LED光伏太阳能照明系统设计 - - 毕业设计

本科生毕业设计（论文）

辽 宁 工 业 大 学

毕 业 设 计(论文)

题目： LED光伏太阳能照明系统设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气091 学 号： 学生姓名： 指导教师：

2013年 6月18日

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摘 要

本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用单片机STC89C51和时钟芯片DS1302控制路灯照明时间，利用低功耗的数据存储器24C02存储路灯点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。文中详细分析了控制器的电路组成和工作原理，简述了控制器的调试过程。

太阳能路灯系统的控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，防过充电控制，防过放电控制。过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。

太阳能路灯由太阳能电池、蓄电池、高亮度LED, 控制器等部件组成，减少噪声污染：太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。

关键词：太阳能电池；LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器

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Abstract

This paper designed a solar street lamp controller with time control and light control combination, controling street lamp lighting time by using STC89C51 MCU and clock chip DS1302 ,using low power data storage to storage the time of lighting lamps and extinguished lamps,achieving photoelectric control by Photoresistor .In the evening when the light is dim street lamp controller automatically switch on the power, when the late night pedestrian less according to set time extinguished lamp, morning auto power on light, dawn after the automatic shutdown. The circuit and operational principle is detailed analysed in the paper and resume the debugging process of the controller.

Controller of solar street lighting system is a key component of the street lamp management system , it's biggest function is to manage the storage battery, prevent charging control, prevent excessive discharge control. Charge control, is in the battery is charging state is disconnected from the charging circuit, a control circuit is to disconnect discharging circuit when the storage battery is in the overdischarge state , prolong the service life of the battery.

Solar street lamp is composed of a solar battery, battery, high brightness LED, and other components, reducing noise pollution: solar street lamp has few moving parts, no noise.

Key words: solar battery; LED; lead-acid batteries; when the control; light control circuit; charge-discharge controller

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目 录

第1章 绪 论 .......................................................................................................... 1

1.1 太阳能照明的优点 ................................................................................... 1 1.2 太阳能照明发展的趋势 ........................................................................... 2 1.3 太阳能路灯与普通路灯比较 ................................................................... 3 第2章 设计方案论证 ............................................................................................ 5

2.1 设计思路及原则 ....................................................................................... 5 2.2 设计要求 ................................................................................................... 5 2.3 方案选择 ................................................................................................... 5 第3章 系统总体方案 ............................................................................................ 7

3.1 太阳能路灯照明系统基本组成 ............................................................... 7 3.2 太阳能路灯照明系统工作原理 ............................................................... 7 第4章 系统硬件设计 ............................................................................................ 9

4.1 照明负载 ................................................................................................... 9 4.2 太阳能电池板 ......................................................................................... 10

4.2.1 太阳能电池板组件 ...................................................................... 10 4.2.2 太阳能电池组件支架 .................................................................. 12 4.3 蓄电池 ..................................................................................................... 14

4.3.1 蓄电池原理及特性 ...................................................................... 14 4.3.2 蓄电池的种类和应用 .................................................................. 15 4.3.3 铅酸蓄电池的工作原理 .............................................................. 16 4.3.4 蓄电池充电 .................................................................................. 17 4.3.6 蓄电池给LED供电 ..................................................................... 18 4.4 蓄电池和太阳能板的选用 ..................................................................... 19 4.5 过充、过放控制电路 ............................................................................. 20 4.6 时钟显示电路结构及工作原理 ............................................................. 21 4.7 存储器AT24C02 ..................................................................................... 24 第5章 系统控制器设计 ...................................................................................... 27

5.1 控制器结构 ............................................................................................. 27 5.2 电压采集与电池管理 ............................................................................. 27 5.3 负载输出控制与检测电路 ..................................................................... 28

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5.4 电源电路设计 ......................................................................................... 30 5.5 系统软件设计 ......................................................................................... 31 第6章 结论 .......................................................................................................... 35 参考文献 ................................................................................................................ 36 致谢 ........................................................................................................................ 38 附录Ⅰ .................................................................................................................... 39 附录Ⅱ .................................................................................................................... 45 附录Ⅲ .................................................................................................................... 56

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第1章 绪 论

1.1 太阳能照明的优点

无论是现在还是将来，太阳能都拥有广阔的市场前景。潜力无限的太阳能是一种清洁、高效而且可持续的可再生能源。同时，使用太阳能也是一个明智的财务选择。如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。另外，太阳能是环保的选择，如果您知道使用太阳能将为您的孩子留下一个更环保的美好世界，您一定会感到自豪。

如今，全球的光伏 (Photovoltaic， PV) 太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之一。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。如今，光伏系统的价格已经是20年前的1/25。即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。研究结果显示，太阳能在北方的气候条件下更为有效。在加利福尼亚州，电费每年上涨6.7%。太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。在许多国家，您可以将富余电力卖给电力公司，冲抵您的电费。与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用范围广，而且更经济。在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子孙后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。光伏系统在提供电力的同时，不会排放二氧化碳 (CO2)。一块光伏组件在 25 年的有效使用期内，可减少约 7.5 吨的碳排放量。

随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高，绿色节能照明的研究应用，将越来越受到重视。太阳能LED照明灯具作为冷光源产品，具有性价比较高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、安装维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明系统，但太阳能LED照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈。

目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。为实现这一目标，业界已研究开发出多种节能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还较远，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。

到2006年底，我国可再生能源利用量总计为2亿吨标准煤(不包括传统方式利用生物质能)，约占0.5个百分点，为2010年实现可再生能源占全国一次能源消费总量10%的目标迈出了坚实的一步。目前，我国正在从以下几个方面来推动光伏发电的国内市场发展：1、启动送电到村工程；2、在特殊工程上运用光伏发

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电，如世博会、奥运会等；3、在沙漠地区建光伏电站；4、动员一些城市启动屋顶计划；5、研究制定提高光伏发电竞争力的电价政策(光伏产品90%的出口以及国内市场的缺失，都可能限制中国光伏产业的长远发展。一旦国外光伏产业政策有变或者为保护本国产业采取限制进口的措施，中国近年来大量上马的光伏项目将面临困境)。

