基于單片機的太陽能LED路燈硬件分析

趙樹坤

(肇慶市維納斯酒店有限公司，廣東 肇慶 526000)

社會需要不斷進步，國家需要建設發(fā)展，這些都離不開能源。國家建設發(fā)展需要消耗大量的能源作為最基本的保障，能源消耗的同時也造成了嚴重的環(huán)境污染。能源對于任何一個國家都是十分重要的資源。我們應轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，大力開發(fā)綠色清潔能源，降低能源消耗對人們生活環(huán)境的影響。其中，太陽能光伏發(fā)電就是一項應用前景十分廣闊的熱門技術(shù)，而太陽能光伏發(fā)電照明技術(shù)又在現(xiàn)實生活中具有廣大的實際應用領域。近年來，國內(nèi)經(jīng)濟實力的不斷增強，基礎設施建設也取得巨大成就。城市路燈建設就是其中典型代表。

太陽能LED路燈照明系統(tǒng)是太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)的結(jié)合體，太陽能電池板完成太陽能轉(zhuǎn)化為電能的任務，控制系統(tǒng)依靠蓄電池將其儲存起來讓LED燈具在需要時運行工作。基于單片機設計開發(fā)的太陽能路燈控制系統(tǒng)具有諸多長處：實用性高，維護簡單；僅使用太陽能資源，保護環(huán)境；布置快捷，智能化程度高。因此，達到節(jié)約電能，減少能源消耗，自動調(diào)整一年四季不同照明時間，減少人力的目的，使路燈控制系統(tǒng)更為智能化。

1 太陽能電池板的選擇

太陽能電池板(Solar panel)基本的采用硅為材料加工而成的。它能正常運行完成各種功能是依賴光化學效應或者是光電效應在陽光作用下接收太陽能。然后完成太陽能和電能兩種能量之間的轉(zhuǎn)化任務。

1.1 太陽能電池工作原理

太陽能電池的功能是吸收太陽能并轉(zhuǎn)化為電能，而實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化目標的主要材料有硒錮銅、砷化鎵、單晶硅、多晶硅、非晶硅等。這些材料都有著類似的工作原理。筆者分析了用晶體硅來科學展示光發(fā)電原理。通過往P型晶體硅摻雜磷能變成N型硅，形成P-N結(jié)，如圖1所示?，F(xiàn)如今，各類二極管、晶體管在我們生活中發(fā)揮著越來越巨大的作用。而它們能正常工作的保障就是內(nèi)部的PN結(jié)。半導體器件分為P型區(qū)域和N型區(qū)域，在P型區(qū)域中絕大多數(shù)為自由電子。而N型區(qū)域中則以空穴為主，由于擴散原理的作用。物質(zhì)總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，從而就形成了PN結(jié)。這就導致P型區(qū)域電子數(shù)量減少，N型區(qū)域電子數(shù)量增加，空穴數(shù)量減少。最后產(chǎn)生的結(jié)果就是兩個都不帶電的區(qū)域P型區(qū)域呈負電性，N型區(qū)域變成正電性質(zhì)。由于PN結(jié)位于兩者之間，一端呈現(xiàn)正電性質(zhì)，另外一端呈現(xiàn)負電性質(zhì)，所以就在接觸面形成了一個內(nèi)部的正電場。

圖1 P-N結(jié)形成圖

半導體由于自身性質(zhì)在受到陽光照射時其內(nèi)部就會產(chǎn)生一個自由電子。自由電子的產(chǎn)生必然伴隨著空穴的誕生。所以，半導體接收到太陽光后就會產(chǎn)生電子與空穴對。在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下電子和空穴會發(fā)生定向移動。電子受正電場作用向N型區(qū)域移動，空穴受負電場作用向P型區(qū)域移動。如果在這個時候?qū)N結(jié)兩端導通形成回路那么就會形成電流，從而完成太陽能與電能之間的轉(zhuǎn)化任務。這個過程的實質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程，如圖2所示。

