基于单片机的太阳能LED路灯硬件分析

赵树坤

(肇庆市维纳斯酒店有限公司，广东 肇庆 526000)

社会需要不断进步，国家需要建设发展，这些都离不开能源。国家建设发展需要消耗大量的能源作为最基本的保障，能源消耗的同时也造成了严重的环境污染。能源对于任何一个国家都是十分重要的资源。我们应转变发展方式，大力开发绿色清洁能源，降低能源消耗对人们生活环境的影响。其中，太阳能光伏发电就是一项应用前景十分广阔的热门技术，而太阳能光伏发电照明技术又在现实生活中具有广大的实际应用领域。近年来，国内经济实力的不断增强，基础设施建设也取得巨大成就。城市路灯建设就是其中典型代表。

太阳能LED路灯照明系统是太阳能光伏发电技术与LED照明技术的结合体，太阳能电池板完成太阳能转化为电能的任务，控制系统依靠蓄电池将其储存起来让LED灯具在需要时运行工作。基于单片机设计开发的太阳能路灯控制系统具有诸多长处：实用性高，维护简单；仅使用太阳能资源，保护环境；布置快捷，智能化程度高。因此，达到节约电能，减少能源消耗，自动调整一年四季不同照明时间，减少人力的目的，使路灯控制系统更为智能化。

1 太阳能电池板的选择

太阳能电池板(Solar panel)基本的采用硅为材料加工而成的。它能正常运行完成各种功能是依赖光化学效应或者是光电效应在阳光作用下接收太阳能。然后完成太阳能和电能两种能量之间的转化任务。

1.1 太阳能电池工作原理

太阳能电池的功能是吸收太阳能并转化为电能，而实现这一转化目标的主要材料有硒锢铜、砷化镓、单晶硅、多晶硅、非晶硅等。这些材料都有着类似的工作原理。笔者分析了用晶体硅来科学展示光发电原理。通过往P型晶体硅掺杂磷能变成N型硅，形成P-N结，如图1所示。现如今，各类二极管、晶体管在我们生活中发挥着越来越巨大的作用。而它们能正常工作的保障就是内部的PN结。半导体器件分为P型区域和N型区域，在P型区域中绝大多数为自由电子。而N型区域中则以空穴为主，由于扩散原理的作用。物质总是从浓度高的区域向浓度低的区域运动，从而就形成了PN结。这就导致P型区域电子数量减少，N型区域电子数量增加，空穴数量减少。最后产生的结果就是两个都不带电的区域P型区域呈负电性，N型区域变成正电性质。由于PN结位于两者之间，一端呈现正电性质，另外一端呈现负电性质，所以就在接触面形成了一个内部的正电场。

图1 P-N结形成图

半导体由于自身性质在受到阳光照射时其内部就会产生一个自由电子。自由电子的产生必然伴随着空穴的诞生。所以，半导体接收到太阳光后就会产生电子与空穴对。在PN结内电场的作用下电子和空穴会发生定向移动。电子受正电场作用向N型区域移动，空穴受负电场作用向P型区域移动。如果在这个时候将PN结两端导通形成回路那么就会形成电流，从而完成太阳能与电能之间的转化任务。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程，如图2所示。

图2 光电能量转换过程

1.2 太阳能电池的分类

单晶硅具有诸多优点，例如它的光电转化效率是所有太阳能电池中最高的，可以提供充足的电能。它的光电转换率一般在18%～24%之间。另外单晶硅通常采用钢化玻璃和防水树脂作为外表层防护。所有相比于其他太阳能电池具有更强的耐用性，一般使用寿命可达25年。但它的缺点也非常明显，就是采用更高级的材料导致制造成本居高不下，无法大规模推广使用。

多晶硅是现实生活中使用最广泛的一种太阳能电池。这主要是得益于其优良的经济性。由于其采用普通材料制造，制造成本要低很多，所以在市场上更具有竞争力。但它的劣势也特别明显，光电转换率较低，一般只有16%左右。而且它的使用周期也比较短，因此需要频繁更换。

非晶硅太阳能电池诞生于1976年。它的优点是原材料和能量消耗特别少。这主要得益于其特别的加工制造原理，制造的流程得到很大程度的优化。而且它对工作环境的要求也很低，这也就是它能在弱光条件下正常工作的原因，从而具有更高的可靠性。它的劣势就在于观点转化率比较低，而且还会波动衰减。

蓄电池正常充电的条件是太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的1.5倍。例如：6V蓄电池正常充电需要用8V～9V太阳能电池。而给12V蓄电池充电需要用15V～18V太阳能电池。

