艺术大学留学基于太阳能电池光控灯设计

2020年12月11日发(作者：池宁)

基于太阳能电池光控灯设计

课题研究单位：苏州大学文正学院光电技术系

小组成员：江兴

付宁

薛青晨

魏信

梁美军

指导老师：吴迪

工作单位：苏州大学物理科技学院

作品类别：学术论文

1

摘要：

太阳能电池光控灯不仅适用于马路，同时也适用于工厂、教学 楼、办公场所

等地。具有节能降耗，节约资源，低碳环保等优点。

本系统主要介绍光控电路的设计。光控电路主要以

A

VR

单片机作为控制核

心，

以高亮度

LED

灯为光源，

通过太阳光照射在光敏三级管上，

使之通过太阳能

< p>
系统控制器对太阳能电池进行充电，然后太阳能电池给单片机供电，采用

PWM

节能法来实现对

LED

灯启停工作状态进行快速而准确地控制 。

在本设计中介绍光控灯控制器的组成、性能，适用范围及其工作原理 。给出

各电路原理图及元件参数的选择，节能效果十分明显，同时也大大减少维修量、< /p>

节约了资金，使用效果良好。

关键字

：

A

V R

单片机，节能环保，

LED

灯，

PWM

节能法

2

目

录

第一章

前言

………………………………………………………………

.4

第二章

太阳能电池光控灯的 系统设计

....................................... ..............5

2.1

系统结构介绍

.................................. ................................................5