1.2 太阳能照明发展的趋势

太阳的能源非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳光所产生的能量相当于全球人类一年消耗的能量。可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。目前，全球能源危机日益加剧，各国都在寻找新的能源，以取代即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。作为新型照明方式之一，太阳能照明能否挑起重担，在未来的照明行业中起主导作用？这不仅仅是照明行业所关注的焦点，也是整个社会思考和关注的焦点。

利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料。太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用。不包含任何运转部件，系统可连续工作、使用寿命超过数十年。太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定。无需为引接入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失。太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。

太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。

因为硅晶片价格昂贵，最初的太阳能仅应用在航天事业上。在技术上稍有突破后，被美国、日本、德国等发达国家率先尝试运用在高科技领域。随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。近几年来，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势，太阳能庭院灯、太阳能草坪灯和太阳能装饰灯等应用逐渐形成规模。

大量试验表明，太阳能灯具和普通灯具对比分析后得出：在满足同样照明要求的条件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。工程越大，

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普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。在后续的使用费用上（电费、维护费用等），太阳能灯具的优势更明显。“如果在全国推广使用3亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程”，中山市百特照明科技有限公司朱建平经理介绍。

据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。

1.3 太阳能路灯与普通路灯比较

随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保能源之一，太阳能照明就是利用太阳能最重要的途径。太阳能照明路灯采用高效单晶硅太阳能电池供电，采用免维护密封型蓄电池贮存电能，用高效节能灯照明，并采用先进的充放电和照明控制电路，具有性质可靠、发光效率高、亮度大、安装方便、无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光敏控制、安全可靠、节能、经济、环保，实用)寿命长，是未来户外照明的发展方向和照明灯具中的一枝新秀。

市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。对比而言，太阳能照明绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。太阳能照明灯具有体积小，重量轻，低能耗，高光强，防雷击，无须其它电源，安全可靠，安装、维护方便等特点。太阳能照明灯可广泛应用于：家庭别墅、单位花园、公园绿地、环保小区、房前路边等户外场所的照明。

一盏普通的路灯以400W光源、日工作10小时计，1年平均耗电量是1460度电，还需要专人维护、更换灯泡；而太阳能路灯一般采用寿命长达50000小时以上的LED灯作为光源，日常无需增加消耗电量的费用开支。换个角度说，每装一盏太阳能路灯，每年就可节省1460度电，十年可节省14600度。

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1、太阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算 太阳能路灯其实并不贵。在很多人眼里，路灯的成本不过是一根杆，一只灯泡。但是，事实上根本不是这样子，一盏普通路灯除了这些成本，还有预埋地下的电缆申请和施工过程的费用，还可能影响、破坏周围植被和景观，日常需要专人定时维护、更换灯泡，同时每隔大约1Km要建一个升压站（防止输电线路过长，电压降低过大，影响灯光亮度），分摊下来的成本每盏大约在3万元左右，目前市政道路路灯的招标价格每盏一般也在2～3.5万元之间。

而太阳能路灯的最大成本就是太阳能电池板，无需预埋输电电缆及相关工程费用，一盏8～12米的太阳能路灯的造价一般在1.8～3.5万元之间。这些太阳能路灯一般使用的光源是长寿命的LED灯或低压钠灯，使用的电压都是绝对安全的直流低电压，采用光控、时控、全自动、无触点电子开关，故障率极低，整体路灯使用寿命要长达15年。此外，路灯与路灯之间彼此独立工作、互不干扰，可根据实际情况将某段时间设计成节能照明状态，从而有效降低造价。只要设计合理，实际比普通路灯更划算。

2、偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆都在8米高以上，偷盗电线不合算 近年来，由于铜以及其他金属价格的上涨，偷盗路灯电缆成为一大治安问题。很多人担心太阳能路灯采用的都是高新技术的材料，一旦被盗的损失会更高，持这种观点的人不少，不仅仅有一些政府官员，连一些能源研究专家也认为这确实是一个问题。

3、大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算 （1）不受地理位置限制、无需消耗燃料，无机械转动部件，建设周期短，规模大小随意；

（2）安全可靠、无污染、无噪声、环保美观、故障率极低、寿命长； （3）拆装简易、移动方便、工程安装成本低，无需预埋架高输电线路，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏及其所需的工程费用；

4、广泛应用于道路照明上，非常适用于乡村、农场、山头、海岛、高速公路等输电不便的偏僻地方。

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第2章 设计方案论证

2.1 设计思路及原则

设计思路：太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。

首先是根据用电负载（LED光源）的用电量，确定太阳能组件，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能LED路灯运行的稳定性和可靠性。

设计的原则：对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题： 1、从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。

2、在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。

3、另外还要结合当地的光资源情况。

2.2 设计要求

1、电池板功率的计算和选用；

2、蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示； 3、连续阴雨天三天路灯仍能照明；

4、光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；

5、系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

2.3 方案选择

太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。

单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光

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线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。

采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟LED液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器 件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。

经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。 路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。 本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。

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第3章 系统总体方案

3.1 太阳能路灯照明系统基本组成

照明系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED光源、控制器、蓄电池和灯杆等几部分构成；太阳能电池板的光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。

3.2 太阳能路灯照明系统工作原理

系统工作原理利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低、充放电控制器侦测到电压值变化后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。

图3.1总体方案图

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太阳能电池板 充放电控制器 路灯控制处理器 LED路灯负载 蓄电池

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太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。

根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。系统总体方框图如图3.1所示。

由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。

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第4章 系统硬件设计

4.1 照明负载

LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。

LED 作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。有以下特点：

1、高光效 LED光效达50～200流明/瓦，光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。

2、高节能 具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10～12瓦的LED光源发出的光能与一个35～150瓦的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果LED比传统光源节能80%～90%。

3、光色多 可以选择白色或彩色光，红色、黄色、蓝色、绿色、黄绿色、橙红色等。

4、安全性高 LED光源使用低电压驱动， 发光稳定，无污染，没有50HZ频闪，没有紫外线B波段，白色色温5000K，最接近太阳色温5500K。

5、快速响应 LED发光管响应时间很短。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。

6、运行成本低 其他光源不仅耗电是LED光源的2-10倍，而且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。因此选用使用寿命长的LED光源从长远看非常经济。