2 蓄电池的选择

蓄电池作为系统的能源储存装置，其对能量的储存性能直接影响到系统的可靠性和安全性。同时又要考虑蓄电池处理的环境保护问题，对环境的负面影响应该尽量做到最小。现如今市场上广泛使用的是普通铅酸蓄电池，胶体蓄电池这两种蓄电池。普通蓄电池经济性比较好而且维护简单方便，在许多场合都有大量使用。但它的缺点也很突出，就是后期对环境破坏比较大，处理麻烦。碱性镍镉蓄电池对使用环境要求低，具有较高的可靠性和实用性，但是经济性不高。目前还没有大规模使用，只在一些特定环境下使用。

2.1 蓄电池的分类

现如今，普通蓄电池、免维护蓄电池、干荷蓄电池在实际中使用最为广泛。

2.1.1 普通蓄电池。普通蓄电池具有的经济性好，而且工作电压稳定的特点。但是它的使用周期比较短需要经常更换。而且它的比能低，这就导致了在提供相同电能情况下普通蓄电池重量更大。

2.1.2 干荷蓄电池，也被叫作干式荷电铅酸蓄电池。它在使用前半个小时需要将电解液倒入其中。而且它的储电能力非常强。在特定条件下甚至可以将电能储存两年时间。

2.1.3 免维护蓄电池。正如其名字一样，免维护蓄电池后期维护工作量特别小，基本上不消耗电解液。目前广泛使用的是一种可以添加电解液的蓄电池，另外一种是器件密封不能添加更换电解液的蓄电池。它的耐用性也特别强，具有重量轻、耐碰撞、耐腐蚀、稳定性强的优势。再加上维护简单使得其反使用周期比普通蓄电池要长许多。

2.2 太阳能蓄电池特性

①由于特殊的构造和制作工艺使得太阳能蓄电池使用年限较长。 ②相比于其他电池，太阳能蓄电池过充和过放极限比较高。 ③可靠性和耐用性高，对使用环境要求低，可大范围推广。

2.3 铅蓄电池工作原理

该项方案采用铅蓄电池，因此下文将只详细介绍铅蓄电池的工作原理。铅蓄电池内部结构，如图3所示。

图3 铅蓄电池内部结构

铅蓄电池内部由成对的二氧化铅正极板、铅负极板、硫酸电解液三部分构成。充电过程中正极板二氧化铅和负极板铅在电解质硫酸的环境中发生化学反应生成硫酸铅和水，同时将电能转变为化学能，完成充电任务。这个化学反应是可逆的，其反过来就是放电过程。其化学过程，如图4所示。

图4 铅蓄电池内化学过程

其充、放电化学方程式如下。

充电过程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

放电过程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

2.4 铅蓄电池充电方式

铅酸电池具有低压限流、在线充电、均衡、浮充4种充电方式。常用低压限流充电、浮充充电、均衡充电。

2.4.1 低压限流充电。当蓄电池过度放电的时候一开始充电电流比较高，之后慢慢降低并逐渐趋于稳定。这个过程是恒流充电。充电的同时蓄电池电压会越来越高并趋于一个稳定值，在这之后充电电流会不断降低最后为零。低压限流充电电压电流变化过程，如图5所示。

图5 低压限流充电

2.4.2 浮充充电。这种充电方式需要借用整流器的辅助才能完成。整流器与蓄电池并联完成蓄能任务。

2.4.3 均衡充电。这种充电方式与第一种低压限流充电过程相反，它在蓄能任务的后半段不仅不会降低电压，反而会将电压增大一定范围继续蓄能，这种蓄能方式的过程通常在15个小时内完成。均衡充电电压电流变化过程，如图6所示。

图6 均衡充电

3 LED照明灯具的选择

目前，城市照明最优选择无疑是LED灯具，因为其拥有可靠性高、绿色减排、使用周期长、光源优质、功耗低等诸多优势，相比于传统路灯高效很多。另外，LED灯具要想正常工作必须通以直流电，可以发出柔和不闪烁的优质光源，照明效果比传统白炽灯要高出许多。而且LED负载对电压要求也比较低，可以在比较低的电压下继续正常稳定工作，拥有较高的可靠性。

与此同时，LED灯具由于其特殊构造拥有较高的坚固性，再加上其低功率工作的特点使其使用周期比较长而不需要多次更换，具有较高的实用性，因此可以在城市照明中大规模推广使用。

