基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

12 一样的光栅。 当扫描器以电视光栅形式将探测器扫过景物时，探测器逐点接收景物的辐射并转换成相应的电信号。 或者说，光机扫描器构成的景物图像依次扫过探测器，探测器依次把景物各部分的红外辐射转化成电信号，经过视频处理的信号，在同步扫描的显示器上显示出景物的红外图像。 图 3给出了最简单的光机扫描型红外成像系统的工作原理。 图 3 光机扫描型红外成像系统工作原理 1物平面 2箭头形物 3物镜 4高低同步器 5高低扫描平面镜 6水平同步器 7水平扫描反射镜 8水平同步信号放大器 9前放及视频信号处理器 10像平面 11单元探测器 12高低同步信号放大器 13显示器 图 4 所示为红外成像系统的工作过程。 热像仪的红外光学系统把来自目标景物的红外辐射聚焦于红外探测器上，探测器与相应单元共同作用，把二维分布的红外辐射转换为按时序排列的一维视频信号，经过后续处理，变成可见光图像显示出来。 目标辐射光学系统光谱滤波光机扫描探测器探 测器 偏置 与前 放视频处理视频监视目 视光 学系 统观察器制冷器扫 描 同 步 器光 源 调 节与 分 配电 源 图 4 红外成像系统的工作过程 红外成像系统的类型和组成 目前的红外成像系统可分为两大类：光机扫描和非光机扫描型。 [11] 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 13 图 3 所示的红外成像系统就是光机扫描型的，借助光机扫描使单元探测器依次扫过景物的各部分，形成景物的二维图像，在光机扫描成像系统中，探测器把背景辐射从目标信号中消除，从而获得对比度良好的红外图像。 所以尽管这种类型的红外成像系统存在着结构复杂，成本高的缺点，仍然受到重视，取得很大进展并日趋完善。 在未来有很大的发展前景。 非扫描型红外成像系统利用多元探测器阵列，使探测器中的每个 单元与景物的一个微面元对应，因此可取消光机扫描。 凝视型红外成像系统就属于这种类型。 近年来，硅化物肖特基势垒焦平面阵列技术有了长足进展，利用硅超大规模集成电路技术的工艺，可以获得高均匀响应度、高分辨率探测器面阵，大大推进了非扫描型红外成像技术的迅速发展和步入实用化。 热释电红外成像系统也属于非扫描型红外成像系统。 采用热释电材料做靶面，制成热释电摄像管，直接利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪，完全取消了光机扫描，从而使结构简化，有不需要制冷，成本也随之降低，但性能不及光机扫描红外成像系统，所以一 般都会根据实际情况选择，选择最适合的进行使用。 从图 4所示的红外成像系统框图中可以看出，整个系统包括四个组成部分：光学系统、红外探测器及制冷器、电子信号处理系统和显示系统。 经过这个系统可以将图像成像出来。 3 硬件分析与设计 蓄电池的控制系统 在独立运行的光伏发电系统中，必须配备蓄电池，将太阳电池产生的电量收集并储存，在需要对负载供电时调控蓄电池的放电，还需要对负载的供电进行控制，因此控制系统是独立式太阳能系统的核心控制部件。 目前太阳能照明系统使用的蓄电池，需要在充电和放电过程中加以控制，频繁地过充 电和过放电，都会影响蓄电池的使用寿命。 过充电会使蓄电池大量出气，造成水分散失和活性物质脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。 为了保护蓄电池不受过充电和过放电，的损害，控制系统必须对蓄电池和负载进行调控来防止蓄电池的过充电和过放电，这个控制系统大部分时候可以做成独立的器件，成为控制器。 控制器的最基本功能是通过监测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池的容量等情况并根据检测参量来决定继续充、放电或终止充、放电的指令，避免蓄电池过度充放电。 [12] 光伏发电系统中充放电控制器的功能主要如下。 1) 高压断开和恢复 功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 14 2) 欠电压告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠电压警告点是，控制器应能切断负载供电，以避免造成蓄电池过度放电，影响寿命。 3) 低压断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。 