超高亮白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED或平光

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型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5mA 。

超高亮白光LED发光源具有如下优点 ：

1、寿命长。LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000 h，荧光灯的寿命也不过5000 h左右。

2、效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的10％～20％。

3、绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。

4、耐低温。环境使用温度在一40℃～80℃ ，环境适应性非常强。 这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。

太阳能LED发光源：在太阳能LED灯具中，发光源所用的LED数量，从1个到上千个不等，一定数量的LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED的发光效率，并使得单位面积LED的数量少以降低成本。

本设计采用的单个高亮管的正常工作电压3.3V，共采用28个1W高亮管，每7个高亮管串联成一组，共四组并连在电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。

4.2 太阳能电池板

4.2.1 太阳能电池板组件

在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发

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电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。

1、太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。

2、太阳能光发电：不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇性。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加．生产成本开始下降[7]。目前,光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。

太阳能电池的基本特性

太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000W／m2；太阳能电池温度T=25℃；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量。

太阳能电池的种类也是多样化的，分为： 1、单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 2、多晶硅太阳能电池

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电

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池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

3、非晶硅太阳能电池

非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

4、多元化合物太阳能电池

多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：a)硫化镉太阳能电池b)砷化镓太阳能电池c)铜铟硒太阳能电池(新型多元带隙梯度Cu(In, Ga)Se2薄膜太阳能电池)。

Cu(In, Ga)Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。可以达到的光电转化率为18%，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。

当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90%以上,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。

4.2.2 太阳能电池组件支架

1、倾角设计

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯选定太阳能电池组件支架倾角为16o。

2、抗风设计

在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风

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设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。

（1）太阳能电池组件支架的抗风设计

依据电池组件技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。

（2）路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：

电池板倾角A = 16o 灯杆高度= 5m

设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm灯杆底部外径= 168mm

焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。

所以

M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m （4-1）

根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩

W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3） （4-2）

上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。 破坏面抵抗矩

W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）

= 88768mm3

=88.768×10-6m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力

= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa 其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。

所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。

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4.3 蓄电池

4.3.1 蓄电池原理及特性

蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。

蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。

蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。

太阳能蓄电池应该具备以下特性：

1、比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力。 2、长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。

3、适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池。

太阳能蓄电池的使用和维护： 1、工作适宜温度15～20℃

2、太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电池的电

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压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路（碰头）。

3、对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池，进行一次较长时间的充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行8—16小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。

4、保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。

5、为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术，对太阳能蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。

6、冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放于通风阴冷处。

4.3.2 蓄电池的种类和应用

化学电源是人类目前可以利用的高效能源之一。蓄电池也称作二次电源，它是一种把化学反应所释放出来的能量直接转变成直流电能的装置。蓄电池按照其电解液的不同，通常分为酸性电池和碱性电池。近几十年来，由于交通。通讯。计算机产业的高速发展，其产品系列。产品种类。产品性能发生了巨大变化，以此满足不同用途的需要。目前，蓄电池主要应用于各种车辆。船舶。飞机等内燃机的起动以及照明。蓄能。不间断电源。移动通讯。便携式电动五金|工具。电动玩具当中。

总之，蓄电池在国防。工农业生产。交通运输。电力。电子。通讯。教学。科研。医疗卫生以及人们日常生活中被广泛应用。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。镉镍蓄电池。铁镍蓄电池。金属氧化物蓄电池。锌银蓄电池。锌镍蓄电池。氢镍蓄电池。锂离子蓄电池等。

常用蓄电池介绍： 1、铅酸蓄电池

铅酸蓄电池负极为铅，正极为二氧化铅，电解液为稀硫酸，主要有起动型。固定型。牵引型。动力型和便携型，常为开口或防酸式(GF)，少量为胶体电解液蓄电池(GEL)。近年来，，特别是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄电池的出现，在某些领域已经能够取代碱性蓄电池和干电池，使铅酸蓄电池发挥更大的作用。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，因此应用广泛，是我国的电信行业中后备电源的主要产品。

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2、镉镍蓄电池

镉镍蓄电池负极为镉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液。常见外形是方形。扣式和圆柱形，其有开口。密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式。烧结式。压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高。低温性能好，循环寿命长等特点。

3、金属氢化物镍蓄电池

金属氢化物镍蓄电池是新开发出来的新产品，负极为吸氢稀土合金，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾。氢氧化锂水溶液，比能量是镉镍蓄电池1.5-2倍，具有可快速充电。优良的高倍率放电性能和低温放电性能，价格便宜，无污染，被称为绿色环保电池。

4、铁镍蓄电池

铁镍蓄电池负极为铁粉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。具有结构坚固。耐用。寿命长等特点，比能量较低，多用于矿井运输车动力电源。

5、锌银蓄电池

锌银蓄电池负极为锌，正极为氧化银，电解液为氢氧化钾水溶液，具有较高的比能量及优良的高倍率放电性能，但价格偏高，多用于军事工业及武器系统。

6、锌镍蓄电池

锌镍蓄电池负极为锌，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液，具有高比能量，价格较低；但寿命较短，近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高，预计随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。

7、锂离子蓄电池

锂离子蓄电池负极是碳(石墨)，正极是氧化钴锂，由于采用有机电解质液，具有电压高。比能量高及优良的循环寿命，安全无污染，被称为绿色电源。常作为通讯工具和便携器材的电源。

总之，我国的蓄电池工业随着各行各业的发展获得了迅速发展机会。至今目前，我国从事蓄电池生产的企业已达千家之多。同时，免维护。阀控密封式铅酸蓄电池。金属氧化物物镍蓄电池。锂离子蓄电池等新型蓄电池也各有侧重的应用于各行各业中。

4.3.3 铅酸蓄电池的工作原理

由于本设计太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下：

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1、充电：

蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。

在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。

化学反应过程如下：

（正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （负极）

PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充电反应） 2、放电

蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时， 硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅”，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。

化学反应过程如下：

（正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （负极）

PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放电反应）

从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。

4.3.4 蓄电池充电

当系统检测到环境太阳光线充足时，控制器就会进入充电模式。蓄电池充电主要有两个比较重要的电压值：深度放电电压和浮充电电压。前者代表蓄电池充电的最高电压，这些参数可从蓄电池产品手册上查到。在电路设计中针对24V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V和浮充电电压为13.8V。具体充电模式见表4.1所示。