2.2

系统的工作原理

............................. .................................................6

2.2.1

太阳光采集

............... .................................................. ...........6

2.2.2

系统控制器

. .................................................. ........................6

2.2.3

光 控灯原理

....................................... ......................................6

第三章

太阳能蓄电池介绍与工作原理

…………………………………

.7

3.1

太阳能蓄电池的介绍

…………………………………………

.7

3.2

太阳能蓄电池的工作原理

……………………………………

.7

第四章

光敏电阻与发光三极管

…………………………………………

.8

4.1

光敏电阻介绍

………………………………………………………

.8

4.2

发光三极管介绍

……………………………………………………

.8

第五章

MCU

与

PWM

…………………………………………………

..9

5.1 MUC

的介绍与实行的功能

…………………………………

...9

5.2 PWM

的介绍与实行的功能

…………………………………

.10

第六章

课题终极目标及应用 前景

……………………………………………

.16

第七章

结束语

……………………………………………………………

.16

致谢

……………………………………………… ………………………

...16

主要参考文 献

……………………………………………………………

...16

3

第一章

前

言

太阳能作为未来的能源是一种非常 理想的清洁能源。近年来由于人们对能

源、

环境问题的日益关注，

太阳能的应用与普及越来越受到人们的高度重视。

若

能合理利用 太阳能，

将能为人类提供充足的能源。

对太阳能技术而言，

照明应 用

并非是其最主要的应用领域，

也不是最能体现应用优势的领域，

但就其作为能源

的表现形式来说，

太阳能在照明领域的应用最为 直观。

而在当前技术水平下，

太

阳能技术作为能源的高成 本、低效率问题不容回避，特别是在单体照明应用中，

如不与

LED

技术相结合，按照常规设计太阳能照明系统，往往要面对系统变换

效率低及经 济效率不佳等问题。因

LED

具有低能耗、直流工作等优势，成为配

对太阳能电池光控灯照明光源的理想产品。

就其目前技术和政策而言，

在我国最

有希望快速普及及应用太阳能光伏技术的领域应是太阳能电池光控灯工程。

在第三次科技革命的推动下，

光 能这一伟大的，

自然的以及人类生存所必须

的宝贵资源在被人类遗忘了若 干年后，

今天终于得到了广泛的应用。

太阳能热水

器，太 阳能电池，太阳能浴场等都成为人们热议的话题，大到天上的人造卫星，

小到街道的路灯 太阳能的应用无所不在。

而作为智能化电路的设计考虑光能的应

用也是理 所当然的。在半导体技术的飞速发展下大促进了光能应用的快速进步，

在发电，

取暖等方面尤为突出，

智能化电路设计引进光技术已不是新奇事了，

在

光控电路的设计中不同于声控电路复杂的结构，

随着半导体光敏元器件的快速 发

展，

我们在设计光控电路时面临的问题已由怎样使光信号转化为电信号 变为怎样

在电路中加大电信号的强度？这一问题如今也以得到了较好的解决，

< p>光敏元器件

的应用在光照的情况下使其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减 小或

增大，

进而使电路导通或截止，

电信号强弱的改变光 控转化为电控电路功能的实

现便容易了。

在这样的电路设计中，

对电路元器件的要求也极为高尤其是光敏元

件是光控电路功能实现的核心，

必须保证其各项参数的精确，

稳定。

故在选择这

类元器件时一定要选择高灵敏度工作稳定可靠的元件，当然电路工作的稳定是

否？功能能 否实现？并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，

与声控电路一样最好 也是给光控电路加上一个稳压电路确保电路能正常工作。

< p>
为满足控制需要，

本系以

AVR

单片机为核心控制器 件，

利用自带的

A/D

转换

功能将光敏二 极管采集到的数据进行转换，

从而通过控制

PWM

来准确而快速地 控

制灯启停的调节。

本设计的主要特点：

1

、采用 高亮度

LED

灯作为光源；

2

、采用

PWM

调光方式更节能；

3

、电路结构简单、成本低、易操作；

4

、

LED

灯，具有寿命长、安全、节能环保、耐闪烁、 色彩多样、调控方便等显

4

著特点；

第二章

太阳能电池光控灯的系统设计

2.1

系统结构介绍

基于太阳能电池光控灯设计，主要以

A

VR

< p>单片机为核心，采用

mega16

单

片机芯片，

以高亮度

LED

灯为光源，

通过太阳光照射在光敏三级 管上，

使之通过

太阳能系统控制器对太阳能电池进行充电，

然后太阳能电池给单片机供电，

采用

PWM

节能法来实 现对

LED

灯启停工作状态进行快速而准确地控制。

系统结构框图如图

1

所示。

太阳能系统控制器

A

VR

太阳能

太阳能

工作

单片机

电池板

蓄电池

指示灯

控制

LED

灯组

图

1

系统结构框图

5

2.2

系统的工作原理

2.2.1

太阳光采集

太阳光采集，

是通过光敏三极管对光线的敏感作用而实现的。

当外部光线越

强，光敏三极管导通。单片机开始工作，将采集到的数据进行转换，从而输 出不

同的

PWM

来控制

LED

< p>灯的亮度，

就可以实现根据外部光线自动调整

LED

灯的亮度 。

2.2.2

系统控制器

本系统采用的太阳能控制器是

10A/10V

，具有三个插孔，即太阳能电池

板控制端，蓄电池控制 端，以及

LED

控制端。首先，太阳光照射在太阳能

电池 板上，将太阳能转化为电能存储在蓄电池中，当光敏三极管不导通时，

即蓄电池开始慢慢 放电，对

A

VR

单片机供电，使之开始工作，通过

A/D

转

换产生不同的

PWM

，控制灯的 亮灭及亮暗。

2.2.3

光控灯原理

本系统 采用的是光敏三极管，通过光敏三极管感受太阳光亮度的变化，

控制蓄电池是否对

MCU

供电，使

MCU

通过

A/D

的转换产生不同的脉冲，

控制

LED

