趙樹(shù)坤

(肇慶市維納斯酒店有限公司，廣東 肇慶 526000)

社會(huì)需要不斷進(jìn)步，國(guó)家需要建設(shè)發(fā)展，這些都離不開(kāi)能源。國(guó)家建設(shè)發(fā)展需要消耗大量的能源作為最基本的保障，能源消耗的同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。能源對(duì)于任何一個(gè)國(guó)家都是十分重要的資源。我們應(yīng)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，大力開(kāi)發(fā)綠色清潔能源，降低能源消耗對(duì)人們生活環(huán)境的影響。其中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電就是一項(xiàng)應(yīng)用前景十分廣闊的熱門(mén)技術(shù)，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電照明技術(shù)又在現(xiàn)實(shí)生活中具有廣大的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也取得巨大成就。城市路燈建設(shè)就是其中典型代表。

太陽(yáng)能LED路燈照明系統(tǒng)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與LED照明技術(shù)的結(jié)合體，太陽(yáng)能電池板完成太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，控制系統(tǒng)依靠蓄電池將其儲(chǔ)存起來(lái)讓LED燈具在需要時(shí)運(yùn)行工作。基于單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)具有諸多長(zhǎng)處：實(shí)用性高，維護(hù)簡(jiǎn)單；僅使用太陽(yáng)能資源，保護(hù)環(huán)境；布置快捷，智能化程度高。因此，達(dá)到節(jié)約電能，減少能源消耗，自動(dòng)調(diào)整一年四季不同照明時(shí)間，減少人力的目的，使路燈控制系統(tǒng)更為智能化。

1 太陽(yáng)能電池板的選擇

太陽(yáng)能電池板(Solar panel)基本的采用硅為材料加工而成的。它能正常運(yùn)行完成各種功能是依賴光化學(xué)效應(yīng)或者是光電效應(yīng)在陽(yáng)光作用下接收太陽(yáng)能。然后完成太陽(yáng)能和電能兩種能量之間的轉(zhuǎn)化任務(wù)。

1.1 太陽(yáng)能電池工作原理

太陽(yáng)能電池的功能是吸收太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化為電能，而實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化目標(biāo)的主要材料有硒錮銅、砷化鎵、單晶硅、多晶硅、非晶硅等。這些材料都有著類(lèi)似的工作原理。筆者分析了用晶體硅來(lái)科學(xué)展示光發(fā)電原理。通過(guò)往P型晶體硅摻雜磷能變成N型硅，形成P-N結(jié)，如圖1所示?，F(xiàn)如今，各類(lèi)二極管、晶體管在我們生活中發(fā)揮著越來(lái)越巨大的作用。而它們能正常工作的保障就是內(nèi)部的PN結(jié)。半導(dǎo)體器件分為P型區(qū)域和N型區(qū)域，在P型區(qū)域中絕大多數(shù)為自由電子。而N型區(qū)域中則以空穴為主，由于擴(kuò)散原理的作用。物質(zhì)總是從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，從而就形成了PN結(jié)。這就導(dǎo)致P型區(qū)域電子數(shù)量減少，N型區(qū)域電子數(shù)量增加，空穴數(shù)量減少。最后產(chǎn)生的結(jié)果就是兩個(gè)都不帶電的區(qū)域P型區(qū)域呈負(fù)電性，N型區(qū)域變成正電性質(zhì)。由于PN結(jié)位于兩者之間，一端呈現(xiàn)正電性質(zhì)，另外一端呈現(xiàn)負(fù)電性質(zhì)，所以就在接觸面形成了一個(gè)內(nèi)部的正電場(chǎng)。

圖1 P-N結(jié)形成圖

半導(dǎo)體由于自身性質(zhì)在受到陽(yáng)光照射時(shí)其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自由電子。自由電子的產(chǎn)生必然伴隨著空穴的誕生。所以，半導(dǎo)體接收到太陽(yáng)光后就會(huì)產(chǎn)生電子與空穴對(duì)。在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下電子和空穴會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)。電子受正電場(chǎng)作用向N型區(qū)域移動(dòng)，空穴受負(fù)電場(chǎng)作用向P型區(qū)域移動(dòng)。如果在這個(gè)時(shí)候?qū)N結(jié)兩端導(dǎo)通形成回路那么就會(huì)形成電流，從而完成太陽(yáng)能與電能之間的轉(zhuǎn)化任務(wù)。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程，如圖2所示。

圖2 光電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程

1.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)

