傳感器克服了單一技術(shù)的缺陷，解決了誤通訊的問題，此傳感器的模擬信號直接連接P0. 0（ 內(nèi)置A/D） ，不需要外接A/D 轉(zhuǎn)換電路。

　?。?4） 通信單元

　　通信單元用于和相鄰路燈通信，以控制鄰燈主燈點亮，保證行人在相鄰燈間的亮度。本系統(tǒng)采用PTR2000 無限嵌入式模塊。PTR2000 是基于nRF401 基礎(chǔ)上的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊包括工作頻道的設(shè)置、接受、發(fā)送，通過設(shè)置TXEN、CS、PWR 3 個引腳設(shè)定工作模式，DO、DI 分別和單片機RXD、TXD 連接，通過串口和單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，PTR2000 將單片機要發(fā)送的信號調(diào)制成射頻信號發(fā)送到相鄰燈，同時將相鄰燈發(fā)送來的射頻信號調(diào)制成單片機識別的TTL 信號。[!--empirenews.page--]

　?。?5） 蓄電池充放電電路

　　蓄電池優(yōu)良的特性和長的使用壽命在一定程度上取決于正確的充放電，錯誤的充電使蓄電池壽命縮短、性能變差，因此對蓄電池的過沖過放要采用保護(hù)電路，確保蓄電池的正常充放電。本系統(tǒng)采用蓄電池專用模塊UC3906，它含有獨立的電壓控制電路和限流放大器，可以控          制UC3906 內(nèi)部驅(qū)動器的輸出，從而達(dá)到控制充電電流大小的目的。驅(qū)動器的輸出電流可達(dá)25mA，可直接驅(qū)動外接串流調(diào)整管，從而調(diào)整充電器的輸出電壓和輸出電流，UC3906 內(nèi)部的電壓和電流檢測比較器用于檢測電池的充電狀態(tài)，并控制充電狀態(tài)邏輯電路的相應(yīng)輸出信號。具體電路如圖2 中所示。

圖2 智能太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖

　　3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　控制軟件程序采用C 語言編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)（ 流程圖見圖3） 。硬件上電復(fù)位后，首先對LPC935 單片機初始化，將P1. 0，P1. 1 設(shè)置為推挽模式，提高驅(qū)動能力，P0. 0 設(shè)為高阻狀態(tài)屏蔽感應(yīng)信號，其余各端口設(shè)置為準(zhǔn)雙向口，然后根據(jù)系統(tǒng)要求將與PWR 連接的P2. 3 設(shè)置為低電平，使之處于低功耗狀態(tài)，此時不接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)光照亮度不夠時，系統(tǒng)采集到P2. 2 口為高電平，將P1. 1 置位，副燈點亮進(jìn)行指示性照明，同時把P0. 0 設(shè)置為準(zhǔn)雙向口，解除感應(yīng)信號屏蔽，將PWR 置位TXEN 清零，使PTR2000 處于接收狀態(tài)接收相鄰燈的通訊信號。當(dāng)有人通過時P0. 0 收到相應(yīng)的信號后，P1. 0 置位，主燈點亮，同時將PWR 和TXEN 置位，使得PTR 處于發(fā)送狀態(tài)并給相鄰燈發(fā)送信號，相鄰燈接收到信號后主燈點亮，保證了行人通過此段路的照明，延時30 秒后主燈自動熄滅，達(dá)到了無人通過時只有副燈進(jìn)行指示性照明的效果，實現(xiàn)了智能化。

圖3 智能太陽能路燈系統(tǒng)流程圖

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹的的智能太陽能路燈系統(tǒng)，經(jīng)過實驗，白天太陽能電池給蓄電池充電，夜間蓄電池放電，在夜晚，當(dāng)沒有人經(jīng)過的時候，副燈點亮，指引道路，當(dāng)有人靠經(jīng)時主副燈同時點亮，同時向相鄰燈發(fā)通信信號，前后鄰燈也點亮。人體感應(yīng)距離為12m，主副燈同時點亮?xí)r路面照度到達(dá)40lux，各項指標(biāo)符合設(shè)計要求。