圖2 光電能量轉(zhuǎn)換過程

1.2 太陽能電池的分類

單晶硅具有諸多優(yōu)點，例如它的光電轉(zhuǎn)化效率是所有太陽能電池中最高的，可以提供充足的電能。它的光電轉(zhuǎn)換率一般在18%～24%之間。另外單晶硅通常采用鋼化玻璃和防水樹脂作為外表層防護。所有相比于其他太陽能電池具有更強的耐用性，一般使用壽命可達25年。但它的缺點也非常明顯，就是采用更高級的材料導致制造成本居高不下，無法大規(guī)模推廣使用。

多晶硅是現(xiàn)實生活中使用最廣泛的一種太陽能電池。這主要是得益于其優(yōu)良的經(jīng)濟性。由于其采用普通材料制造，制造成本要低很多，所以在市場上更具有競爭力。但它的劣勢也特別明顯，光電轉(zhuǎn)換率較低，一般只有16%左右。而且它的使用周期也比較短，因此需要頻繁更換。

非晶硅太陽能電池誕生于1976年。它的優(yōu)點是原材料和能量消耗特別少。這主要得益于其特別的加工制造原理，制造的流程得到很大程度的優(yōu)化。而且它對工作環(huán)境的要求也很低，這也就是它能在弱光條件下正常工作的原因，從而具有更高的可靠性。它的劣勢就在于觀點轉(zhuǎn)化率比較低，而且還會波動衰減。

蓄電池正常充電的條件是太陽能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍。例如：6V蓄電池正常充電需要用8V～9V太陽能電池。而給12V蓄電池充電需要用15V～18V太陽能電池。

2 蓄電池的選擇

蓄電池作為系統(tǒng)的能源儲存裝置，其對能量的儲存性能直接影響到系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時又要考慮蓄電池處理的環(huán)境保護問題，對環(huán)境的負面影響應該盡量做到最小?，F(xiàn)如今市場上廣泛使用的是普通鉛酸蓄電池，膠體蓄電池這兩種蓄電池。普通蓄電池經(jīng)濟性比較好而且維護簡單方便，在許多場合都有大量使用。但它的缺點也很突出，就是后期對環(huán)境破壞比較大，處理麻煩。堿性鎳鎘蓄電池對使用環(huán)境要求低，具有較高的可靠性和實用性，但是經(jīng)濟性不高。目前還沒有大規(guī)模使用，只在一些特定環(huán)境下使用。

2.1 蓄電池的分類

現(xiàn)如今，普通蓄電池、免維護蓄電池、干荷蓄電池在實際中使用最為廣泛。

2.1.1 普通蓄電池。普通蓄電池具有的經(jīng)濟性好，而且工作電壓穩(wěn)定的特點。但是它的使用周期比較短需要經(jīng)常更換。而且它的比能低，這就導致了在提供相同電能情況下普通蓄電池重量更大。

2.1.2 干荷蓄電池，也被叫作干式荷電鉛酸蓄電池。它在使用前半個小時需要將電解液倒入其中。而且它的儲電能力非常強。在特定條件下甚至可以將電能儲存兩年時間。

2.1.3 免維護蓄電池。正如其名字一樣，免維護蓄電池后期維護工作量特別小，基本上不消耗電解液。目前廣泛使用的是一種可以添加電解液的蓄電池，另外一種是器件密封不能添加更換電解液的蓄電池。它的耐用性也特別強，具有重量輕、耐碰撞、耐腐蝕、穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。再加上維護簡單使得其反使用周期比普通蓄電池要長許多。

2.2 太陽能蓄電池特性

①由于特殊的構(gòu)造和制作工藝使得太陽能蓄電池使用年限較長。 ②相比于其他電池，太陽能蓄電池過充和過放極限比較高。 ③可靠性和耐用性高，對使用環(huán)境要求低，可大范圍推廣。

2.3 鉛蓄電池工作原理

該項方案采用鉛蓄電池，因此下文將只詳細介紹鉛蓄電池的工作原理。鉛蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 鉛蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