單晶硅具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如它的光電轉(zhuǎn)化效率是所有太陽(yáng)能電池中最高的，可以提供充足的電能。它的光電轉(zhuǎn)換率一般在18%～24%之間。另外單晶硅通常采用鋼化玻璃和防水樹(shù)脂作為外表層防護(hù)。所有相比于其他太陽(yáng)能電池具有更強(qiáng)的耐用性，一般使用壽命可達(dá)25年。但它的缺點(diǎn)也非常明顯，就是采用更高級(jí)的材料導(dǎo)致制造成本居高不下，無(wú)法大規(guī)模推廣使用。

多晶硅是現(xiàn)實(shí)生活中使用最廣泛的一種太陽(yáng)能電池。這主要是得益于其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)性。由于其采用普通材料制造，制造成本要低很多，所以在市場(chǎng)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。但它的劣勢(shì)也特別明顯，光電轉(zhuǎn)換率較低，一般只有16%左右。而且它的使用周期也比較短，因此需要頻繁更換。

非晶硅太陽(yáng)能電池誕生于1976年。它的優(yōu)點(diǎn)是原材料和能量消耗特別少。這主要得益于其特別的加工制造原理，制造的流程得到很大程度的優(yōu)化。而且它對(duì)工作環(huán)境的要求也很低，這也就是它能在弱光條件下正常工作的原因，從而具有更高的可靠性。它的劣勢(shì)就在于觀點(diǎn)轉(zhuǎn)化率比較低，而且還會(huì)波動(dòng)衰減。

蓄電池正常充電的條件是太陽(yáng)能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍。例如：6V蓄電池正常充電需要用8V～9V太陽(yáng)能電池。而給12V蓄電池充電需要用15V～18V太陽(yáng)能電池。

2 蓄電池的選擇

蓄電池作為系統(tǒng)的能源儲(chǔ)存裝置，其對(duì)能量的儲(chǔ)存性能直接影響到系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時(shí)又要考慮蓄電池處理的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響應(yīng)該盡量做到最小。現(xiàn)如今市場(chǎng)上廣泛使用的是普通鉛酸蓄電池，膠體蓄電池這兩種蓄電池。普通蓄電池經(jīng)濟(jì)性比較好而且維護(hù)簡(jiǎn)單方便，在許多場(chǎng)合都有大量使用。但它的缺點(diǎn)也很突出，就是后期對(duì)環(huán)境破壞比較大，處理麻煩。堿性鎳鎘蓄電池對(duì)使用環(huán)境要求低，具有較高的可靠性和實(shí)用性，但是經(jīng)濟(jì)性不高。目前還沒(méi)有大規(guī)模使用，只在一些特定環(huán)境下使用。

2.1 蓄電池的分類(lèi)

現(xiàn)如今，普通蓄電池、免維護(hù)蓄電池、干荷蓄電池在實(shí)際中使用最為廣泛。

2.1.1 普通蓄電池。普通蓄電池具有的經(jīng)濟(jì)性好，而且工作電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是它的使用周期比較短需要經(jīng)常更換。而且它的比能低，這就導(dǎo)致了在提供相同電能情況下普通蓄電池重量更大。

2.1.2 干荷蓄電池，也被叫作干式荷電鉛酸蓄電池。它在使用前半個(gè)小時(shí)需要將電解液倒入其中。而且它的儲(chǔ)電能力非常強(qiáng)。在特定條件下甚至可以將電能儲(chǔ)存兩年時(shí)間。

2.1.3 免維護(hù)蓄電池。正如其名字一樣，免維護(hù)蓄電池后期維護(hù)工作量特別小，基本上不消耗電解液。目前廣泛使用的是一種可以添加電解液的蓄電池，另外一種是器件密封不能添加更換電解液的蓄電池。它的耐用性也特別強(qiáng)，具有重量輕、耐碰撞、耐腐蝕、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。再加上維護(hù)簡(jiǎn)單使得其反使用周期比普通蓄電池要長(zhǎng)許多。

2.2 太陽(yáng)能蓄電池特性

①由于特殊的構(gòu)造和制作工藝使得太陽(yáng)能蓄電池使用年限較長(zhǎng)。 ②相比于其他電池，太陽(yáng)能蓄電池過(guò)充和過(guò)放極限比較高。 ③可靠性和耐用性高，對(duì)使用環(huán)境要求低，可大范圍推廣。

2.3 鉛蓄電池工作原理

該項(xiàng)方案采用鉛蓄電池，因此下文將只詳細(xì)介紹鉛蓄電池的工作原理。鉛蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 鉛蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

