基于AVR单片机的太阳能LED路灯的研究现状与进展.doc

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1、毕业设计（论文）文献综述院 系：数理系年级专业：08光信息科学与技术姓 名：何德仁学 号：0810022230题目名称：基于AVR单片机的太阳能LED路灯的设计基于AVR单片机的太阳能LED路灯的研究现状与进展【摘 要】由于当今能量短缺，太阳能光伏照明设备凭借着节能、环保、无需布线、自动控制、安装方便简单等优点，在照明行业中树立起了重要的地位。近年来，随着太阳能光伏器件、大功率LED器件技术的成熟，太阳能LED照明系统得到了广泛应用。同时，设计相应的智能控制器也是当务之急。单片机以它的低功耗，高运算速度的特点被广泛的应用与智能照明系统当中，作为其控制核心。本文就AVR单片机的相关介绍，和现阶段

2、智能路灯照明系统的设计进行分析阐述。【关键词】单片机、AVR、太阳能LED路灯第一章 课题背景照明作为人类生活起居中不可或缺的一个部分，随着太阳能光伏器件、大功率LED器件技术的成熟，太阳能LED路灯在道路照明系统中得到了广泛应用。但是，在现今的路灯照明系统当中，存在着极大的能源浪费情况，究其原因就是目前的智能控制系统不能准确的识别环境和合理按照人们的要求来控制路灯的工作情况。现阶段的路灯智能照明系统主要引入了单片机和各种传感器作为系统的控制和探测单元。AVR单片机作为一种高性能的单片机在各种嵌入式系统当中得到了广泛的应用，将AVR单片机应用于智能照明系统能大大的提高系统的性能和稳定性，如果可

3、以对太阳能LED路灯进行分时、分压来控制，即根据夜晚不同时间段，人们对照度的不同要求，控制太阳能LED路灯的输入功率，达到用最小的成本设计出能够满足最恶劣气象条件下人们对太阳能LED路灯的最基本要求，所以需要设计出这样一种基于AVR单片机的智能控制的太阳能LED路灯。第二章 研究现状现阶段的智能照明系统当中，多数采用以51为内核的单片机作为系统的控制核心。虽然51系列的单片机有着成本低，部署方便的特点，但随着科技的进步，特别是微处理器技术进入第四代以后，一些性能更加强大，功耗控制更加优秀的单片机开始崭露头角。AVR单片机便是这当中的代表。2.1 AVR单片机与传统51单片机的性能对比由于AVR

4、单片机 采用了更加先进的制造工艺，在同等配置的条件下，AVR单片机的价格要比8051单片机便宜。AVR单片机片上外设接口多，自带E2PROM的数据存储器，因此在大多数情况下，可以基本摆脱外界的串行EEPROM，使得产品制造成本降低，同时也缩小了产品的体积。在可靠性方面，AVR单片机抗干扰能力也优于8051单片机。此外AVR单片机还支持多种休眠模式，这使得设计低功耗的AVR应用系统变得更加容易1。在运行速度上，由于AVR使用的是带有哈佛架构的精简指令集，可以进行指令的预读取，每个时钟周期可以执行一条指令，所以AVR单片机的运行速度可以达到1MIPS / MHz。远远大于51单片机的运行速度。在同

5、等时钟频率下，AVR单片机比51单片机速度快12倍，如果执行多位的乘除法运算，AVR单片机可以比51单片机快23倍。从中可以看出AVR具有非常明显的速度优势。在IO口的驱动能力上，AVR单片机也有自己独特的优势。AVR单片机的IO口可以直接输出40mA的灌电流，因此可以在无需三极管放大的条件下直接驱动继电器等装置。而51单片机的IO口为集电极上拉输出方式，高电平输出电流等于上拉电阻的电流，这个电流最大只有10mA，通常需要使用放大器才能驱动电子元件。此外，AVR单片机还拥有一个强大的开发环境AVR Studio，通过该开发环境可以方便的实现AVR程序的编写的下载调试2。2.2 现行设计方案的讨

6、论2.2.1 太阳能LED路灯系统结构 现阶段的太阳能LED路灯系统主要由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池、 LED光源、灯杆及灯具外壳等构成。太阳能电池板是一种太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分，太阳能电 池板是带有PN结的半导体器件，根据光生伏特原理，能将太阳光能直接转换成电能。蓄电池是一种储能元件，白天存储太阳能电池转换而来的电能，夜晚提供电能给路灯照明。控制器的作用是防止蓄电池过充电及深度放电。同时兼有温度补偿功能和路灯控制功能，控制器具有夜间自动切控负载功能，以便阴雨天延长路灯工作时间。3 由于有些地方白天太阳光照有些，有时所储存的电能不足以提供夜晚的路灯照明，

