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论文太阳能交通灯设计

摘要

人类社会生活水平的不断提高，导致人类对能源的需求量也越来越大,能源紧缺问题也表现得越来越明显。

而且随着世界各国石油、煤炭等自然资源的匮乏，全国大部分地区为了对付缺电，实行了分地区分时段的拉闸限电措施，而交通灯作为重要的指挥工具如果因断电不能正常工作的话，便会造成交通安全隐患。

因此，如何利用可再生资源成为当今世界关注的焦点。

太阳能是一种取之不尽，用之不竭的天然能源，又是一种可再生的清洁能源，具有无需架线，不受地理位置限制等优点，所以得到越来越广泛的应用，同样地市场上LED照明也在快速地提高，而价格却在降低。

综合这些情况，利用太阳能对交通灯进行供电，通过带有蓄电池的太阳能电池板跟普通交通灯相连，来实现利用太阳能给交通灯供电，不仅能够节约资源，而且使其在市电断电情况下也能正常工作，以及LED的环保节能，太阳能LED交通灯成为各个交通要道上的一道亮丽的风景线，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。

本系统采用太阳能供电，采用单片机自动控制交通信号灯及时间显示，介绍了太阳能供电系统；设计了自动控制交通信号灯的硬件电路，并给出了相应的软件和流程图。

关键词：

太阳能电池板；蓄电池；充放电控制；单片机；交通信号灯

第一章绪论

1.1太阳能交通灯设计的目的和意义

交通灯是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。

适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

常规的交通灯是由安装电线和铺设电缆即用市电作为动力来源的，这样不仅安装繁琐，耗时耗力，而且浪费能源，不稳定性和可靠性都是很差的，且不能适合中国可持续发展战略。

而太阳能交通灯是一种利用太阳能作为能源的交通灯，太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求大量的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。

太阳能交通灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源供电的地区。

太阳能交通灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成，控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池（本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备，具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等，与成本控制，实现很高的性价比。

）和充放电控制器。

同时，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是一个历史上更伟大的改革。

太阳能LED交通灯集成了太阳能与LED优点。

1.2太阳能交通灯的工作原理和过程

太阳能交通灯系统工作原理和过程很简单，首先就是由动力源部分即太阳能电池板，利用光生伏特效应原理，在白天由电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，同时通过控制器向交通灯提供电能以使其正常工作。

当夜晚照度逐渐降低，太阳能电池板开路电压降低到所规定的值时，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。

当过了一个黑夜，到白天时充放电控制器侦测到太阳能电池板的电压达到所规定的充电电压时就继续向蓄电池充电，从而完成循环。

具体的太阳能交通灯工作原理和工作过程会在以下章节进行详细介绍[1]。

第二章太阳能交通灯总体设计

太阳能交通灯的设计是由用户（主要是交通部门）来决定的，交通灯部门确定在某一区，某一路口，某一环境下安装和使用太阳能交通灯，会根据这一地区、所选的环境和该路口的车流量的大小和时间分布确定的。

因为当我们选用不同大小的交通灯（这里指交通灯的LED灯）和交通灯的转换时间是根据这个路口的车流量来确定的，而不同大小的LED交通灯又决定了所选用太阳能电池板的大小。

此外，道路车辆的监控对畅通道路起到非常重要的作用，可以根据所监控到的车流量的大小来调节交通灯的转化时间，而模糊控制则可完成这项功能。

强制通行几乎是每个路口必备的，所以根据以上讨论的结果我们提出了本篇论文太阳能交通灯系统的具体设计要求为：

（1）太阳能电池板功率的计算和选用；

（2）蓄电池容量，恒流充放电控制和状态显示；

（3）放行线,绿灯亮放行30秒,黄灯亮警告5秒,然后红灯亮禁止；

（4）红灯亮禁止30秒,绿灯亮30秒放行，放行线和禁止线交替变换；

（5）系统的模糊控制要求；

（6）遇到紧急情况，交通灯具有强制通行和全部禁止通行的功能。

基于以上的要求，设计的系统必须有以下结构模块：

太阳能光伏发电系统（太阳能电池组件，蓄电池，充放电控制电路），单片机控制电路，显示电路。

第三章太阳能交通灯硬件设计

3.1太阳能供电系统

太阳能发电系统主要有太阳能电池组、蓄电池、太阳能控制器等部分组成。

太阳能电池组件是将光转变成电的变换装置,白天在阳光照射下,太阳能电池组件通过光生伏打效应产生光生电压和光生电流,所产生的直流电一方面通过控制器对畜电池充电,这时电能被转化成化学能被储存在蓄电池中,另一方面通过控制器给负载供电。