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表4.1蓄电池充电模式

11V13.8V 恒流充电模式，确保蓄电池电压稳定在13.8V 从表4.1可以看出恒流充电模式会用到MPPT算法，MPPT算法有很多种方式可以实现，总的来说各有优劣，设计中采用相对简单的扰动观察法来实现。这种方法是通过增大或者减少充电电路开关信号PWM占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，由此来决定下一步是增大还是减小占空比。由于太阳能电池的输出变化相对比较缓慢，而且是单级点，所以采用这种方式可收到比较好的效果。

4.3.6 蓄电池给LED供电

当系统检测到环境太阳光线不足时，就会进入蓄电池给LED供电模式。LED电流通过高位电流检测芯片（TSC101AILT）采样送回MCU，有MCU通过调整开关信号PWM的占空比来获得恒定输出电流。为了达到节能的目的，LED的恒定电流值会根据系统检测的环境光强度来调整。当环境光由暗变亮时，系统的输出电流也会相应从小变大；当环境光照完全暗下来时，系统的输出电流也达到预设的最大值。除了由环境光照控制LED的光输出，用户还可以通过设定开光DIP1～DIP4的状态来设置LED灯的开启时间，系统会根据DIP1～DIP4的设定组合来控制LED路灯工作在5min～12h的时间范围内。

此外，为了提高系统的可靠性，在电路设计中设置了针对太阳能电池组件，蓄电池和LED等一系列软硬件的保护功能。

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4.4 蓄电池和太阳能板的选用

太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用单晶硅太阳能电池组件。

本电路采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。

该电源给路灯供电,该路灯的工作电压为24V ,工作电流约1.2A。由于路灯一天要工作8个小时左右,考虑连续阴天3天情况下系统的供电,后备电源须具有24h的供电能力,且按80%的放电率计算,则蓄电池的容量如公式（4-3）为:

Qx=(Tx×Is)=(24×1.2)/0.8=36(Ah) (4-3)

式中:

Qx——蓄电池容量; Tx——蓄电池放电时间; Is——设备工作电流。

应选用24V/36Ah免维护蓄电池。

有日照时，要求太阳能板给蓄电池充电，每天有效充电时间8H,两天充满,则可计算出太阳能板输出的功率如式(4-4)：

P=24Ic

=Vg〔Qx+Qs ×(D-1)〕/(Tc ×D)

=24Qx/Tc=24*(36+9.6)/16=68.4W (4-4) Qx——蓄电池容量； D——充满电需要的天数； Qs——日耗蓄电池容量； Vg——设备工作电压； Tc——充电满电所用时间。 则太阳能板取24V/70W。

而在本设计中只做演示所以故采用12V/20W但其原理都是一样的。

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表4.2 太阳能LED灯具的主要性能指标

太阳能电池 LED发光源 工作温度 过充保护电压 70W ，24 V 28只LED、每只1 W -40℃ +80℃ 26 V(25C) 过放保护电压 22 V 蓄电池 照明时间 24 V,36Ah 天黑后，光控自动启动电光转换功能，使路灯点亮；在深夜时控（时间点可调）自动使路灯熄灭；早晨时控（时间点可调）自动使路灯点亮；天亮后光控自动恢复到光电转换模式 阴雨天保证时间 保证连续3个阴雨天正常工作

4.5 过充、过放控制电路

过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，

延长蓄电池的使用寿命。过充、过放控制电路如图4.1。过充、过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：

过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于26V时，认为蓄电池处于过充状态，U1A“-”端电压高于“+”端电压时U1A输出“-”，低电平，使Q1截止，同时Q2导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。

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K1 D1IN5408

R110K F1 R2 R3 FUSE1 2K 10K 10K R4 ZD1COM2 U1A R520KR61y3? 10K R8 10K Q1 8050 R710KJ1 D2 K2 K3IN4007Q28050 2K R9

+12V

μ?D3COM1ì????ü°? LED2蓄电池 8.2V RP1 RP2 15K 15K U1BR10 20K í￡3???ê? R111y·? 10K 10K R13 Q3 10K 8050 R12J2 LED1

IN4007í￡·?±￡?¤Q48050 图4.1 过充过放控制电路

过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于10V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U1B“+”端电压低于其“-”端电压时，U1B输出“-”低电平，使Q3截止，同时Q4导通，继电器线圈J2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮停止向负载供电。达到过放保护功能。

4.6 时钟显示电路结构及工作原理 212

下图4的DS1302负责计时，时钟信号由单片机读出后经过处理送往LCD1602显示时间值，同时，单片机负责检测按键状态，根据输入状态，对时间进行调整、对定时时间进行调整等操作，并将定时时间值存储在STC的EEPROM中，在定时时间到达时，控制LED照明系统点亮及熄灭等。

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图4.2 时钟显示电路

时钟电路简单的定义如下：

1、就是产生象时钟一样准确的振荡电路。

2、任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。 现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。

实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时，定时器定时，但其缺点是计时有误差，需要隔一段时间校正一次；另一种就硬件计时，现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用[17]。在设计中采用是硬件定时，时钟芯片DS1302。DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电

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流充电的能力。

表4.3为 DS1302引脚功能,图4.3为与单片机的连接图,其中Vcc1为主电源， VCC2为后备电源。在一般情况下，由主电源供电，同时主电源向备用电源充电，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。图中SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

表4.3 DS1302的管脚介绍

管脚名称 X1、X2 功能 32.768kHz晶振引脚 复位 数据输入/输出 写保护 电源引脚 地

RST I/O SCLK VCC1、VCC2 GND

1302vccvcc1scli/orstp1.5p1.4p1.3

c810pvcc2x1x2

c910pgnd23

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图4.3 DS1302引脚与单片机的连接图

图4.3为与单片机的连接图,其中Vcc1为主电源，VCC2为后备电源。在一般情况下，由主电源供电，同时主电源向备用电源充电，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。图中SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

