太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文.docx
《太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文.docx（64页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
太阳能LED路灯照明节能控制系统的控制器毕业论文
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
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。
Abstract
Withthedevelopmentofsolarlightingtechnology,inrecentyearsthesolarstreetlampindustryisdevelopingrapidly,continuestoexpandthescale,andwiththenewenergy-savingLEDlamp,solarLEDstreetlampshavebeenwidelypromotedforitsgoodenergysavingadvantage.ThispaperintroducestheprincipleofpulsewidthmodulationtechnologyPWMcontrolthebrightnessofLED,designedacontrollerofMSP430F149solarLEDstreetlightingenergy-savingcontrolsystembasedon.Thecontrollerincludeshardwarecircuitdesignandsoftwaredesignofthehardwarecircuit,givesthehardwarecircuitofthecontrollerschematics,designoftheperipheralcircuitofMCU,LEDconstantcurrentdrivecircuit,sensordetectioncircuit,real-timeclockcircuit,keyboardanddisplaycircuitandpowercircuit.ThesoftwarepartoftheadaptivebrightnesscontrolalgorithmflowchartandtheClanguagesourcecode,thealgorithmaccordingtothetime,thebrightnessoftheenvironmentandpersonnelactivitieschangethedutyratioofPWMsignal,automaticadjustmentofbrightnessofLED,makefulluseofthecontrollabilityoftheLED,toachievethebestilluminationcontrol,toachievethepurposeofenergysaving.
Keywords:
LEDconstantcurrentdrive;MSP430microcontroller;LEDlighting;PWMcontrol;adaptiveenergy-savingcontrolbrightness.
1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。
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，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150～2001m/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LED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。
使整个系统能够达到预期设定的功能和指标，能够稳定长久高效地运行。
1.3.2论文的组织结构
本论文分为五个章节，每章内容分布如下：
第一章：
绪论。
主要阐述本课题的研究背景和意义，以及论文的研究目标和论文的组织结构。
第二章：
太阳能LED路灯节能控制系统整体设计。
本章从太阳能路灯控制系统的实际应用出发，确定了太阳能路灯控制器需要实现的功能。
第三章：
路灯控制系统控制器的硬件电路实现。
本章设计了太阳能LED路灯系统控制器的硬件电路，并画出原理图。
第四章：
路灯控制系统控制器的软件实现。
在系统硬件的基础上，结合MSP430系列单片机的C语言编程特点编写整个系统的程序。
第五章：
总结与展望。
分析了本次课题中的不足之处和以后的努力方向，展望下一阶段的工作。
2系统总体方案设计
2.1总体方案设计
太阳能LED路灯利用太阳能电池的光生伏特效应原理[5]，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电一直到设定的时间后切断。
做到白天有阳光就充电储能，晚上光控和时控点亮发光负载，照明道路。
太阳能LED路灯照明节能控制系统总体框图[4]如图2-1所示：
根据对设计题目的了解，该控制器以MSP430单片机为控制中心，外围电路主要由LED恒流驱动电路、亮度检测电路、热释电红外检测电路、蓄电池电压、充放电控制电路、太阳能电池电压检测与分组切换电路、状态显示电路等构成。
其基本原理是，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，环境光及红外检测电路用于检测环境亮度及车辆人员情况。
由电源模块给单片机、驱动电路、传感检测电路等供电，单片机接受时间设定及外部检测信号来控制LED驱动电路，从而控制LED灯的亮度。
本设计完成白光LED路灯照明部分的控制[6]，该控制总图如图2-2所示：
该控制器以MSP430单片机为控制中心，外围电路主要由LED恒流驱动电路、亮度检测电路和热释电红外检测电路、实时时钟电路、电源电路、键盘电路及显示电路组成。
其基本原理是：
电源模块给MSP430F149单片机和各个电路模块供电，亮度检测电路和热释电红外检测电路用于检测光照强度和车辆人员活动情况，与时钟电路一起通过单片机控制LED恒流驱动电路，从而控制LED灯的亮度及亮灭，键盘电路用于手动修改液晶显示的参数，显示电路显示控制中需要显示的参数。
2.2PWM调光技术
脉冲宽度调制（PWM）技术[7]，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。
PWM控制LED亮度原理：
对于控制LED灯由暗到亮或由亮到暗，采用的是脉宽PWM法。
它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制放电电流的目的。
这次设计利用MSP430F149单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的I/O口通过驱动电路再与LED灯相接后，由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间LED导通，一部分时间截止，从整体来看有一个平均电流，PWM信号频率很高的，我们无法通过肉眼来观察到每一个周期LED灯亮灭的变化过程，所以只好通过平均电流这样一种方式来决定每个LED灯亮的程度了。
随着波形占空比不断变化，LED灯也会由暗到亮再从亮到暗不断变化。
3硬件电路设计
3.1MSP430F149单片机简介
本设计选用MSP430F149单片机[8]。
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。
该单片机将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上。
由于其超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、系统工作稳定、方便高效的开发环境得到广大用户的高度评价。
该单片机引脚图如图3-1所示。
图3-1MSP430F149单片机引脚图
3.1.1MSP430F149单片机特点
1）具有很低的供电电压。
单片机的供电电压最低为1.8V，其供电电压的范围是：
1.8V～3.6V。
2）超低的功耗。
这是目前其他单片机没有的特色。
它在休眠条件下工作的电流只有0.8uA，就是在2.2V、1MHz条件下工作的电流只有280uA。
3）快速的唤醒时间。
从休眠方式唤醒只需要6us的时间。
4）快速的指令执行时间。
它采用的是16位的RISC结构，指令的执行时间只需要150ns的时间，是传统单片机不能比拟的。
5）片内有12位的A/D转换器，并提供参考电压。
A/D转换器具有采样保持和自动扫描特点。
6）16位的定时器Timer_B带有7个捕获/比较寄存器。
7）片内提供温度传感器。
8）具有灵活的时钟设置。
主要有以下几种方式：
32kHz的晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式和外部时钟源方式。
这样可以根据功耗要求和速度要求进行灵活的时钟设置。
9）16位的定时器Timer_A带有3个捕获/比较寄存器。
10）
升级会员 