到了夜晚,太阳能电池组件停止发电并停止向蓄电池充电,蓄电池通过控制器对光源放电。

因此,本系统的设计包括太阳能电池功率的计算、蓄电池容量的选择、充放电控制电路的设计，系统总框图如图3-1所示。

图3-1太阳能供电系统框图

3.2太阳能电池板

太阳能电池构成太阳能电池板，而太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。

太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本；当许多个太阳能电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染.。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

3.3蓄电池

在太阳能电池供电系统中,太阳能电池方阵将太阳能辐射转换为直流电能,通过蓄电池将其电能转换为化学能储存起来,我们通常称蓄电池为光伏发电系统的贮能装置。

对于太阳能光伏发电系统,要求它能够随时随地向负载提供稳定的电能,但是,由于太阳日夜光照的间歇性和随机性,发供电任务全都靠太阳能电池则难以实现,必须通过贮能装置来对太阳能电池发出来的电能进行贮存和调节,在供电系统正常工作时,依蓄电池正常充放电状态的变化分为多种情况:

第一种是负载关闭,太阳能电池方阵正常发电,此时全部电能是向蓄电池组充电,将这些电能全部转换成化学能贮存起来,直到蓄电池充满后控制器保护断开为止;第二种情况是在太阳能电池发电的同时,负载也需要工作。

这时,太阳能电池将直接向负载供电,同时将多余的电能向蓄电池组进行补充电;更多的工作情况可能是,太阳能电池不再发电,负载需要的电能全部由蓄电池组提供,此时,以化学能形式存储在蓄电池中的能量转变为电能,供负载使用,所以说蓄电池既能贮存电能,还能对系统起着调节电量、稳定输出的作用。

蓄电池的种类很多，在太阳能光伏发电系统中大多数采用的是铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池。

但考虑到蓄电池的使用权条件和价格，大部分太阳能光伏系统选择铅酸蓄电池作贮能电源，且使用不需要加水免维护型的阀控式密封型铅酸蓄电[4]。

下面对铅酸蓄电池进行简单介绍：

（1）铅酸蓄电池定义：

电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。

英语

Lead-acidbattery荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

（2）铅酸蓄电池电极反应式

充电：

2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4（电解池）

阳极：

PbSO4+2H2O－2e－===PbO2+4H++SO42－

阴极：

PbSO4+2e－===Pb+SO42－

放电：

PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O（原电池）

负极：

Pb+SO42－－2e－===PbSO4

正极：

PbO2+4H++SO42－+2e－===PbSO4+2H2O

3.4太阳能控制器

充放电控制器是具有自动防止蓄电池组过充电和被负载过放电的设备，它是光伏发电系统的核心部件之一。

控制器最重要的作用就是防止蓄电池过度充电和过度放电。

由于蓄电池的投资在系统成本中占了较大的比重，为了最大限度延长蓄电池使用寿命，保证光伏发电系统能长期可靠地工作，就需要对蓄电池的充放电进行控制。

虽然控制器的控制电路根据光伏系统的不同其复杂程度有所差异，但其基本原理是一样的，图3-2是一个基本的充放电控制器的工作原理图，该系统由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成。

开关1和开关2分别为充电开关和放电开关。

开关1闭合时，由光伏组件给蓄电池充电，当蓄电池出现过充时，开关1能及时切断充电回路，使光伏组件停止向蓄电池充电，开关1还能按照预先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。