鉛蓄電池內(nèi)部由成對(duì)的二氧化鉛正極板、鉛負(fù)極板、硫酸電解液三部分構(gòu)成。充電過(guò)程中正極板二氧化鉛和負(fù)極板鉛在電解質(zhì)硫酸的環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鉛和水，同時(shí)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，完成充電任務(wù)。這個(gè)化學(xué)反應(yīng)是可逆的，其反過(guò)來(lái)就是放電過(guò)程。其化學(xué)過(guò)程，如圖4所示。

圖4 鉛蓄電池內(nèi)化學(xué)過(guò)程

其充、放電化學(xué)方程式如下。

充電過(guò)程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

放電過(guò)程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

2.4 鉛蓄電池充電方式

鉛酸電池具有低壓限流、在線充電、均衡、浮充4種充電方式。常用低壓限流充電、浮充充電、均衡充電。

2.4.1 低壓限流充電。當(dāng)蓄電池過(guò)度放電的時(shí)候一開(kāi)始充電電流比較高，之后慢慢降低并逐漸趨于穩(wěn)定。這個(gè)過(guò)程是恒流充電。充電的同時(shí)蓄電池電壓會(huì)越來(lái)越高并趨于一個(gè)穩(wěn)定值，在這之后充電電流會(huì)不斷降低最后為零。低壓限流充電電壓電流變化過(guò)程，如圖5所示。

圖5 低壓限流充電

2.4.2 浮充充電。這種充電方式需要借用整流器的輔助才能完成。整流器與蓄電池并聯(lián)完成蓄能任務(wù)。

2.4.3 均衡充電。這種充電方式與第一種低壓限流充電過(guò)程相反，它在蓄能任務(wù)的后半段不僅不會(huì)降低電壓，反而會(huì)將電壓增大一定范圍繼續(xù)蓄能，這種蓄能方式的過(guò)程通常在15個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。均衡充電電壓電流變化過(guò)程，如圖6所示。

圖6 均衡充電

3 LED照明燈具的選擇

目前，城市照明最優(yōu)選擇無(wú)疑是LED燈具，因?yàn)槠鋼碛锌煽啃愿摺⒕G色減排、使用周期長(zhǎng)、光源優(yōu)質(zhì)、功耗低等諸多優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)路燈高效很多。另外，LED燈具要想正常工作必須通以直流電，可以發(fā)出柔和不閃爍的優(yōu)質(zhì)光源，照明效果比傳統(tǒng)白熾燈要高出許多。而且LED負(fù)載對(duì)電壓要求也比較低，可以在比較低的電壓下繼續(xù)正常穩(wěn)定工作，擁有較高的可靠性。

與此同時(shí)，LED燈具由于其特殊構(gòu)造擁有較高的堅(jiān)固性，再加上其低功率工作的特點(diǎn)使其使用周期比較長(zhǎng)而不需要多次更換，具有較高的實(shí)用性，因此可以在城市照明中大規(guī)模推廣使用。

LED負(fù)載相比于其他燈具其照明效率特別高，而這優(yōu)勢(shì)都要?dú)w功于它能定向發(fā)射光線的特質(zhì)。實(shí)現(xiàn)這一特質(zhì)的原理就在于其內(nèi)部構(gòu)造中具有高效的反射器，可以將光源匯聚使得其能定向發(fā)射光，讓LED燈具具有優(yōu)質(zhì)高效的照明效果。因此，采用LED燈具照明的場(chǎng)所必須充分發(fā)揮這個(gè)特別的優(yōu)勢(shì)，讓光線射向各個(gè)不同的角度使光源得到最大程度的作用。與此同時(shí)，也要發(fā)揮內(nèi)部反射器的輔助作用使LED負(fù)載效率最大化。另外，路燈照明要想達(dá)到一個(gè)優(yōu)質(zhì)效果對(duì)照度和照度均勻度均有較高要求。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)高要求就必須采用最起碼包含三次配光效果的燈具。毫無(wú)疑問(wèn)LED便是實(shí)現(xiàn)這一要求的最佳選擇，因?yàn)長(zhǎng)ED內(nèi)部的反射器再加上適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)負(fù)載的高度和角度就能很好地完成這一任務(wù)，使系統(tǒng)具有一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效的照明效果。

LED負(fù)載不能使用交流電流，其正常工作必須通以直流電流。因此，路燈照明系統(tǒng)要保障其安全性就必須采用可靠的恒流驅(qū)動(dòng)源。目前為止，最為有效的方法就是依賴有源電子開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)LED，利用這種方式可以滿足負(fù)載屬性的要求。同時(shí)還能減小中間轉(zhuǎn)換過(guò)程的損耗，有效地保障轉(zhuǎn)化率。LED燈內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 LED燈內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