通过一种继电器或电子开关连接负载，可在某给定低压点自动切断负载。 当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。 4) 保护功能：防止任何负载短路的电路保护；防止控制器内部短路的电路保护；防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护；防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护；防止感应雷的线路防雷。 5) 温度补偿功能：当蓄电池温度低于 25℃ 时，蓄电池的充满电压应适当提高；相反，高于该温度蓄电池的充满电压的门限应适当降低。 控制器的放过放电功能的实现方法是设置放电截止电压，因太阳能 LED 路路灯的负载功率相对于蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。 由于蓄电池电压控制点是随温度而变化的，所以太阳能 LED 路灯的控制器应该有一 个受温度控制的基准电压，对于单节铅酸蓄电池是 3~7mV/℃ ，通常选用 4mV/℃。 蓄电池防过充电，过放电保护一般参见表 2，当蓄电池电压达到设定值后就应改变电路的状态。 表 2 蓄电池充、放电保护 标称电压 防过充电压 防过放电压 6V 177。 177。 12V 177。 177。 24V 177。 177。 充放电电路 充放电控制电路主要是对蓄电池进行保护，由于太阳能对蓄电池充电如果没有控制电路就会对蓄电池过充电这样 就会造成蓄电池寿命缩短甚至损坏蓄电池，同时蓄电池也不能过分供电，所以就要设计过充和过放电路来保护蓄电池，延长蓄电池的寿命。 只要蓄电池的寿命延长了整个路灯系统的寿命相应的也会延长，就会降低成本。 这里就有介绍两种控制电路，有并联型充放电控制器电路和串联型充放电控制器电路。 [13] （ 1）并联型充放电控制器电路 图 5为并联型充放电控制器框图。 并联型充放电控制器充电回路中的开关器件 T1 并联在太阳能电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件 T1 导通，同时二极管 VD1 截止，则太阳能电池方阵的输出电 流直接通过 T1 短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。 这样蓄电池就不会损坏，同时也可以延迟蓄电池的寿命。 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 15 太 阳 能电 池方 阵检 测控 制电 路负载V D 1V D 2开 关 器 件 T 1开 关 器 件 T 2B X蓄 电 池 图 5 并联型充放电控制框图 VD1 为“防反充电二极管”，这样当太阳能电池方阵输出电压大于蓄电池电压时， VD1 才能导通，反之 VD1 截止，从而保证夜间不会出现蓄电池向太阳能电池方阵反向充电，起到“反向充电保护”作用。 开关器件 T2 为蓄电池放电开关。 当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时， T2 关断，起到 “输出过载保护”和“输出短路保护”作用。 同时，当蓄电池电压低于“过放电压”时， T2 也关断，进行“过放电保护”。 VD2 为“防反接二极管”。 当蓄电池极性接反时， VD2 导通，蓄电池通过 VD2短路放电，产生很大的电流，快速将熔断器的熔体熔断，起到“蓄电池反接保护”作用。 检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使 T1 导通进行“过充电保护”，当电压小于“过放电压”时使 T2 关断进行“过放电保护”。 （ 2）串联型充放电控制器电路 图 6为串联型充放电控制器的框图。 串联型过充放电控制器和并联过放电控制器的电路结构相似，唯一区别在于开关器件 T1 的接法不同，并联型中 T1并联在太阳能电池方阵输出端，而串联型中 T1 是串联在充电回路中。 当蓄电池电压大于“充满切离电压”时， T1 断开，是太阳能电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。 这种方法必须使太阳能电池组件工作点电压范围与蓄电池可以稳定充电的范围匹配，也称为电压匹配型充电。 