的亮灭与亮 暗。

R1

10k

C1

22pF

C2

vcc

22pF

X1

12M

9

13

12

40

39

38

37

36

35

34

33

1

2

3

4

5

6

7

8

U1

RESET

XTAL1

XTAL2

PA0/ADC0

PA1/ADC1

< p>
PA2/ADC2

PA3/ADC3

PA4/AD C4

PA5/ADC5

PA6/ADC6

PA7/ADC7

PB0/XCK/T0

PB1/T1

PB2/INT2/AIN0

PB3/OC0/AIN1

PB4/SS

PB5/MOSI

PB6/MISO< /p>

PB7/SCK

ATMEGA16

PC0 /SCL

PC1/SDA

PC2/TCK

PC3/TMS

PC4/TDO

PC5/TDI

PC6/TOSC1

PC7/TOSC2

PD0/R XD

PD1/TXD

PD2/INT0

PD3/INT1

PD4/OC1B

PD5/OC1A

PD6/ICP

PD7/OC2

22

< p>
23

24

25

26

27

28

29

14< /p>

15

16

17

1 8

19

20

21

R4

10k

R3

10k

3DGu6

代替光敏三极管

C3

1uF

R2

220

代替灯组

AVCC

AREF

30

32

6

图

2

光控灯原理图

第三章

太阳能蓄电池介绍与工作原理

3.1

太阳能蓄电池的介绍

太阳能 电池是“蓄电池”在太阳能光伏发电中的应用，目前采用的有铅酸免

维护蓄电池、

普通铅酸蓄电池、

胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。

国内目前被

广泛使用的太阳能蓄电池主要是：

铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池，

< p>这两类蓄电

池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于 性能可

靠的太阳能电源系统，

特别是无人值守的工作站。

普通铅酸蓄电池由于炫耀经常

维护及其环境污染较大，

所以主要适于有维 护能力或低档场合使用。

碱性镍镉蓄

电池虽然有较好的低温、过充、过放 性能，但由于其价格较高，仅适用于较为特

殊的场合。

随着太阳能光伏发 电系统的广泛使用，

作为与其配置的蓄电池也越来

越受到人们额关注。< /p>

太阳能蓄电池应该具备以下特性

1.

比较好的深循环能哭，有着很好的过充和过放能力。

2.

长寿命，特殊的工艺设计和胶体垫解质保证的长寿命电池。

3.

使用不同的环境需要，

入高海拔，

高温，

低温等不同的条件下都能正

常使用的电池。

4.

3.2

太阳能蓄电池的工作原理

白天太阳光照射到太阳能组件 上，

使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电

压，把光能转换为电脑，再 传送给只能控制器，经过智能控制器的过充保护，将

太阳能组件传来的电能输送给蓄电池 进行储存；

而储存就需要有蓄电池，

所谓蓄

电池即是贮存 化学能量，于必要时放出电能的一种电气化学设备。

附参考图片

7

第四章

光敏电阻与光敏三极管

4.1

光敏电阻

< p>
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而

改 变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用

于光的测量 、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏

电阻器硫化镉光敏电 阻器，

它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射

光线

（可见光）

的强弱变化而变化，

在黑暗条件下，

< p>它的阻值

（暗阻）

可达

1~10M

欧

,

在强光条件（

100LX

）下，它阻值（亮阻） 仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器

对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（

0.4~0.76

）

μ

m

的响应很接近， 只

要人眼可感受的光，

都会引起它的阻值变化。

设计光控 电路时，

都用白炽灯泡

（小

电珠）光线或自然光线作控制 光源，使设计大为简化。

利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，

去控制电信号的强

弱，

再由传感器将变化的电信号传递给触发器，

只要电信号强度达到一定程度将

触发触发器使其导通工作。

光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强 度降低

到一定程度时，

使照明电路导通工作。

就其方案而 言多种多样，

但我们在设计时

必须要考虑方案的可行性，

稳定性以及元器件的灵敏度，

尤其是光敏元件必须选

择灵敏度高的这样电 路功能才能较容易实现，

为此我们在设计光控电路时，

不但

要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定

。

4.2

光敏三极管

光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的 集电极电流不

只是受基极电路和电流控制，

同时也受光辐射的控制。

通常基极不引出，

但有一

些光敏三极管的基极有引出，用于温 度补偿和附加控制等作用。

当具有光敏特性的

PN

结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光电流由

基极进入发射极，从而在 集电极回路中得到一个放大了相当于

B

倍的信号电流。

不 同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，

与光敏二极管相比，

具有很大

的光电流放大作用，即很高的灵敏度。

和光敏二极 管一样，光敏三极管也是半导体基本元件之一，具有电流放大作

用，

是电 子电路的核心元件。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的

P N

结，两个

PN

结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两 侧部分是发

射区和集电区，排列方式有

PNP

和

NPN

两种，三个区引出相应的电极，分别为

基极

b

、发射极

e

、和集电极

c

。

8