4.7 存储器AT24C02

AT24C01/02/04/08/16

是低工作电压的 1K/2K/4K/8K/16K 位串行电可擦除

只读 存储器，内部组织为128/256/512/1024/2048 个字节，每个字节 8 位，该芯片被广泛应用于低电压及低功耗的工商业领域 。

主要特性:

1、工作电压：1.8V～5.5V 2、输入/输出引脚兼容 5V 3、应用在内部结构：

128x8(1K),256x8(2K),512x8(4K),1024x8(8K),2048x8(16K) 4、二线串行接口

5、输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪声 6、双向数据传输协议

7、兼容 400KHz（1.8V,2.5V,2.7V,3.6V ） 8、支持硬件写保护

9、高可靠性：写次数：1,000,000 次 ， 数据保存：100 年

AT24C02在本设计中的作用是掉电存储器，是为了防止电源突然断开的时候，

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用户的信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。 结构框图如图4.4：

图4.4存储器AT24C02结构图

引脚说明：

串行时钟信号引脚信号(SCL)：在 SCL 输入时钟信号的上升沿将数据送入 EEPROM 器件,并在时钟的下降沿将数据读出。

串行数据输入据输入/输出引脚输出引 (SDA)(SD）：DA 引脚可实现双向串行数据传输。该引脚为开漏输出，可与其它多个开漏输出器件或开集电极器件线或连接。

(A2,A1,A0) ：A2、A1 和 A0 引脚为AT24C01 与AT24C02的硬件连接的器件地址输入引脚 。AT24C01在一个总线上最多可寻址八个1K器件，AT24C02在一个总线上最多可寻址八个 2K 器件，A2、A1和 A0 内部必须连接。

AT24C04 仅使用 A2、A1 作为硬件连接的器件地址输入引脚 ，在一个总线上最多可寻址四个 4K 器件。A0 引脚内部未连接。

AT24C08 仅使用 A2作为硬件连接的器件地址输入引脚 ，在一个总线上最

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多可寻址两个 8K 器件。A0 和 A1 引脚内部未连接。

AT24C16 未使用作为硬件连接的器件地址输入引脚 ，在一个总线上最多可连接一个 16K 器件。A0、A1 和 A2 引脚内部未连接。

写保护(WP) 引 AT24C01/02/04/08/16 写保护功能。

存储器AT2402的1，2，3脚为空脚，4脚为接地端，5脚为数据端，6脚为时钟端，7脚为写保护端口，8脚为电源端口。其与单片机的连接如图4.5所示：

VCCP1.6具有用于硬件数据写保护功能的引

脚。当该引脚接 GND 时,允许正常的读/写操作。当该引脚接 VCC 时,芯片启动

P1.720c42a0a1a2a3vccwpR185.1kR19 scl5.1k sda 图4.5 24C02与单片机连接图

图中R18、R19为上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗。每当设定一次信息，系统就自动调用存储程序，将信息保存在芯片内；当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的信息，读到缓存单元中，供主程序使用。

AT24C02在本设计中的作用是掉电存储器，是为了防止电源突然断开的时候，用户的信息不会丢失，存储当前设定的信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存相当长的时间，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能则必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

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第5章 系统控制器设计 5.1 控制器结构

太阳能路灯智能控制系统硬件结构，如图5.1所示，以STC12C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。

图5.1 太阳能路灯智能控制系统硬件结构

STC12C5410AD是STC12系列的单片机，采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令采集，片内容含有10KBFlash程序存储器，同时内部还有看门口（WDT）；片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道PWM；具有可编程的8级中断源4种优先级，具有在系统片成（ISP）和在应用编程（IAP），片内资源丰富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。

5.2 电压采集与电池管理

太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断，因而可以做为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。

蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压（26V）时，自动关断对蓄电池的充电；当蓄电池电压低于保护电压（22V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。

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5.3 负载输出控制与检测电路

本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制于检测，具有完善的过流、短路保护措施，电路原理如图5.2所示。

图5.2 电路原理图

注：P1.6为单片机18引脚；P1.7为单片机19引脚；P3.2为单片机6引脚

负载过流及短路保护:设计了两级保护。第一级采用了R7(0.01Ω康铜丝)以及运放LM358、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现，这里使用了硬件+软件的方式，LM358的输出送P1.7(A/D转换)口，用作过流信号识别，当电流超过额定电流20%并维持30s以上时，确认为过流;短路电流整定为10A，响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护，当流经电子保险丝的电流骤然增加时，温度随之上升，其电阻大大增加，工作电流大幅降低，达到保护电路目的，响应时间为秒数量级，过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体，无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后，在长达数小时时间负载短路实验后，控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护，一旦烧毁必须人为更换的问题，同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比，也具有明显的优点，简化了维护，提高了系统的安全性能。

路灯控制器功能特点：

1、可靠性高、误差小、稳定性强。

2、断电数据保存，时钟不间断工作，无需更换电池，维持时钟运行十年以上。 3、经纬度计算开关时间，随季节变化合理控制，最小步长1分钟。

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4、采用液晶显示年、月、日、时、分，并带有背光，方便夜间观察和操作。 5、具有路数选择功能，可方便的设置为1路、2路或者3路控制。

6、工作模式0：用户设定开关时间，开灯范围12：00到23：55；关灯范围00：00到11：55。

7、工作模式1：采用经纬度控制开关时间，2路，3路关灯时间可在00：00到11：55设定。

8、工作模式2：经纬度控制时间正负30分钟风采用光控。 9、工作模式3：光强度控制开关灯。 10、具有独立检修按钮便于用电设备的检修。

11、抗干扰能力强，能抵御从电网直接输入幅值达2000伏的干扰脉冲。

12、大功率继电器输出，接220伏或380伏接触器，控制稳定，使用寿命长。 我们选用CLP12-5A/ST型太阳能LED路灯控制器，此控制器适合120W以下（12V）的太阳能LED路灯系统的自动控制，具有防止蓄电池过充电、过放电、反向放电功能。根据设定定时关闭照明灯具，或者根据光线强弱自动关闭照明灯具。

充电指示灯亮起表示正在充电，闪烁表示正在浮充电，不亮表示充电已停止。负荷指示灯亮起表示有输出，负载可以工作；不亮表示没有输出，负载不能工作。CLP12-5A/ST型太阳能LED路灯控制器的技术指标见表5.1