开关2闭合时，由蓄电池给负载供电，当蓄电出现过放电时，开关2能及时切断放电回路，蓄电池停止向负载供电。

当蓄电池再次充电并达到预先设定的充电电压门槛时，开关2又能自动恢复给负载供电。

开关1和开关2是广义上的开关，它可以由各种开关元件构成，如各种电开关、机模式开关等。

图3-2基本充放电控制器工作原理图

3.5充电方法

充电是蓄电池得以可持续工作的重要手段，也是太阳能发电系统得以持续进行的必备条件。

一般的的充电方法有快速充电法,恒流充电法，恒压充电法。

在开始充电的时候,控制器会先检测蓄电池的电压,如果过低,则会根据快速成充电的方法,将畜电池的电量快速充满,之后采用恒压或恒流的方法继续给畜电池充供电。

快速充电法一般是使电流以脉冲方式输给蓄电池，并随着充电时间的延续，蓄电池一个瞬间的大电流放电，使其电极去极化。

它是光伏发电的常用充电方法之一[2]。

快速充电法的主要优点：

充电时间大大缩短，采用常规充电法时，蓄电池正常充电时间一般需要12～15小时。

采用快速充电法时，正常的充电时间一般是在1小时左右。

由于充电时间大大缩短，充电维护工作量就大大减少。

节约大量电能，蓄电池的寿命显著提高。

采用快速充电法时，有效避免了因剧烈出气而造成的活性物质脱落，蓄电池的容量显著增加。

采用常规充电法时，充电电流较小，极板深处的活性物质不能进行充分的化学反应，所以新蓄电池在初充电后的容量很难达到额定容量。

采用快速充电法时，充电电流很大，极板上的活性物质可以进行充分的电化学反应，因而蓄电池的容量显著增加。

此外，采用快速充电法时，蓄电池经初充电后，不必放电。

这样既能节约电能，又缩短充电时间，还可增加蓄电池的容量。

另外，采用快速充电法可以有效的消除极板硫化，从而提高蓄电池的容量。

有些因硫化而准备报废的蓄电池，采用快速充电法后，容量也可以大大提高，这样就相应地延长了蓄电池的使用寿命。

从上述可以得出，采用快速充电法比较合适，适合作为太阳能电池板的储能装置。

恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。

控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使析气过甚。

恒压充电法主要针对每只单体蓄电池以某一恒定电压进行充电。

此方法比较简单，充电过程中不需要调整电流。

充电时间短，能耗低，充电效率可达80%。

如果充电电压选择得当，可在数小时内完成充电。

其缺点是：

在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅会危及充电器的安全，蓄电池也可能因为过流而受到损伤；另一方面，如果充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不宜串联数量多的蓄电池组充电；同时，蓄电池的端电压很难补偿，充电过程中对低电压蓄电池的完全充电也难以完成。

恒电压充电一般应用在蓄电池组电压较低的场合[3]。

3.6信号状态控制的设计

设在十字路口，分为东西向和南北向，在任一时刻只有一个方向通行，另一方向禁行，持续一定时间，经过短暂的过渡时间，将通行禁行方向对换。

其具体状态如下图3-3所示。

说明：

黑色表示亮，白色表示灭。

即如图3-7所示：

◆东西方向红灯灭，同时绿灯亮，南北方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。

此状态下，东西向禁止通行，南北向允许通行。

◆东西方向绿灯灭，同时黄灯亮，南北方向红灯亮，倒计时5秒。

此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

◆南北方向红灯灭，同时绿灯亮，东西方向黄灯灭，同时红灯亮，倒计时30秒。

此状态下，东西向允许通行，南北向禁止通行。

◆南北方向绿灯灭，同时黄灯亮，东西方向红灯亮，倒计时5秒。

此状态下，除了已经正在通行中的其他所以车辆都需等待状态转换。

图3-3交通状态

本设计中的信号灯均由红、绿、黄三种颜色的高亮度LED圆形点阵组成，电路上采取串并联相结合。

且每只发光二极管的正向工作电流IF为15mA，正向工作电压为2V。

每个灯由50只发光二极管组成圆形显示,其中每5个串联在一起，然后这10个串联支路并联起来，这样可以避免工作电流过大而损害发光二极管。

每个灯的工作电流为0.15A（15mA×10＝0.15A），而四个路口同一时间最多亮四个灯，即四个灯的最大工作电流为0.15A×4＝0.6A，倒计时间显示部分有两位数字显示,每一位数字仍由发光二极管组成,数字的每一段由5只发光二极管串联,每一段上通过的电流为15毫安,两位数字共有14段,共需电流210mA,四个方向时间显示最大工作电流是0.21A×4=0.84A。

因为倒计时并不是数字的每一段都会显示,因此，时间显示部分所需电流取其2/3即可，即0.56A,则系统一天的用电量为（0.6+0.56）×24=27.84Ah,一天的功耗为10×27.84=334.08Wh。

3.7蓄电池容量计算

蓄电池的容量计算是根据系统的日用电量、自给天数及蓄电池的放电深度来确定的。

这里自给天数是指在系统中没有任何外来能源的情况下仍能正常工作的天数。

蓄电池的放电深度应根据不同的的蓄电池类型来确定，一般来说，铅酸畜电池的放电深度选择80%左右。

这里所做实物中蓄电池容量选5V,且能连续工作6个阴雨天。

蓄电池容量的大小，主要考虑负载的耗电情况，此外还要考虑现场的气候条件和环境温度等。

蓄电池容量的计算化公式为（Ah）:

