基于單片機(jī)的智能太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

  摘要：隨著世界能源危機(jī)日益嚴(yán)重，利用太陽(yáng)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(yáng)能路燈意義重大。本文介紹了智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的組成及工作原理，采用LPC935 單片機(jī)作為主控制器，結(jié)合密封鉛酸蓄電池充電專用芯片UC3906，實(shí)現(xiàn)了對(duì)密封鉛酸蓄電池最佳充電所需的全部控制和檢測(cè)功能，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。通過(guò)熱釋電紅外、微波雙鑒傳感器技術(shù)及以無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了紅外微波探測(cè)、相鄰路燈間的無(wú)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(jī)日益嚴(yán)重，利用常規(guī)能源已不能適應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的需要，開發(fā)和利用新能源越來(lái)越引起各國(guó)的重視。太陽(yáng)能源本身的安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染和可再生性的特點(diǎn)，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(yáng)能路燈是利用太陽(yáng)能組件的光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換為電能，并儲(chǔ)存在蓄電池中供負(fù)載使用，它是集太陽(yáng)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(yáng)能路燈控制器是應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)太陽(yáng)能電池板、蓄電池、負(fù)載的工作，使整個(gè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)高效，安全的運(yùn)作。

　　1 智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)總體方案

　　智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的由太陽(yáng)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(yáng)能電池板接受太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充電控制電路儲(chǔ)存在蓄電池中； 晚間當(dāng)光線照度降低時(shí)，控制器使副燈點(diǎn)亮，進(jìn)行指示性照明。當(dāng)控制器監(jiān)測(cè)到有人經(jīng)過(guò)時(shí)控制器同時(shí)點(diǎn)亮主燈和副燈，同時(shí)和相鄰前后的燈通訊，控制鄰燈主燈和副燈同時(shí)點(diǎn)亮，保證行人在該路段的照明?？刂破鳈z測(cè)到蓄電池充電或放電超出一定范圍時(shí)，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(zhǎng)期虧電。

圖1 智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)總體方案

　　2 控制系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計(jì)

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

　?。?1） 控制器

　　控制器選用P89LPC935 單片機(jī)，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(chǎng)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(shí)間只需2 － 4 個(gè)時(shí)鐘周期，6 倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51，同時(shí)，LPC935 集成了許多系統(tǒng)級(jí)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(chǔ)器的要求，不需用擴(kuò)展EPROM。

　　該單片機(jī)內(nèi)置的2 個(gè)4 路輸入的8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，不需再單獨(dú)選用A/D 轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)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(cè)可在電源故障和受到強(qiáng)電磁干擾時(shí)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(cè)

　　本系統(tǒng)采用光敏開關(guān)檢測(cè)環(huán)境照度。環(huán)境照度檢測(cè)是整個(gè)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(shí)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(jī)接收到低電平，屏蔽各種通訊和感應(yīng)信號(hào)，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(jī)控制接收感應(yīng)信號(hào)和通訊信號(hào)。

　　（ 3） 人體感應(yīng)單元

　　本系統(tǒng)采用被動(dòng)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(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)，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(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)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(shí)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)處理并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)［2］，但是，熱氣流，暖風(fēng)也會(huì)造成被動(dòng)式熱釋電紅外探頭發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，造成和相鄰燈之間的誤通訊。為了避免誤通訊，同時(shí)采用微波傳感技術(shù)，借助微波多普勒效應(yīng)探測(cè)移動(dòng)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(hào)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(diǎn)亮，保證行人在相鄰燈間的亮度。本系統(tǒng)采用PTR2000 無(wú)限嵌入式模塊。PTR2000 是基于nRF401 基礎(chǔ)上的無(wú)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(guò)設(shè)置TXEN、CS、PWR 3 個(gè)引腳設(shè)定工作模式，DO、DI 分別和單片機(jī)RXD、TXD 連接，通過(guò)串口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PTR2000 將單片機(jī)要發(fā)送的信號(hào)調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)送到相鄰燈，同時(shí)將相鄰燈發(fā)送來(lái)的射頻信號(hào)調(diào)制成單片機(jī)識(shí)別的TTL 信號(hào)。

　?。?5） 蓄電池充放電電路

　　蓄電池優(yōu)良的特性和長(zhǎng)的使用壽命在一定程度上取決于正確的充放電，錯(cuò)誤的充電使蓄電池壽命縮短、性能變差，因此對(duì)蓄電池的過(guò)沖過(guò)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(dú)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(dòng)器的輸出，從而達(dá)到控制充電電流大小的目的。驅(qū)動(dòng)器的輸出電流可達(dá)25mA，可直接驅(qū)動(dòng)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(cè)比較器用于檢測(cè)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(hào)。具體電路如圖2 中所示。

圖2 智能太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖

　　3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制軟件程序采用C 語(yǔ)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(duì)LPC935 單片機(jī)初始化，將P1. 0，P1. 1 設(shè)置為推挽模式，提高驅(qū)動(dòng)能力，P0. 0 設(shè)為高阻狀態(tài)屏蔽感應(yīng)信號(hào)，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(shí)不接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)光照亮度不夠時(shí)，系統(tǒng)采集到P2. 2 口為高電平，將P1. 1 置位，副燈點(diǎn)亮進(jìn)行指示性照明，同時(shí)把P0. 0 設(shè)置為準(zhǔn)雙向口，解除感應(yīng)信號(hào)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(hào)。當(dāng)有人通過(guò)時(shí)P0. 0 收到相應(yīng)的信號(hào)后，P1. 0 置位，主燈點(diǎn)亮，同時(shí)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(hào)，相鄰燈接收到信號(hào)后主燈點(diǎn)亮，保證了行人通過(guò)此段路的照明，延時(shí)30 秒后主燈自動(dòng)熄滅，達(dá)到了無(wú)人通過(guò)時(shí)只有副燈進(jìn)行指示性照明的效果，實(shí)現(xiàn)了智能化。

圖3 智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)流程圖

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹的的智能太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，白天太陽(yáng)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(guò)的時(shí)候，副燈點(diǎn)亮，指引道路，當(dāng)有人靠經(jīng)時(shí)主副燈同時(shí)點(diǎn)亮，同時(shí)向相鄰燈發(fā)通信信號(hào)，前后鄰燈也點(diǎn)亮。人體感應(yīng)距離為12m，主副燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r路面照度到達(dá)40lux，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。