鉛蓄電池內(nèi)部由成對的二氧化鉛正極板、鉛負極板、硫酸電解液三部分構(gòu)成。充電過程中正極板二氧化鉛和負極板鉛在電解質(zhì)硫酸的環(huán)境中發(fā)生化學反應生成硫酸鉛和水，同時將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，完成充電任務。這個化學反應是可逆的，其反過來就是放電過程。其化學過程，如圖4所示。

圖4 鉛蓄電池內(nèi)化學過程

其充、放電化學方程式如下。

充電過程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

放電過程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

2.4 鉛蓄電池充電方式

鉛酸電池具有低壓限流、在線充電、均衡、浮充4種充電方式。常用低壓限流充電、浮充充電、均衡充電。

2.4.1 低壓限流充電。當蓄電池過度放電的時候一開始充電電流比較高，之后慢慢降低并逐漸趨于穩(wěn)定。這個過程是恒流充電。充電的同時蓄電池電壓會越來越高并趨于一個穩(wěn)定值，在這之后充電電流會不斷降低最后為零。低壓限流充電電壓電流變化過程，如圖5所示。

圖5 低壓限流充電

2.4.2 浮充充電。這種充電方式需要借用整流器的輔助才能完成。整流器與蓄電池并聯(lián)完成蓄能任務。

2.4.3 均衡充電。這種充電方式與第一種低壓限流充電過程相反，它在蓄能任務的后半段不僅不會降低電壓，反而會將電壓增大一定范圍繼續(xù)蓄能，這種蓄能方式的過程通常在15個小時內(nèi)完成。均衡充電電壓電流變化過程，如圖6所示。

圖6 均衡充電

3 LED照明燈具的選擇

目前，城市照明最優(yōu)選擇無疑是LED燈具，因為其擁有可靠性高、綠色減排、使用周期長、光源優(yōu)質(zhì)、功耗低等諸多優(yōu)勢，相比于傳統(tǒng)路燈高效很多。另外，LED燈具要想正常工作必須通以直流電，可以發(fā)出柔和不閃爍的優(yōu)質(zhì)光源，照明效果比傳統(tǒng)白熾燈要高出許多。而且LED負載對電壓要求也比較低，可以在比較低的電壓下繼續(xù)正常穩(wěn)定工作，擁有較高的可靠性。

與此同時，LED燈具由于其特殊構(gòu)造擁有較高的堅固性，再加上其低功率工作的特點使其使用周期比較長而不需要多次更換，具有較高的實用性，因此可以在城市照明中大規(guī)模推廣使用。

LED負載相比于其他燈具其照明效率特別高，而這優(yōu)勢都要歸功于它能定向發(fā)射光線的特質(zhì)。實現(xiàn)這一特質(zhì)的原理就在于其內(nèi)部構(gòu)造中具有高效的反射器，可以將光源匯聚使得其能定向發(fā)射光，讓LED燈具具有優(yōu)質(zhì)高效的照明效果。因此，采用LED燈具照明的場所必須充分發(fā)揮這個特別的優(yōu)勢，讓光線射向各個不同的角度使光源得到最大程度的作用。與此同時，也要發(fā)揮內(nèi)部反射器的輔助作用使LED負載效率最大化。另外，路燈照明要想達到一個優(yōu)質(zhì)效果對照度和照度均勻度均有較高要求。要想實現(xiàn)這個高要求就必須采用最起碼包含三次配光效果的燈具。毫無疑問LED便是實現(xiàn)這一要求的最佳選擇，因為LED內(nèi)部的反射器再加上適當?shù)恼{(diào)節(jié)負載的高度和角度就能很好地完成這一任務，使系統(tǒng)具有一個優(yōu)質(zhì)高效的照明效果。

LED負載不能使用交流電流，其正常工作必須通以直流電流。因此，路燈照明系統(tǒng)要保障其安全性就必須采用可靠的恒流驅(qū)動源。目前為止，最為有效的方法就是依賴有源電子開關(guān)驅(qū)動LED，利用這種方式可以滿足負載屬性的要求。同時還能減小中間轉(zhuǎn)換過程的損耗，有效地保障轉(zhuǎn)化率。LED燈內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 LED燈內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