式中：

P为负载的平均功率，h为负载每天工作的时间，N为连续无日照的天数，U为蓄电池的额定电压，为富余系数，取1.43，T0为温度修正系数，（一般0度以上取1，0度以下取1.1或1.2）。

本系统蓄电池容量选择：

考虑到现场气候和环境温度，可选择容量为250Ah/12V的免维护铅酸蓄电池，其容量设计在连续6个阴雨天也能正常工作[5]。

3.8太阳能电池功率的计算

太阳能电池功率的计算工式为：

式中：

t为每天平均光照小时数，M为太阳能电池板给蓄电池充满需要的天数。

按平均每天日照7个小时，3天给蓄电池充满，则太阳能电池板的功率为：

第四章太阳能交通灯软件设计

所编写的软件应该实现太阳能交通灯的设计要求，换句话说就是要根据设计要求来确定软件的设计思路。

在本次设计中我们主要要实现的是模糊控制，通过模糊控制来变更交通灯所亮的时间。

当然了实现交通灯的基本功能肯定是必要的。

基于以上需求，该系统软件程序设计主要有主程序，中断子程序，模糊控制子程序和延时子程序。

主程序主要任务是调用子程序从而实现红绿灯的轮流显示及秒倒计时显示，中断服务程序的主要功能是进行计时操作，其中显示子程序可以反复调用[6]。

下图4-1为主程序流程图：

　　图4-1主程序流程图

下图4-2为中断程序流程图：

　　图4-2中断程序流程图

结论

交通灯控制在交通运输领域里有着非常重要广泛的作用。

本文完成了以太阳能为动力来源，采用MSC一51系列单片机AT89S52为中心器件，来设计交通灯控制器的交通灯控制系统的设计与模拟。

系统设计简便、实用性强、操作简单。

同时，系统采用太阳能电池进行供电，不仅环保节能，还省去了铺设电缆的麻烦。

系统不足之处暂时还不能控制车的左转、右转等，如果需要亦可以扩充原系统。

硬件控制电路简单，可降低生产成本，采用单片机可提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统的体积，调试和维护方便，并可根据具体情况修改程序中的参数。

对灵活有效地利用交通灯控制行车安全，车辆分流有一定的实际意义,而且解决了紧急车的通行问题。

在论文完成过程中，主要做的工作有：

（1）确定交通系统具体的通行方案，规定东西向和南北向车辆的行止状态和时间分配，以及要求其他多功能的实现。

（2）以ATMEL公司的AT89S52单片机为核心进行系统硬件设计，输入量包括：

车流量，按键状态和模糊控制传感信号；输出控制交通信号灯亮灭状态及时间，以及LED数码管倒计时显示。

（3）在车流量检测系统中采用模糊控制方法，这需要知道被控对象的数学模型，进行清晰化，具体化。

因此，必须实施调查确定车流量少，中，多所要求的具体数量，然后经过单片机控制器的相关算法及处理确定红绿灯亮灭时间。

（4）在开发过程中可使用了Protues仿真器，这些都大大缩短了软件的开发周期。

为了便于编写、调试、修改和增删，系统软件的编制采用了模块化的设计方法。

太阳能交通灯是以清洁能源太阳能为动力来源的，无污染，安装方便。

故相信在以后的将来，随着太阳能的普及使用，太阳能交通灯一定会有很大很快的发展。

致谢

在毕业设计期间，一直得到XX老师的悉心指导和关怀。

特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向XX老师表示最衷心的感谢！

在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。

在课题的研究和进展中，因为与所学专业有一定的跨度，所以请教了电气学院的同学和老师，他们也给予了很大的帮助，这里也一并表示感谢！

由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。

参考文献

[1]赵宏娟.太阳能电池工作原理与种类黑龙江科技信息[J].2007年09S期：

41～43

[2]王伟都，汪灵.薄膜太阳能电池的技术特点及前景展望.中国材料科技与设备[J]2007年4期：

25～27

[3]周茂霞，王海宁.利用单片机控制交通灯和倒计时显示[J].信息技术与信息化2007年1期：

25～29

[4]王建华，吴季平.太阳能应用研究进展.水电能源科学[J]2007年4期：

26～28

[5]唐敏，任奇.一种太阳能电池最大功率点跟踪的算法研究.通信电源技术[J]2007年4期：

18～20

[6]罗运俊，王长贵等.家用太阳能光伏电源系统.北京:

化学工业出版社.2007.3