表5.1 CLP12-5A/ST型太阳能LED路灯控制器技术参数表

CLP12-5A/ST型太阳

外形尺寸 131㎜×69㎜×49㎜ 工作温度 -20～+60℃ 停止充电压温度系数 净重 -3mV/℃ 额定负载电流 5A 充电停止电压 14V 额定充电电流 5A 供电恢复电压 11.8V或23.6V 额定电压 12V 供电停止电压 10.8V或21.6V 120g 能LED路灯控制器的接线：

CLP12-5A/ST型路灯控制器的接线方法如图5.3所示。揭开控制器上盖，露出接线端子，按上盖图示进行接线。将蓄电池正、负极正确、牢固地连接到控制器的3、4端子上。负荷指示灯闪烁一下且30S后亮起，表示连接正确。

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将太阳能电池正、负极正确、牢固地连接到控制器的1、2端子上。将负载正、负极正确、牢固地连接到控制器的5、6端子上。

图5.3 CLP12-5A/ST型路灯控制器的接线图

CLP12-5A/ST型太阳能LED路灯控制器主灯关闭方式的设定：

按下Set键不放，片刻后绿灯开始闪烁，从“0”开始，没闪烁一下定时数增加0.5h。达到需要的时间后，松开键，设定完成，此时关闭主灯的方式为时控方式。超过10h后。绿灯转为快速闪烁，松开键，设定完成， 此时关闭主灯的方式为光控方式。

关闭方式查询步骤如下。 A 按下Set键1s，松开。

B 时控方式：绿灯闪烁一下代表0.5h（每秒2次）。 C 光控方式：快闪4s（每秒10次）。

D 光控有30s延时，以避免如雷电、汽车灯光的干扰。

4、控制器的防水，控制器大都装于灯罩、蓄电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中有些因为安装不当或者有的控制器的电路板没有做三防漆处理，会因为雨水顺着控制器端子的外接线流入控制器造成 短路。所以在施工时应该注意将控制器端子内部连接线弯成“U”字 型并固型, 暴露在外部的连接线也固定为“U”型，这样雨水就无法淋入 造成控制器短路，另外还可在内外线接口处涂抹防水胶来防水。

5.4 电源电路设计

路灯控制器集电磁技术、智能化控制技术、数据控制技术于一体，在可控和

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平缓的方式下智能调节，使输出电压稳定在设定的额定值范围之间，路灯控制器实现公共照明系统的工作电流与亮度需求的理想结合，达到节电和优化供电目的，路灯控制器节电率可高达20%-40%，对用电系统的保护作用可使其寿命延长3-4倍。路灯控制器主要采用进口元器件，且极少运用活动的元器件，通过生产流程中完善的品质控制，保证了极高的产品工作安全性，因而确保为用户单位提供更安全可靠和更优性能的产品服务。

路灯控制器电源电路如图5.4所示。系统太阳能供电，24V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2、C3作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C1、C4为滤波电容。

图5.4 电源电路 U2+24vC1+100UF1VinGND78L05+5V2C310p+5v+C4C210p47UF5.5 系统软件设计

系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。程序开始要进行初始化，调用24c02内部存储的开关路灯时间点，程序每各一段时间调一次1302中的时间。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，设定的比较间隔为1秒一次，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，对驱动电路进行驱动。系统总体程序流程图如图5.5所示。

如果想调整开关路灯时间点和1302中的当前时间可以通过设置的按键手动进行时间的调节图中开关S1、S2、S3分别为显示1302时间键，功能键和加一键。具体程序流程图如图5.6所示。

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开 始 初始化 24c02开关灯时间 调1302读时间 扫描按键 32

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图5.5 系统总体程序流程图

返 回 关 灯 开 灯 是否到关 灯时间 是否已开路灯 是否是第一次检测到光线暗 亮 暗 光线亮暗 选定时器初值 保护现场 中断T0 是 是 否 是 是否到开 路灯时间 否是 否 是 33

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中断 保护现场 选定时器初值 是否到30MS 是 功能键标志位=？ =0 =1 =2 =3 =4 =5 =6 =7 显示1302时间 显示1302时间时闪烁 显示1302时间分闪烁 显示关路灯时间点时闪烁存1302时间 显示关路灯时间点分闪烁 显示开路等点时闪烁存关路灯时间 显示开路灯时间点分闪烁 显示1302时间 存开路灯时间 返回

功能键程序流程图

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第6章 结论

本次毕业设计的太阳能路灯设计是针对已经存在的路灯进行改进，首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。设计中使用了光控和时控相结合的方法，避免了光控方法易受干扰，时控需频繁设置时间的麻烦，为了节约用电，在深夜行人较少时路灯根据设置的熄灯时间熄灭，早上行人多时根据设置的开灯时间亮灯。其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电。本设计需要改进的地方有由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电。

希望这个问题在以后的新型能源出现之后可以得到圆满解决。

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参考文献

[1] 张兴，杜少武. 电力电子技术（第一版）[M]. 北京：科学出版社，2010. [2] 康华光，邹寿彬. 电子技术基础（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社， 2008. [3] 黄汉云. 太阳能光伏发电应用原理[M]. 北京：电子工业出版社，2009. [4] 曹振华，孔海颖.电路设计教程（第一版）[M].北京：国防工业出版社，2007 [5] 欧阳名三，梁喆，姜媛媛，王宾.DSP原理与技术（第一版）[M].合肥：合肥工业大 学出版社，2009.

[6] 沈辉，曾祖勤. 太阳能光伏发电技术[M]. 北京：化学工业出版社，2005. [7] 杨金焕，葛亮. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2009. [8] 魏伟，许胜辉. 光伏并网逆变器的研究[J] . 电力电子技术 2008：42（11）. [9] 杜飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社：2009.

[10] 王凤岩，赵伟刚，许建平.单DSP控制两级变换逆变器[J].电工电能新技术 2007：26（4）

[11] 艾永乐，付子义等.模拟电子技术基础。北京：中国电力出版社，2008 [12]苏奎峰，吕强，常天庆.TMS320x281xDSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[13]李辉.太阳能光伏并网逆变模块的研究[D].成都：电子科技大学，2009. [14]杨金焕，于化从，葛亮.太阳能光伏发电应用技术.[M].北京：电子工业出版社，2009.