采用这样的方法，随着充电的时间的增加，蓄电池端电压在增加，太阳电池组件输入蓄电池的电流在减小，工作点沿着太阳电池组件的伏安特性曲线向开路电压方向移动。 由于太阳电池组件在光照不佳时产生的电压可能会低于蓄电池的电压，无法为蓄电池充电，该充电方法只能在太阳能辐射充足时给蓄电池充满电。 此类控制器简单可靠，多用于小型光伏系统。 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 16 太 阳 能电 池方 阵检 测控 制电 路负载V D 1V D 2开 关 器 件 T 1开 关 器 件 T 2B X蓄 电 池 图 6 串联型充放电控制框图 控制器的硬件结构 控制器是太阳能 LED 路灯控制系统中最重要的部件，也是与各种路灯系统最大的区别所在。 控制器的性能如何，决定了一个太阳能 LED 路灯系统运行情况的优劣。 所以设计功能完备、结构简单的智能太阳能 LED 路灯控制器是非常重要的。 控制器需要实现的功能有：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；并要具有短路保护、反接保护等。 [14]控制器不仅担负对整个太阳能 LED 路灯的状态控制，还要保证系统的安全运行。 图 7 为太阳能光伏控制器硬件结构图。 该控制器一 AVR ATmega32 微处理器为控制核心，外围电路主要由蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路、太阳能电池电压检测与分组切换电路、负载电流检测与输出控制电路、状态显示电路、数据上传接口电路和键盘输入电路构成。 电压检测电路用于识别光照强度和获取蓄电池端电压，温度检测电路用于蓄电池充电温度 补偿。 该系统采用 PWM 方式驱动充电电路，以实现蓄电池的最优充放电。 太阳能电池分组切换控制电路用于不同光照强度和充电模式下太阳能电池的切换，该系统实现对 3组太阳能电池组件控制。 负载电流检测电路用于过流保护及负载功率检测。 状态显示电路用于系统状态的显示，包括电压、负载状况及充放电状态的显示。 数据上传接口电路用于系统运行参数的上传，实现远程监控。 键盘输入电路用于充电模式设定及 LED 背光开启。 该控制器在有太阳光是接通太阳能电池组件向蓄电池充电的回路，实现对蓄电池组的充电；当夜晚时蓄电池放电，以保证负载用电。 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 17 太 阳 能 电 池LV D蓄 电 池C i C oD C / D C 交 换 器R o接 口 电 路Atmega32驱 动 电 路键 盘 驱 动 电 路温 度 传 感 器串 口 L C D 告 警 电 路I / OI / OI / OP W MI/OI/OP W M 图 7 太阳能光伏控制器硬件结构图 微处理器采用 Atmel 公司的 8位嵌入式 RISC 处理器，具有高性能、高保密性、低功耗等优点，具有程序存储器和数据存储器可独立访问的哈弗结构，代码执行效率高。 系统采用的 ATmega32 处理器包含有 32KB 片内可编程 FLASH 程序存储器、 1KB 的 E2PROM 和 2KB RAM,同时片内集成了看门狗、 8 路 10位 A/D 变换器、3 路可编程 PWM 输出电路，具有在线系统编程功能，片内资源丰富，集成度高，使用方便。 ATmega32 处理器可以很 方便地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。 智能路灯控制电路的设计 道路上的路灯给夜间驶的行人和车辆提供了方便，设想一下晚上没有路灯将是多么危险的一件事，很大交通事故都是由于路灯的损害而发生的，所以路灯是必不可少的，但是同时这也是我们用电的一个很大的开销，虽然有太阳能来提供电能可是蓄电池的蓄电量有限的我们不可能无休止的利用，再加上我们需要将路 灯的消耗降到最低，为我们的能源保护和节约贡献力量。 这就需要我们在路灯选择和控制路灯工作的电路上下功夫，只要选择得当、设计合理合适，就 能起到智能和低功耗的功效。 基于太阳能的低能耗智能路灯控制系统设计 18 LED 的驱动电路设计 驱动电路作为光源的载体直接影响 LED 灯具的寿命和故障率， LED 照明灯具的所有电子线路都在驱动电路板上，驱动电路板的材质和加工工艺将直接影响产品的品质和寿命。 驱动电路板材质分为玻璃纤维、半玻璃纤维、纸板三种。 [15]LED照明。