4 控制芯片的選擇

4.1 單片機基本功能及特點介紹

單片機是一種集成電路芯片，就相當于一個體積微小但功能俱全的計算機。其依靠大規(guī)模集成技術(shù)將能夠運算并處理數(shù)據(jù)的CPU、RAM、ROM、I/0接口等微型器件集成到單片芯片上。甚至有些單片機內(nèi)部還設計有定時器/計數(shù)器、邏輯運算器，各種交流接口、LCD或LED驅(qū)動電路、PWM、模擬多路轉(zhuǎn)換器以及A/D轉(zhuǎn)換器等復雜器件，而且可以單獨發(fā)出命令進行控制。單片機通過上述零部件可以運算復雜的邏輯，將各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速、精準的計算和科學的處理，從而完成設計者對系統(tǒng)的要求。與此同時，單片機可以獨立實現(xiàn)各種自動化、智能化設計要求。單片機之所以能如此高度智能化不僅僅是其內(nèi)部獨特的構(gòu)造帶來的，更需要設計者為其輸入符合設計要求的程序，這樣它就相當于是一個高度集成，體積微小但功能俱全的計算機。單片機有了正確科學的程序就像有了自己獨特的靈魂，可以“獨立思考”從而實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。單片機在諸多領域之所以能發(fā)揮著如此重要的作用，歸納起來有如下的原因：①單片機重量輕、小巧精致、經(jīng)濟性好，它雖然小但是功能卻很齊全而且效率高，在許多領域都能大規(guī)模使用。②單片機就相當于一個微型計算機，可以獨立運算邏輯，能夠完成許多自動化，智能化設計任務要求。③單片機可以運算復雜的邏輯，可以實現(xiàn)諸多控制思維制造高效的系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)各種功能。

本論文設計方案采用單片機STC12C5A60S2對系統(tǒng)進行控制，下文將對其基本功能進行解釋說明，單片機STC12C5A60S2，如圖8所示。

圖8 單片機STC12C5A60S2引腳

4.2 單片機STC12C5A60S2功能介紹

各引腳功能簡單介紹如下：

VCC：供電電壓；

GND：接地；

P0口：它的端口都能處理8TTL門電流。其實也就是一個8位漏級開路雙向I/O口，因此，它可以作為外部程序數(shù)據(jù)存儲器，同時也能被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。當P1的端口表示“1”時，說明是高阻輸入。設計的時候，P0口是原碼輸入口，在檢查的時候，PO發(fā)送原碼，這個時候PO外部電壓一定會提升；

P1口：它的緩沖器能接收并發(fā)送4TT門電流，在系統(tǒng)設計過程中，P1相當于第八位地址接收。P1端口顯示“1”時，內(nèi)部會將電壓提高，相當于是輸入。被外部將P1電壓降低下拉為低電平時，會發(fā)送電流，其實是因為內(nèi)部提高所導致的。其實也是一個8位雙向I/0口。

P2口：它的緩沖器可接收，也能發(fā)送4個TTL門電流，就是一個內(nèi)部提升電阻的8位雙向I/0口。在它顯示“1”時，內(nèi)部提升電阻將它的端口電壓增大，并且充當輸入。在給出地址“1”時，它依靠內(nèi)部提升的好處，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2發(fā)送其特殊功能寄存器的內(nèi)容。作為輸入時，外部會把P2端口電壓減小，使其發(fā)送電流，這是內(nèi)部提升所造成的。P2設計檢測時收到高八位地址信號。P2發(fā)送地址的高八位時，P2是外部程序存儲器。

P3.0 RXD(串行輸入口)；

P3.1 TXD(串行輸出口) ；

P3.2 INTO(外部中斷0)；

P3.3 INT1(外部中斷1)；

P3.4 T0(計時器0外部輸入)；

P3.5 T1(計時器1外部輸入)；

P3.6 WR (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)。