[15]李广海，叶勇，蒋静坪.IPM驱动和保护电路的研究[J].自动化与仪器仪表，2003，（12）：43-35

[16] 赵争鸣 ，刘建政． 太阳能光伏发电及其应用．科学出版社2006

[17]张丽蓉.可再生能源发电的发展现状及前景[J].电力学报，2008，23（1）：29-33. [18]昌金铭.国内外光伏发电的新进展[J].阳光能源，2007，1：28-31.

[19]孙焕铭，赵会成，王金 .51单片机C程序应用实例详解，北京航空航天大学出版社2011年3 月

[20] 陆兴峰，曹志峰，许洪华等．光伏发电的最大功率跟踪算法研究[J]．可再生能源. 2005 (1)：8-11

[21] IES TM-21-11 Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources，

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2003.

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致谢

几个月的毕业设计结束了，这次毕业设计让我学到了很多东西。毕业设计是职校四年所学知识的综合应用，为以后的工作打下坚定的基础。经过这次毕业设计，使我对太阳能电池板的工作原理有了进一步的了解。在设计中我得到了蒋华平老师的悉心指导，他的渊博知识、严格要求、严谨作风都给我留下了很深刻的印象，将使我受用一生，在此对老师表示感谢，另外在设计当中也得到了很多同学的支持，在此感谢他们。

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附录Ⅰ

翻译：Overview of LED lighting technology

LED Summary

LED (Light Emitting Diode), light-emitting diode, is a solid state semiconductor devices, which can be directly converted into electricity to light. LED is the heart of a semiconductor chip, the chip is attached to one end of a stent, is the negative side, the other end of the power of the cathode, the entire chip package to be epoxy resin. Semiconductor chip is composed of two parts, part of the P-type semiconductor, it inside the hole-dominated, the other side is the N-type semiconductor, here is mainly electronic. But linking the two semiconductors, among them the formation of a \junction.\zone in the hole with electronic composite, and then to be issued in the form of photon energy, and this is the principle of LED luminescence. The wavelength of light that is the color of light, is formed by the PN junction of the decisions of the material. With the appearance of the White Light-Emitting Diodes, the LED also developed to be used for lighting. It is a new type of light source in the 21st century with advantages of high efficiency, long-life span and invulnerability which can not be compared with the traditional light sources. When being pressured with positive voltage, the LED can emit single-color, discontinuous light, which belongs to a kind of Organic Electroluminescent Effect. Varying the chemic component of the semiconductor material being used, we can make the LED emit a certain light which is very closed to ultraviolet radiation, visible light and infrared ray.

LED history

50 years ago, people have to understand semiconductor materials can produce light of the basic knowledge, the first commercial diodes in 1960. English is the LED light emitting diode (LED) acronym, and its basic structure is an electroluminescent semiconductor materials, placed in a wire rack, then sealed with epoxy resin around, that is, solid package, Therefore, the protection of the internal batteries can play the role of line, so the seismic performance LED good.

LED is the core of the P-type semiconductor and components of the N-type semiconductor chips, the P-type semiconductor and N-type semiconductor between a

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transition layer, called the PN junction. In some semiconductor materials in the PN junction, the injection of a small number of carrier-carrier and the majority of the extra time will be in the form of light energy to release, thus the power to direct conversion of solar energy. PN junction on reverse voltage, a few hard-carrier injection, it is not luminous. This use of injection electroluminescent diodes is produced by the principle of light-emitting diodes, commonly known as LED. When it in a positive state of the work (that is, at both ends with forward voltage), the current flows from the LED anode, cathode, semiconductor crystals on the issue from the ultraviolet to infrared

light of different colors, light and the strength of the currents.

Instruments used for the first LED light source instructions, but all kinds of light colored LED lights in traffic and large screen has been widely applied, have a very good economic and social benefits. The 12-inch red traffic lights as an example, is used in the United States have long life, low-efficiency 140 watt incandescent lamp as a light source, it produced 2,000 lumens of white light. The red filter, the loss-90 percent, only 200 lumens of red light In the light of the new design, Lumileds companies have 18 red LED light source, including the loss of circuit, a total power consumption of 14 watts to generate the same optical effect. Automotive LED lights is also the source of important areas.

For general lighting, people need more white light sources. The 1998 white LED successful development. This is the GaN LED chip and Yttrium Aluminum Garnet (YAG) package together cause. GaN chip of the Blu-ray (λ p = 465nm, Wd = 30nm), made of high-temperature sintering of the Ce3 + YAG phosphors excited by this Blu-ray after irradiating a yellow, the peak 550 nm. Blue-chip installed in the LED-based Wanxing reflection in the cavity, covered with a resin mixed with YAG thin layer, about 200-500 nm. LED-based tablets issued by the Blu-ray absorption part of the phosphor, the phosphor another part of the Blu-ray and a yellow light mixed, can be a white. Now, the InGaN / YAG white LED, YAG phosphor by changing the chemical composition of the phosphor layer and adjust the thickness of the 3500-10000 K color temperature can be colored white. This blue LED through the method by white, constructed simple, low-cost, high technology is mature, so use the most.

In the 1960s, the use of science and technology workers semiconductor PN junction of The principle of developing a LED light-emitting diodes. At that time, the development of LED, the materials used are GaASP, its luminous color is red. After

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nearly 30 years of development, and now we are very familiar with the LED, has been sent to red, orange, yellow, green, blue, and other shade. However lighting necessary for white LED light only in recent years to develop, readers here to tell us about lighting with white LED

Conductor light-emitting diode (LED) as a third-generation semiconductor lighting source. This fantastic product has a lot of advantages: (1) efficient light: spectra of almost all concentrated in the visible light frequency, the efficiency can reach 80% -90%. The luminous efficiency of incandescent visible light efficiency of almost 10% -20% only (2) high quality of light: not as a result of spectrum UV and infrared, there is no heat, no radiation, is typically a green light illumination. (3)energy consumption of the small: single power generally 0.05-1w, through the cluster can be tailored to meet different needs, and waste very little. As a light source, under the brightness in the same power consumption of only ordinary incandescent 1/8-10.(4) long life: flux attenuation to 70% of the standard life expectancy is 100,000 hours. A semiconductor light can be used under normal circumstances 50 years, even if the long life of the people, life will be used up to two lights. (5) durable and reliable: No tungsten wire, glass and other easily damaged components, non-normal retirement rate is very small, very low maintenance costs. (6) the application of flexibility: small size, can flat pack, easy to develop into a short thin products, make point, line, face various forms of specific applications. (7) Security: working voltage 1.5-5v or less in between the current 20-70mA in between. (8) green: recyclable waste, no pollution, unlike fluorescent lamps containing mercury as ingredients. (9) response time is short: to adapt to frequent and high-frequency switching operation of occasions.