LED负载相比于其他灯具其照明效率特别高，而这优势都要归功于它能定向发射光线的特质。实现这一特质的原理就在于其内部构造中具有高效的反射器，可以将光源汇聚使得其能定向发射光，让LED灯具具有优质高效的照明效果。因此，采用LED灯具照明的场所必须充分发挥这个特别的优势，让光线射向各个不同的角度使光源得到最大程度的作用。与此同时，也要发挥内部反射器的辅助作用使LED负载效率最大化。另外，路灯照明要想达到一个优质效果对照度和照度均匀度均有较高要求。要想实现这个高要求就必须采用最起码包含三次配光效果的灯具。毫无疑问LED便是实现这一要求的最佳选择，因为LED内部的反射器再加上适当的调节负载的高度和角度就能很好地完成这一任务，使系统具有一个优质高效的照明效果。

LED负载不能使用交流电流，其正常工作必须通以直流电流。因此，路灯照明系统要保障其安全性就必须采用可靠的恒流驱动源。目前为止，最为有效的方法就是依赖有源电子开关驱动LED，利用这种方式可以满足负载属性的要求。同时还能减小中间转换过程的损耗，有效地保障转化率。LED灯内部基本结构，如图7所示。

图7 LED灯内部基本结构

4 控制芯片的选择

4.1 单片机基本功能及特点介绍

单片机是一种集成电路芯片，就相当于一个体积微小但功能俱全的计算机。其依靠大规模集成技术将能够运算并处理数据的CPU、RAM、ROM、I/0接口等微型器件集成到单片芯片上。甚至有些单片机内部还设计有定时器/计数器、逻辑运算器，各种交流接口、LCD或LED驱动电路、PWM、模拟多路转换器以及A/D转换器等复杂器件，而且可以单独发出命令进行控制。单片机通过上述零部件可以运算复杂的逻辑，将各种数据实现快速、精准的计算和科学的处理，从而完成设计者对系统的要求。与此同时，单片机可以独立实现各种自动化、智能化设计要求。单片机之所以能如此高度智能化不仅仅是其内部独特的构造带来的，更需要设计者为其输入符合设计要求的程序，这样它就相当于是一个高度集成，体积微小但功能俱全的计算机。单片机有了正确科学的程序就像有了自己独特的灵魂，可以“独立思考”从而实现系统的各种功能。单片机在诸多领域之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来有如下的原因：①单片机重量轻、小巧精致、经济性好，它虽然小但是功能却很齐全而且效率高，在许多领域都能大规模使用。②单片机就相当于一个微型计算机，可以独立运算逻辑，能够完成许多自动化，智能化设计任务要求。③单片机可以运算复杂的逻辑，可以实现诸多控制思维制造高效的系统，实现系统各种功能。

本论文设计方案采用单片机STC12C5A60S2对系统进行控制，下文将对其基本功能进行解释说明，单片机STC12C5A60S2，如图8所示。

图8 单片机STC12C5A60S2引脚

4.2 单片机STC12C5A60S2功能介绍

各引脚功能简单介绍如下：

VCC：供电电压；

GND：接地；

P0口：它的端口都能处理8TTL门电流。其实也就是一个8位漏级开路双向I/O口，因此，它可以作为外部程序数据存储器，同时也能被定义为数据/地址的第八位。当P1的端口表示“1”时，说明是高阻输入。设计的时候，P0口是原码输入口，在检查的时候，PO发送原码，这个时候PO外部电压一定会提升；

P1口：它的缓冲器能接收并发送4TT门电流，在系统设计过程中，P1相当于第八位地址接收。P1端口显示“1”时，内部会将电压提高，相当于是输入。被外部将P1电压降低下拉为低电平时，会发送电流，其实是因为内部提高所导致的。其实也是一个8位双向I/0口。

P2口：它的缓冲器可接收，也能发送4个TTL门电流，就是一个内部提升电阻的8位双向I/0口。在它显示“1”时，内部提升电阻将它的端口电压增大，并且充当输入。在给出地址“1”时，它依靠内部提升的好处，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2发送其特殊功能寄存器的内容。作为输入时，外部会把P2端口电压减小，使其发送电流，这是内部提升所造成的。P2设计检测时收到高八位地址信号。P2发送地址的高八位时，P2是外部程序存储器。

P3.0 RXD(串行输入口)；

P3.1 TXD(串行输出口) ；

P3.2 INTO(外部中断0)；

P3.3 INT1(外部中断1)；

P3.4 T0(计时器0外部输入)；

P3.5 T1(计时器1外部输入)；

P3.6 WR (外部数据存储器写选通)。