太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文(41页).docx
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1、-太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文-第 36 页摘要随着太阳能照明技术的发展，近几年太阳能路灯行业发展迅速，规模不断扩大，并且随着新型节能LED灯具的出现，太阳能LED路灯以其节能性好的优势得到了广泛的推广。本文介绍了脉冲宽度调制技术PWM控制LED亮度的原理，设计了一种基于MSP430F149单片机的太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器。整个控制器包括硬件电路的设计和软件电路的设计，硬件部分给出了控制器硬件电路原理图，设计了单片机外围电路、LED恒流驱动电路、传感检测电路、实时时钟电路、键盘显示电路和电源电路。软件部分给出了亮度自适应节能控制算法流程图和C语言源程序，该算
2、法可根据时段、环境亮度和人员活动情况改变PWM信号的占空比，自动调节LED的亮度，充分利用LED的可控性，实现最佳照度控制，达到节能目的。关键词：LED恒流驱动；MSP430单片机； LED照明；PWM控制；亮度自适应节能控制。AbstractWith the development of solar lighting technology, in recent years the solar street lamp industry is developing rapidly, continues to expand the scale, and with the new energy-sa
3、ving LED lamp, solar LED street lamps have been widely promoted for its good energy saving advantage. This paper introduces the principle of pulse width modulation technology PWM control the brightness of LED, designed a controller of MSP430F149 solar LED street lighting energy-saving control system
4、 based on. The controller includes hardware circuit design and software design of the hardware circuit, gives the hardware circuit of the controller schematics, design of the peripheral circuit of MCU, LED constant current drive circuit, sensor detection circuit, real-time clock circuit, keyboard an
5、d display circuit and power circuit. The software part of the adaptive brightness control algorithm flow chart and the C language source code, the algorithm according to the time, the brightness of the environment and personnel activities change the duty ratio of PWM signal, automatic adjustment of
6、brightness of LED, make full use of the controllability of the LED, to achieve the best illumination control, to achieve the purpose of energy saving.Keywords: LED constant current drive; MSP430 microcontroller; LED lighting; PWM control; adaptive energy-saving control brightness.目录1 绪论11.1课题的研究背景及意
7、义11.1.1 课题的背景11.1.2 课题的意义21.2 课题相关技术概述31.2.1 太阳能LED路灯的优势31.2.2 太阳能LED路灯的发展现状和前景41.2.3 太阳能LED路灯控制器综述41.2.4 太阳能LED路灯驱动器概述41.3 本课题研究内容和论文组织结构51.3.1 研究内容51.3.2 论文的组织结构52 系统总体方案设计62.1 总体方案设计62.2 PWM调光技术73 硬件电路设计83.1 MSP430F149单片机简介83.1.1 MSP430F149单片机特点83.1.2 MSP430F149单片机引脚简介93.2 单片机外围电路123.2.1 复位电路123.
8、2.2 单片机时钟电路设计123.2.3 A/D转换器外部基准电压电路133.2.4 MSP430单片机外围电路设计143.3 LED恒流驱动电路153.3.1 HV9910B功能特性及引脚简介153.3.2 驱动电路参数计算163.4 传感检测电路173.4.1 热释电红外探测电路173.4.2 亮度检测电路203.5 实时时钟电路213.6 键盘及显示电路设计233.6.1 显示电路设计233.6.2 键盘电路设计243.7 电源电路253.8 系统整体原理图264 软件设计274.1 IAR Embedded Workbench开发环境274.2 系统软件设计274.2.1总体软件设计2