4 控制芯片的選擇

4.1 單片機(jī)基本功能及特點(diǎn)介紹

單片機(jī)是一種集成電路芯片，就相當(dāng)于一個(gè)體積微小但功能俱全的計(jì)算機(jī)。其依靠大規(guī)模集成技術(shù)將能夠運(yùn)算并處理數(shù)據(jù)的CPU、RAM、ROM、I/0接口等微型器件集成到單片芯片上。甚至有些單片機(jī)內(nèi)部還設(shè)計(jì)有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、邏輯運(yùn)算器，各種交流接口、LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路、PWM、模擬多路轉(zhuǎn)換器以及A/D轉(zhuǎn)換器等復(fù)雜器件，而且可以單獨(dú)發(fā)出命令進(jìn)行控制。單片機(jī)通過(guò)上述零部件可以運(yùn)算復(fù)雜的邏輯，將各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的計(jì)算和科學(xué)的處理，從而完成設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)的要求。與此同時(shí)，單片機(jī)可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)要求。單片機(jī)之所以能如此高度智能化不僅僅是其內(nèi)部獨(dú)特的構(gòu)造帶來(lái)的，更需要設(shè)計(jì)者為其輸入符合設(shè)計(jì)要求的程序，這樣它就相當(dāng)于是一個(gè)高度集成，體積微小但功能俱全的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)有了正確科學(xué)的程序就像有了自己獨(dú)特的靈魂，可以“獨(dú)立思考”從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。單片機(jī)在諸多領(lǐng)域之所以能發(fā)揮著如此重要的作用，歸納起來(lái)有如下的原因：①單片機(jī)重量輕、小巧精致、經(jīng)濟(jì)性好，它雖然小但是功能卻很齊全而且效率高，在許多領(lǐng)域都能大規(guī)模使用。②單片機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，可以獨(dú)立運(yùn)算邏輯，能夠完成許多自動(dòng)化，智能化設(shè)計(jì)任務(wù)要求。③單片機(jī)可以運(yùn)算復(fù)雜的邏輯，可以實(shí)現(xiàn)諸多控制思維制造高效的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能。

本論文設(shè)計(jì)方案采用單片機(jī)STC12C5A60S2對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，下文將對(duì)其基本功能進(jìn)行解釋說(shuō)明，單片機(jī)STC12C5A60S2，如圖8所示。

圖8 單片機(jī)STC12C5A60S2引腳

4.2 單片機(jī)STC12C5A60S2功能介紹

各引腳功能簡(jiǎn)單介紹如下：

VCC：供電電壓；

GND：接地；

P0口：它的端口都能處理8TTL門(mén)電流。其實(shí)也就是一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，因此，它可以作為外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)也能被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。當(dāng)P1的端口表示“1”時(shí)，說(shuō)明是高阻輸入。設(shè)計(jì)的時(shí)候，P0口是原碼輸入口，在檢查的時(shí)候，PO發(fā)送原碼，這個(gè)時(shí)候PO外部電壓一定會(huì)提升；

P1口：它的緩沖器能接收并發(fā)送4TT門(mén)電流，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，P1相當(dāng)于第八位地址接收。P1端口顯示“1”時(shí)，內(nèi)部會(huì)將電壓提高，相當(dāng)于是輸入。被外部將P1電壓降低下拉為低電平時(shí)，會(huì)發(fā)送電流，其實(shí)是因?yàn)閮?nèi)部提高所導(dǎo)致的。其實(shí)也是一個(gè)8位雙向I/0口。

P2口：它的緩沖器可接收，也能發(fā)送4個(gè)TTL門(mén)電流，就是一個(gè)內(nèi)部提升電阻的8位雙向I/0口。在它顯示“1”時(shí)，內(nèi)部提升電阻將它的端口電壓增大，并且充當(dāng)輸入。在給出地址“1”時(shí)，它依靠?jī)?nèi)部提升的好處，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2發(fā)送其特殊功能寄存器的內(nèi)容。作為輸入時(shí)，外部會(huì)把P2端口電壓減小，使其發(fā)送電流，這是內(nèi)部提升所造成的。P2設(shè)計(jì)檢測(cè)時(shí)收到高八位地址信號(hào)。P2發(fā)送地址的高八位時(shí)，P2是外部程序存儲(chǔ)器。

P3.0 RXD(串行輸入口)；

P3.1 TXD(串行輸出口) ；

P3.2 INTO(外部中斷0)；

P3.3 INT1(外部中斷1)；

P3.4 T0(計(jì)時(shí)器0外部輸入)；

P3.5 T1(計(jì)時(shí)器1外部輸入)；

P3.6 WR (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)。