7、这时就需要加入市电，当蓄电池里的电能不足时，切换到由市电供电使路灯工作。基本结构如图2。图2 双电源供电太阳能LED路灯系统42.2.2 太阳能LED路灯系统的蓄电池太阳能LED灯具是目前广泛使用的绿色环保灯具。相比之下，传统灯具的“动力源泉”来自各种蓄电池，目前普遍使用的有铅酸蓄电池、镍镉电池和镍氢蓄电池等。 1)铅酸蓄电池 铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用作汽车的起动动力源。它可靠性好、原材料易得且价格便宜。但它有两大缺点：一是能量比低，所占的质量和体积太大，且一次充电使用时间较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。 2)镍镉电池 目前，镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其能量

8、质量比可达55Wh/kg，功率质量比超过190W/kg，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4-5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并小高。使用中要注意做好回收工作,以免重金属镉造成环境污染。 3)镍氢蓄电池 镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在金属污染问题。其能量质量比达75-80Wh/kg，功率比达160230W/kg，循环使用寿命超过600次。比较上面的各种蓄电池各有优点，但是寿命短、记忆效应的问题都存在。超级电容在太

9、阳能灯具的应用，很好的改善了这些问题。超级电容器作为一种新型储能元件，这是一种以双电层为原理，采用多孔碳材料为电极的EDLC超级电容，拥有大至数千法的电容量，其性能介于传统充电电池和普通电容器之间的电子元件，可以在很短的时间内充满电，同时又如其他充电电池一般可储存大量能量；放电时利用移动导体问的电子(而不依靠化学反应)释放电流，从而为灯具提供电源。由于其优异的性能，EDLC超级电容在很多方面可以替代对环境有污染的蓄电池。目前应用在太阳能灯具上的超级电容的显著特点如下：1)几乎没有充放电次数限制。2)无记忆效应。3)免维护。4)温度范围宽。5)极高的充电效率(适合所有天气状况，包括雨天)。6)快

10、速充电(晴天为lh，雨天为8h) 5。2.2.3 现阶段的光控电路综合现有智能照明系统的设计，光控电路上大部分采用通过光敏电阻并联一个定值电阻，然后检测光敏电阻两端的电压。图3为一个基本的光敏探测器。图3 环境亮度模块的电路图单片机的IO口对光敏电阻和定值电阻之间的电压进行探测，因为光敏电阻的阻值会随外部光强的变化，因此单片机所采集的电压值也会随外部光强的变化，这样就可以以此来判断外部环境的光强情况6。 光控电路也可以通过运算放大器来完成。如图4是基于LM324的光控电路。当太阳能电池输出电压小于2.3V时定义为晚上，反之为白天。天亮时，比较器U2的反相输入端电压高于同相输入端电压，U2输出低

11、电压，不能点亮LED灯。天黑时，U2同相输入端电压高于反相输入端，U2输出高电平，点亮LED灯。7图42.2.4 LED的驱动电路 第一为了避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性；第二要获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。所以目前大多数的LED驱动电路都是采用LED恒流源驱动，保证其节能运行。 由于LED的发光稳定度和效率与它的温度、不间断运行时间、自身参数密切相关，随着温度的升高，它的发光效率会下降。如果采用“恒温”电路保障LED自身性能，致使硬件成本高、稳定性下降。所以采用恒流驱动电路（如图5），此电路优点保持LED输出的光强度（光功率）为恒定，从而消除了光源的波动，

12、提高了能源的利用。8图5第三章 总结与展望 现阶段的太阳能LED路灯的设计通常将光控电路与单片机相结合起来，构成一个即可探测光强，再进行智能控制的系统。现有设计一般在单片机内部设定光强的触发阈值，当环境实际光强小于该阈值时，则系统判断环境亮度过低，且符合用户设置时，则触发系统的照明设备，为环境提供照明。本次设计主要光敏电阻探测光强，通过AVR单片机进行对太阳能电池充电、放电和LED的驱动电路进行控制，进行PWM调光和系统功耗的检测。从而达到环保节能高效的特点。随着IBM公司“智慧地球”理念的提出，智能化趋势将逐步的深入我们生活的各个角落，相信在现在微电子技术的带动下，未来将是智能照明大显身手的

13、时刻！参考文献1 吴健. AVR单片机实用C语言程序设计与典型实例M. 中国电力出版社. 2008. 3-52 Joe-Ming Cheng,Ping Hsu. AVR Microcontroller for Control Application Developments J2005 Embedded Systems Conference - San Francisco (ESC2005)2005:.687-6983 刘桂涛，白敬中. 太阳能LED路灯在道路照明中的应用. 孝感学院学报. 第29卷2009.1164 亓立敏，尹成强，陈波. LED太阳能路灯控制器的设计. 科技创新报. 2011. NO.125 闫晓金，潘艳. 太阳能LED路灯的绿色储能系统. 电工文摘/产品与应用6 李勇，洪志刚，李泳湛. AVR单片机在LED遥控照明中的应用J. 新器件新技术. 2010 (7)：37-387 郝春成. 太阳能光伏照明系统充放电性能检测装置设计. 河北大学. 硕士学位论文. 2010.05.018 陈斌. 智能LED路灯节能控制系统的设计与实现. 信息技术