9、74.2.2 各部分程序功能介绍284.2.3 亮度自适应节能控制算法295 结论与展望325.1 课题结论325.2 课题的前景展望32致谢35附录一 程序源码36附录二 硬件电路图471 绪论1.1课题的研究背景及意义1.1.1 课题的背景随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统在国内的主要应用模式，被越来越多的人认识并接受。跨入21世纪后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，如何能在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。而能源问题更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏，更严重的是化石能源的
10、开发利用更加剧了环境的恶化。在国家可持续发展战略的推动下，太阳能产业从无到有、从小到大发展起来。国内各大研究单位都对太阳能路灯作了详尽的研究，特别是近几年来，已经初步形成在“产业上规模、技术上水平、产品上档次和市场要规范”的产业发展思路引导下，太阳能产业得到了快速发展，如太阳能热水器、太阳能光伏电池技术日趋成熟，产品质量不断提高。近年来，随着我国城市建设的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的路灯总数以每年约20%的平均速度递增，全国数千万盏路灯的节点问题已引起政府部门的关注。在能源日趋紧张、电力供应持续紧张的今天，抵消、高耗的传统城市照明已成为节能降耗的重要领域。为此，建设部和发改委明确提
11、出城市道路照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大，我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用。上海市于2005年在崇明岛建成风光互补道路照明工程。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯建成规模，太阳能资源相对丰富的青海省自2006年以来已在西宁等地安装太阳能路灯超过200套；在北京奥运会主要场馆及其相关场所，太阳能路灯得到普遍应用。太阳能是可再生资源和新能源的重要组成部分。太阳能有取之不尽、用之不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳光线照射地球40分钟产生的能量够全球一年
12、的总能源消耗。新能源技术现在已经成为21世纪各国都重点研究的热点问题。即使有经济危机的压力，各国仍然投入大量的人力物力研究新能源技术。在各种新能源技术的研究和应用中，太阳能光伏技术及相关产业在世界发达国家和我国都得到了迅速发展，产业规模也不断扩大。我国提出了可再生能源的中长期计划，预期到2020年装机总量达到2000万千瓦。全球40以上的太阳能电池板是中国生产，但是2009年我国太阳能发电设施的实际部署仅占全球的5。由此看出我国的太阳能光伏发电产业发展远远落后与国外。由于太阳能发电在现阶段仍然是计划经济产业，并没有发展成为市场经济，目前还是一个亏本产业。中国的政府现在并没有投入大量的财力来为太
13、阳能发电产业买单。我国照明用电量中的很大一部分用于户外照明，由此可见太阳能LED路灯在我国有着广阔的发展前景。据统计中国在2009年已经安装的路灯大约有2亿盏。每盏灯平均每天消耗2度电，一盏灯一年消耗730度电，2亿盏路灯一年消耗的能源相当于三峡发电站两年的发电总量。而且随着城市化建设的加快，路灯的总量每年还在剧增。目前几乎所有路灯用的照明光源均为高压钠灯，随着LED技术的不断发展和成熟，其优势会不断显现，势必取代高压钠灯成为一种新型的照明光源。由于LED光源有巨大市场潜力，科技部提出了LED路灯的“十城万盏计划。现在LED路灯发展势头相当强劲。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过200万盏
14、。由此可见太阳能LED路灯在我国是一个举足轻重的大市场。1.1.2 课题的意义我国土地辽阔，资源富饶，总面积有960万平方公里。占世界陆地总面积的7。在我国广阔富饶的土地上，太阳能资源十分丰富。我国和同纬度的其它国家相比，除了四川盆地和其周围的地区外，绝大部分地区的太阳能资源非常丰富。我们要利用先天的优势，充分利用起太阳能，解决好人民生活生产所需的能源问题，发展好我国的太阳能相关产业。近几年太阳能照明技术快速发展，太阳能路灯行业规模不断扩大，随着LED节能灯具的出现，利用LED作为照明灯具的太阳能LED路灯得到了大幅推广。太阳能灯具的照明需求逐渐往干道路灯发展，这样对灯具照明功率、控制器及驱动
15、器的要求会有所提高。我国在太阳能电池技术的发展和生产规模、LED光源技术的发展等方面的产业规模在逐渐扩大，已经在世界上占有一席之地了，但是太阳能路灯控制器作为太阳能路灯系统中的核心部件之一，其研究还有待深入。市场上的太阳能控制器大多属于简易型，仅有基本的充放电控制功能，没有考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，提高蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。本课题的控制器在完成基本的充放电控制的基础上设计了合理的充放电控制算法来实现能量的充分利用和蓄电池的充分保护。另一核心部件LED灯驱动电源，一般没有根据路灯的组合形式具体分析设计。由于不同厂商生产的的白光LED的正向压降可能相差数百毫伏，因