Green lighting, Energy conservation, not only responds the government building \and environment-friendly society\requirement, but also radically reduces the environmental pressure of economic growth. The advent of LED products, will effectively promote the realization of scientific concept of development, realize the sustainable development of society, and achieve win-win economic and social benefits - which are at a new starting point, to the historical mission and commitment of people-oriented lighting technology.

Changing traditional methods of lighting, LED is the solid-state semiconductor which transfers electricity directly into the visible light, LED has become the innovation of light world, LED is the essential green technology revolution to human.

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LED lighting products with DC drives, ultra-low power consumption, and electro-optical conversion close 100%, Compared with traditional light, it saves more than 80% light energy based on the same lighting effect .Under the appropriate current and voltage driver, the working life can reach 60,000to 100,000 hours, which is 10 times more than the traditional illuminant. Meanwhile, without Starter and Ballast, LED light has fast start-up, without strobe, soft light, pure spectrum, high CRI, be helpful for visual protection and physical health, create a harmonious and comfortable living environment.

On behalf of High Point technology representative of Semiconductor optoelectronic devices, LED products will constantly break scientific record; achieve higher luminous efficiency, more powerful, smaller, more pure spectrum, and intelligent control. With the maturing of LED technology, declining trend of manufacturing costs, In the near future, LED lighting will replace the full range of traditional lighting, bring revolutionary change for everyone’s work and life.

LED照明技术概述

LED概述

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED历史

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结

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中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。

上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来，这里向读者介绍有关照明用白光LED。

导体发光二极管(LED)作为第三代半导体照明光源。这种产品具有很多梦幻般优点：(1)光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。(2)光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。(3)能耗小：单体功率一般在0.05-1w，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-10。(4)寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时。一个半导体灯正常情况下可以使用50年，即使长命百岁的人，一生最多也就用2只灯。(5)可靠耐用：没有

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钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。(6)应用灵活：体积小，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。(7)安全：单位工作电压大致在1.5-5v之间，工作电流在20-70mA之间。(8)绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。(9)响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。

绿色照明、节能减排，既响应了政府建设“资源节约型和环境友好型社会”的要求，而且从根本上减轻了经济增长对环境的压力。LED产品的问世，将有效促进科学发展观的落实，实现社会的可持续发展，实现经济效益与社会效益的双赢——这是站在新的起点上，照明科技以人为本的历史使命和承诺。

LED改变传统发光方式，将电能直接转化为可见光的固态半导体，已成为光世界的创新，对人类来说是必不可少的绿色技术光革命。目前世界各国越来越重视照明节能及环保问题，作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，LED技术代表了未来照明产业发展的趋势。

LED照明产品具有直流驱动，超低功耗等特点，电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。且在合适的电流和电压驱动下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。同时，因无需起辉器和镇流器，LED灯具启动快，无频闪，光线柔和，光谱纯，显色指数高，有利于视力保护及身体健康，创造了和谐舒适的生活环境。

作为半导体光电器件“高新尖”技术的代表，LED产品将不断突破科学纪录，达到光效更高，功率更大，体积更小，光谱更纯，以及控制更智能化的行业目标。随着LED技术的日渐成熟，制造成本呈逐年下降的趋势。在不久的将来，LED照明将全方位取代传统照明，给每一个人的工作和生活带来革命性的改变。

LED护栏管: LED Hurdle Lamp LED点光源: LED Point Source

LED大功率洗墙灯: LED High Power wash wall LED大功率投光灯: LED High Power LED光纤 LED optical fiber LED柔性灯带 LED Soft Rope Light LED柔性霓虹灯 LED Soft No LED灯饰 LED lighting accessorize LED显示屏 LED panel LED喷绘屏LED Picture Module LED背景屏 LED Backdrop screen

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本科生毕业设计（论文）

附录Ⅱ

程序：

BITCNT EQU 30H

BYTECNT EQU 31H COMMAND EQU 32H

RCUDAT EQU 33H ； 定义1302 读出地址 XMTDAT EQU 3BH ； 定义1302 写入地址 IO_DATA BIT P1.4 ； 定义1302数据输入/输出端 SCLK BIT P1.3 ; 定义1302串行时钟 RST BIT P1.5 ; 定义1302复位 SCL BIT P1.6 ; 定义24c02串行时钟 SDA BIT P1.7 ; 定义24c02串行数据 XSJ BIT P3.2 ; 定义显示开关键 GNJ BIT P3.3 ; 定义功能键 JYJ BIT P3.4 ; 定义加1键

GM BIT P3.5 ; 定义光敏电阻输入端 TS2 BIT P1.0 ; 定义调时钟指示发光二极管 TGLD BIT P1.1 ;定义调关路灯指示发光二极管 TKLD BIT P1.2 ;定义调开路灯指示发光二极管 ORG 0000H

AJMP MAIN ;主程序入口地址 ORG 000BH

AJMP T0INT ;T0中断入口地址 ORG 001BH

AJMP T1INT ;T1中断入口地址 ORG 0030H

MAIN： MOV TMOD,#11H ;设置定时器T0,T1工作于模式1 SETB 30H CLR 31H

MOV 73H，#0 ; 功能键标志位 MOV 72H，#0 ; 闪烁标志位 CLR 32H

CLR 33H ; 闪烁标志位 MOV 70H，#0 MOV TH0，#0D8H MOV TL0，#0F0H

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