16、此直接影响了白光LED实际消耗的功率在驱动器的输出总功率中的比例。本系统的驱动器是在LED路灯先串后并的组合形式以及具体的正向导通电压和额定功率的基础上设计的。本套太阳能LED路灯控制系统，用合理的充放电算法控制太阳能路灯正常的充放电功能，完成充电阶段自动转换，LED亮度智能控制且完成对蓄电池的充分保护。驱动器和LED阵列能够很好的匹配，使LED阵列发光质量高且实现较高的能量利用率。整套系统的成功设计无论在价格和性能方面均具有一定的市场竞争力。1.2 课题相关技术概述1.2.1 太阳能LED路灯的优势太阳能LED路灯系统用太阳能电池供电，阀控式密封铅酸蓄电池储存电能，用高效节能的LED灯照明，
17、用控制器控制智能充放电，配合LED灯驱动电源，具有稳定性高、发光性能好、能量利用率高、安装方便、采用直流供电、经济、环保、实用等优势，是未来户外照明的发展趋势。LED照明灯工作电流是直流，并且在低电压下工作1。太阳能电池将光能转化为直流电能，这点恰好与LED相匹配。若将两者组合配以控制器和驱动器即可获得很高的能量利用率、较高的安全性和可靠性的照明系统。因为两者结合不需要将太阳能电池输出的直流电转变为交流电，因此整个照明系统的照明效率会大大提高。随着LED灯相关技术的不断成熟，其使用寿命会不断延长。在未来几年里，若其价格继续下降，则白光LED必将取代旧有灯具成为21世纪照明的新光源。LED作为路
18、灯的一种光源，它和传统路灯光源相比较其优势主要体现在：1) 节能且光效高。按照LED技术的发展趋势，LED的光效在未来五年里有达到1502001m/W的可能，大大超过了现在所有光源的光效。另外，现在使用的荧光灯、汞灯等照明光源中含有汞，对人体有害。而LED中不含此种物质所以它是一种“清洁的光源。2) 命长，节约成本。一般情况下LED光源的使用寿命可以达到十万小时，在恶劣的自然条件下工作，寿命也至少可达到五万小时。因此，在一些维护和更换设备困难的地方，使用太阳能LED路灯照明系统，可显著降低安装和使用的成本。3) 可以自动控制其功率。可通过控制器控制其夜间亮灯的功率，提高节能性。LED灯可以实现
19、完美调光功能，因此在本系统中将通过调节脉冲的占空比来有效的调节其发光强度。4) 具有很好的显色性。阳光的显色系数为100，一般情况下显色系数与100相差越小，显色性越好，反之越差。高压钠灯显色系数仅为23，而LED灯的显色系数达到85以上，发出的是白光。由此可见大功率LED路灯显色性明显好与高压钠灯。5) 直流供电，提高能量利用率。太阳能电池输出的是直流电，路灯系统中LED的驱动也是用直流电源，这样可以不用太阳能光伏系统中使用其他照明设备所需要的逆变器，既使系统有较高的能源利用率，又降低了成本，还可以改善系统的可靠性。太阳能LED路灯系统白天将太阳能的能量存储在蓄电池里，夜间通过蓄电池把化学能
20、转化成LED路灯消耗的光能。不消耗常规能源，循环使用，不产生发电和运输过程中的污染，非常清洁。另外安装方便，不需要架设输电线路，也不需要铺设电缆所需的通道。在这种背景下，太阳能路灯应运而生，而且会不断的发展，成为照明行业的趋势。1.2.2 太阳能LED路灯的发展现状和前景目前，太阳能路灯主要用在城市道路、公园、工业园区，旅游景点，也可以用于人口密度小，不易铺设电缆但太阳能资源丰富的偏远地区人们的照明问题。近年来，随着我国城市建设水平的不断提高和环保低碳意识逐渐增强，城市路灯总量在逐年攀升，随着光伏电源照明的不断发展和优势的显现，乡村以及适合安装太阳能路灯的一些地区也会慢慢普及。因为太阳能LED
21、路灯有如此广阔的市场，所以更应该做好太阳能LED路灯的控制和驱动，让整个太阳能路灯系统更稳定更长久的工作。1.2.3 太阳能LED路灯控制器综述太阳能LED路灯系统由太阳能电池板、铅酸蓄电池、LED灯、驱动电路和控制器等部分组成2。控制器白天控制太阳能电池给蓄电池充电，夜晚蓄电池给负载放电。在充放电过程中控制系统实现过充保护，过放保护，完成充电各阶段自动转换，夜晚放电方式的自动转换等功能。目前市场上已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般没有充分考虑如何提高太阳能电池的能量转换效率，蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。蓄电池的充电方式以及根据蓄电池的荷电量来决定放电深度等问
22、题都可以在很大程度上影响蓄电池的充电速度和循环使用的次数，因此控制器如何控制充放电的时间和方式便是影响蓄电池的转换效率和使用寿命的一个很重要的方面。1.2.4 太阳能LED路灯驱动器概述LED驱动电源是系统重要的组成部分。控制器的输出电压和LED阵列不匹配，因此需要一个模块来驱动LED阵列。常见的有四种驱动方式，考虑控制器输出电压小于LED阵列的导通电压，因此本系统中的驱动模块为升压方式。LED的使用寿命很大程度上受其发光稳定性影响，在实际使用过程中，因驱动电源设计及选择不当导致LED发光稳定性差，严重缩短了使用寿命。因此本系统在设计驱动电源时根据LED阵列的组合方式选择恒流源来驱动，提高LE
23、D阵列的的照明可靠性和效率3。1.3 本课题研究内容和论文组织结构1.3.1 研究内容近年来，国家越来越重视环境保护，倡导低碳生活，坚持优化能源结构，重视能源的可持续发展。因此太阳能的开发和利用受到了极大的重视，太阳能光伏照明技术及相关产品得到了广泛应用。由于这种市场和社会发展的需求，目前已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般只具有基本的充放电控制，没有充分考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，蓄电池的能量转换效率最大和蓄电池的使用寿命等问题。本课题从这些存在的问题着手研究，设计一种具有节能控制功能的太阳能路灯控制器：并根据LED灯的组合方式，设计一种与之匹配的驱动电源。使整
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